市政管線三維GIS系統的設計與實現

摘 要:將3DGIS技術應用到市政管線管理中，可以很好地解決二維GIS在表達地下管線垂直層次信息的缺陷，同時又能增強GIS數據接近現實的空間操作和空間分析體驗。基于管件構件庫思想，利用軟件搭建技術開發管線專業三維功能插件，建立市政管線三維GIS系統。系統很好地實現了城市管線及周邊環境的三維仿真顯示，是一種仿真效果優良、集三維顯示和三維操作為一體、可配置的市政管線三維GIS系統解決方案。

關鍵詞:管線;三維GIS;構件庫;軟件搭建

中圖分類號:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)07-0268-02

0 前言

管線是城市的重要基礎設施，擔負著物資、能源和信息的傳輸工作，被比擬為城市的“生命線”。應用地理信息系統(geography information system，GIS)技術進行管線的信息化管理已經成為廣泛共識。然而傳統的二維GIS系統中，在表達管線層次信息(如高程、壓力等)時，只是將其作為一個屬性值進行處理。這就注定了它在管線管理中存在不可回避的缺陷，即無法滿足管線深層次的空間模擬和分析的要求。三維GIS技術應運而生，它能更真實地反映管線的空間位置關系，通過建立三維管線仿真場景，為操作人員提供必要的三維人機交互性和自主性，再提供必要的三維輔助分析及決策工具，即可為城市管線的維護和規劃建設提供科學決策、及時、有效的支持。

1 總體結構設計

市政管線三維GIS系統的總體設計采用多層C/S體系結構，分別為數據服務層、數據接口層、組件服務層和三維應用層，每一層分別為其上層提供服務和支持。

圖1 系統邏輯結構

數據服務層:利用地理數據庫存儲經過建模生成的三維空間數據和屬性數據。

數據接口層:地理數據(圖形、屬性信息)通過空間數據引擎從地理數據庫中進行獲取。空間數據引擎負責處理空間數據模型與關系數據模型之間的映射關系，使關系數據庫能存儲、管理和快速檢索空間數據。

服務組件層:三維平臺的基礎顯示驅動工具、專業建模工具，支持城市管線的三維可視化顯示。

三維應用層:針對城市管線信息化管理的業務需求，實現了三維系統的設置，管線編輯、數據查詢統計、漫游功能、管線分析功能，用戶可以在三維場景下進行交互式實現爆管分析、埋深檢測等。

2 關鍵技術及實現

2.1 構件庫技術

2.1.1 基本思想

在進行管線三維建模時，通常的建模方案是將管線分為管段和管點進行分別建模。但由于管點存在多類型、多規格的情況，通用的建模方案無法對管點的實際情況進行準確表達?；谶@種情況有學者提出構件庫的建模思想。即將城市的各類管線劃分直管、連接件、閥門和附屬設施四類標準管件。結構簡單的直管，通過幾何建模實現。對于結構復雜的管件，可以借助專業三維建模工具如3DMax進行設計，建立管線構件庫，通過管件與模型的對應關系，對管點進行精細表達。

基于構件庫的建模思想，管線三維數據采用三維數據庫與管件構件庫交互的組織結構，如圖2所示:

圖2 管線三維數據結構體系

2.1.2 數據組織實現

在管線三維數據庫中，每條管段或每個管點看作一個三維要素實體，每個三維要素實體通過幾何信息和屬性信息進行描述，其數據組織如表1所示。

表1 三維實體核心表結構

標識IDNameTypeTypeIDPipeID…

說明實體編碼名稱類型構件編碼所屬管線編碼…

實體編碼作為三維實體在系統中的唯一識別號;名稱用來說明它是哪種實體;類型表示它具體屬于什么類型;所屬管線是指它歸屬于哪層管線。以排水閥門為例，其數據結構可為00025，排水閥，PSM，供水管線，PSF056，等。

管線構件庫存儲了通過專業建模工具所設計、符號化后的各種管件類型，其數據組織表2所示。

表2 管線構件庫結構

標識TypeIDNameFTypeFeature

說明構件編碼名稱父類型規格

構件編碼是指模型在構件庫中唯一編碼;名稱是對構件的描述;父類型是針對于一些比較復雜的構件，如三通，四通的父類型可為連接件;規格說明該構件的一些特征信息，如口徑等。

