《濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)》的研究與實(shí)現(xiàn)

孟浩東 ，張煒，王冬，蔣許鋒

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381;2.天津?yàn)I海高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃處，天津 300384)

1 引言

城市地下管網(wǎng)的綜合規(guī)劃和管理，正隨著地理信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越受到人們的重視。城市地下管線與人們的生活密切相關(guān)，它們的暢通運(yùn)營(yíng)是企業(yè)安全生產(chǎn)、社會(huì)穩(wěn)定的重要保障。綜合考慮、統(tǒng)籌規(guī)劃、合理使用財(cái)力，實(shí)現(xiàn)城市地下管網(wǎng)的綜合管理已經(jīng)成為必然。

濱海高新區(qū)是首批國(guó)家級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，被賦予帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和跨越發(fā)展的使命，被定為濱海新區(qū)的領(lǐng)航區(qū)。隨著濱海高新區(qū)的開(kāi)發(fā)開(kāi)放，地下逐步埋設(shè)了大量的管網(wǎng)設(shè)施。

天津?yàn)I海高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃處是為天津市規(guī)劃局的派出機(jī)構(gòu)，是此區(qū)域的城市規(guī)劃行政主管部門，在濱海科技園成立之日起，就開(kāi)始了濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)的研發(fā)工作。在三維管線規(guī)劃系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)地下管線信息的查詢與分析使得三維管線景觀不僅僅能為用戶提供視覺(jué)上的感受，讓用戶對(duì)管線的建設(shè)具有感性認(rèn)識(shí)，更使得決策者、規(guī)劃設(shè)計(jì)院和用戶對(duì)管線建設(shè)現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計(jì)藍(lán)圖有更為生動(dòng)、客觀和理性的了解和認(rèn)識(shí)，從而拓寬了城市地下管線規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理人員的視角，使管線的布置、維護(hù)和管理更加科學(xué)化。

2 研究目標(biāo)

《濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)》是一個(gè)基礎(chǔ)性管理類的研究課題，主要實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo):

(1)濱海高新區(qū)管線相關(guān)規(guī)定和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定

制定濱海高新區(qū)市政管線工程申請(qǐng)審批相關(guān)規(guī)定和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以保證濱海高新區(qū)地下管網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)進(jìn)統(tǒng)出。

(2)建設(shè)管線數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)管線的動(dòng)態(tài)管理、跟蹤探測(cè)、實(shí)時(shí)更新

搜集整理濱海高新區(qū)各種地理信息資源數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，委托專業(yè)的管線測(cè)量隊(duì)伍隨時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)管線的動(dòng)態(tài)管理、跟蹤探測(cè)、實(shí)時(shí)更新。

(3)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便實(shí)用的三維管線規(guī)劃管理系統(tǒng)

建立了二三維結(jié)合的濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三維可視化，并結(jié)合天津市市政工程規(guī)劃管理流程將市政管線路由行政審批思路融入系統(tǒng)。

(4)建立企業(yè)工程竣工驗(yàn)收信用評(píng)價(jià)機(jī)制

在市政管線工程規(guī)劃管理過(guò)程中，引入企業(yè)工程竣工驗(yàn)收信用評(píng)價(jià)機(jī)制，督促企業(yè)在完成市政管線工程之后，盡快辦理竣工驗(yàn)收手續(xù)。

3 總體架構(gòu)

濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)設(shè)施為支撐、以濱海高新區(qū)地理信息數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS技術(shù)、三維技術(shù)、軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)等結(jié)合，采用超前開(kāi)發(fā)和滯后開(kāi)發(fā)相結(jié)合的策略進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)。其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

總體框架設(shè)計(jì)的核心是把濱海高新區(qū)的空間信息資源(管線、地形、影像、規(guī)劃、三維)建立在統(tǒng)一的地理空間架構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)海量存儲(chǔ)、高效管理與持續(xù)更新;將傳統(tǒng)管線功能與天津市市政工程規(guī)劃管理流程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使本系統(tǒng)同時(shí)具有管線規(guī)劃管理、審批流程管理、工程檔案管理的功能。

基礎(chǔ)設(shè)施層:支持系統(tǒng)運(yùn)行的硬件與網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括中心服務(wù)器設(shè)備與局域網(wǎng)設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)服務(wù)層:濱海高新區(qū)的若干空間信息資源(包括管線、地形、影像、規(guī)劃、三維等數(shù)據(jù))、工程檔案數(shù)據(jù)等。使用Microsoft SQL Server和ArcSDE進(jìn)行管理，在單機(jī)版環(huán)境中使用Microsoft SQL Server和 Personal GeoDatabase管理。

核心框架層:選定美國(guó)ESRI公司的ArcGIS 9.3系列產(chǎn)品中的ArcEngine 9.3作為傳統(tǒng)GIS平臺(tái)軟件;選用天津市測(cè)繪院自主開(kāi)發(fā)的VRCity作為三維可視化平臺(tái)軟件。