從以上兩個表可以看出，管線三維數據庫與管件構建庫中都有共同的字段—構件編碼，該字段即建立起了管線三維數據庫與管件構件庫之間的對應關系，當進行管線三維建?；蚰Ｐ途庉嫊r，系統可以自動搜索出某三維實體所對應的管件模型。

2.1.3 管件耦合實現

雖然，城市管線種類多，各類管線上的附屬設施又不盡相同。但是由于各類管線及其設施都是按照國家規定進行制造，如三通、四通的口徑都有對應的、有限規格。所以構件庫可以充分利用這一特點。當要給某兩條、或三條管線進行節點模型配置時，系統通過以下步驟來實現:

(1)用戶首先選中要耦合的幾條管線，系統自動讀取其管徑信息;

(2)通過交互對話框，用戶指定要選取的構件類型，如排水閥;

(3)系統自動從構件庫中搜索出屬于排水閥，端口口徑與所選管段一致的管件;

(4)搜索出的管件自動耦合到管段上，再根據實際需要在保證管徑耦合的情況下，進行一定的位姿調整。

2.2 軟件搭建技術

2.2.1 搭建式開發思想

軟件搭建技術是一種先進的軟件開發模式，即“平臺”+“插件”模式。其實質是插件技術的應用，確切地說，它是對插件技術的一種升級和演化。“平臺”內部提供了平臺和插件之間、插件和插件之間的消息機制，各種插件通過定義的標準接口實現訪問，利用可視化的插件配置界面搭建應用系統。當利用這種開發模式進行GIS軟件研發時，開發人員只需要將專業功能劃分為若干插件，每個插件完成不同的功能。把各種專業功能插件搭建到平臺中，此時，系統既擁有原來的基礎功能，又有了擴展功能，即形成了專業的應用系統。這樣的開發模式有效的減少開發人員的工作量，還保證了系統的高伸縮性和可擴展性。

2.2.2 配置式系統設計

市政管線三維系統設計器是實現快速構建應用系統的主要工具。用戶依靠系統設計器提供的可視化配置工具配置完成系統界面設計，如系統的菜單、工具條、狀態欄、熱鍵、交互以及各種系統視圖的位置;在數據中心的權限模塊定義配置角色實現權限系統的設計;配置工作流的流程實現功能的設計;數據中心通過數據目錄的配置實現數據管理的設計。如圖3所示。這些系統的設計都是依賴于系統設計器提供的配置工具，不需要用戶編碼。

圖3 市政管線三維GIS系統設計器

其中，在進行菜單設計時，系統配置人員只要從插件庫中將功能插件自由“拖拽”到相應菜單的功能場景中，系統啟動后，就可以順利地使用菜單功能。

市政管線三維GIS系統針對城市管線管理業務的需要，劃分為三維數據管理、三維通用顯示、系統設置以及專業功能四大功能模塊，各功能模塊再進行細化為多個小插件，最后通過平臺的插件配置行為，將功能集成起來形成最終應用系統。

3 應用實例

MapGIS7開發平臺是基于最新的數據中心思想，采用“平臺”+“插件”的開發模式建立的插件搭建式GIS平臺，其三維開發平臺MapGIS—TDE基于同樣的設計思想。

市政管線三維GIS系統，通過建立管件構件庫，對通用的管點三維仿真效果進行優化。并基于MapGIS搭建式平臺在實現城市管線三維仿真的同時，充分挖掘三維場景下的管線的業務管理作用，提供了三維環境下的管線編輯、查詢統計、管線分析、管線漫游等功能，為城市管線維護和規劃提供更為科學、有效的支持。

圖4 系統界面

4 結論

構件庫技術成功運用到管線三維系統中，實現了管線設施的分門別類管理。在三維場景中可以根據實際情況將管線模型成功匹配到所需位置上，增強了管線三維仿真效果。先進的軟件搭建技術運用GIS系統開發中，在已有的三維管線通用功能基礎上擴展三維空間分析和三維操作功能，減少了開發人員的工作量，并以其擴展性好、定制靈活的特點，深受軟件開發人員和管線管理部門的青睞。

不過，構件庫的建模思想、搭建式的開發模式，僅是實現管線三維GIS系統的進一步嘗試。相信隨著三維GIS理論研究的深入，以及軟件架構技術的發展，真正的管線三維時代會很快到來，會更加快速、科學、有效的服務于管線的日常維護和管理。

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