應(yīng)用服務(wù)層:滿足市政管網(wǎng)規(guī)劃管理的需要建立的應(yīng)用系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)支撐體系:包括統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)、參考系統(tǒng)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、空間地理信息分類與代碼標(biāo)準(zhǔn)、空間地理產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)其他標(biāo)準(zhǔn)。保證數(shù)據(jù)在一致的標(biāo)準(zhǔn)下能夠?qū)崿F(xiàn)共享與交換應(yīng)用，各類應(yīng)用系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)依據(jù)統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范開(kāi)展工作。

安全保障體系:建立安全保障體系，通過(guò)安全保障技術(shù)與安全保密規(guī)定等的建立，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全、數(shù)據(jù)保密安全、數(shù)據(jù)交換安全。

4 系統(tǒng)功能

《濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)》的二維模塊和三維模塊是結(jié)合在一起的，可以互相切換，互聯(lián)互動(dòng)。主要界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主界面

4.1 基本功能

本系統(tǒng)基本功能包括:管線圖的瀏覽與顯示、圖層信息查詢、管線分層顯示及設(shè)置、管線量算功能、管線查詢檢索功能、管線的統(tǒng)計(jì)、標(biāo)注、打印、編輯等功能。

4.2 典型功能

(1)管線路由審批功能

管線路由審批功能可以供規(guī)劃處人員審批路由時(shí)，根據(jù)給出的管線條件，系統(tǒng)結(jié)合管網(wǎng)埋設(shè)的規(guī)范自動(dòng)計(jì)算出指定位置是否可以埋設(shè)管線，同時(shí)可以將審定的路由條件保存，與驗(yàn)線以后的實(shí)際管線進(jìn)行對(duì)比。

圖3 管線路由審批

(2)市政管線審批流程功能

辦件人員可以使用市政管線審批流程功能，將市政管線審批流程中每一階段產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)比;進(jìn)行路由審批;方案對(duì)比。如圖4所示。

圖4 市政管線審批流程

(3)三維功能

三維功能包括三維可視化，信息查詢，鏡頭參數(shù)調(diào)整，管網(wǎng)透視查看，管網(wǎng)切塊查看，管網(wǎng)挖方查看，沿路挖方查看。

圖5 管網(wǎng)切塊查看

圖6 管網(wǎng)透視

5 關(guān)鍵技術(shù)

(1)三維場(chǎng)景多線程調(diào)度技術(shù)

在調(diào)度場(chǎng)景時(shí)，根據(jù)視點(diǎn)的逐步變化，把將要落入到可視區(qū)域內(nèi)、同時(shí)內(nèi)存中暫時(shí)沒(méi)有的數(shù)據(jù)被讀入到內(nèi)存中，同時(shí)將暫時(shí)不用的數(shù)據(jù)所占用的內(nèi)存空間釋放掉。從而減小數(shù)據(jù)調(diào)度粒度，節(jié)省系統(tǒng)資源的耗費(fèi)。整個(gè)運(yùn)行時(shí)刻采用雙線程的運(yùn)行機(jī)制，主線程負(fù)責(zé)場(chǎng)景LOD的計(jì)算，活動(dòng)結(jié)點(diǎn)的可見(jiàn)性判定，并且將最終需要繪制的模型數(shù)據(jù)送至GPU去繪制。

(2)三維漫游過(guò)程中的實(shí)時(shí)處理

針對(duì)地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)在漫游過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制的這一特殊性，實(shí)時(shí)加速方法主要通過(guò)使用改進(jìn)的平行投影技術(shù)、空間跳躍重采樣、相鄰幀間的連貫性關(guān)系三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

使用光線投射技術(shù)，在沿視點(diǎn)投射出的光線上進(jìn)行重采樣時(shí)，使用改進(jìn)的空間跳躍(Space—Leaping)技術(shù)可以跳過(guò)這些空體素，以加快繪制速度。

基于相鄰幀的連貫性，采取兩步實(shí)時(shí)處理技術(shù);將當(dāng)前幀的處理分成兩步:近景和遠(yuǎn)景的處理。近景的處理利用改進(jìn)的兩階段光線投射技術(shù)，遠(yuǎn)景的處理利用改進(jìn)的加速對(duì)象投影處理遠(yuǎn)視點(diǎn)區(qū)域，并考慮了相鄰幀的連貫性，相鄰幀場(chǎng)景變化在一定范圍內(nèi)近視點(diǎn)場(chǎng)景重新計(jì)算，其余部分利用上一幀的結(jié)果進(jìn)行處理，然后再重新合成。

(3)大規(guī)模地形動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)

系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化方法，解決了在存儲(chǔ)、傳輸、和渲染等方面引起的一系列實(shí)際問(wèn)題，比如細(xì)節(jié)層次之間的過(guò)渡、遞進(jìn)傳輸和有選擇性簡(jiǎn)化等。實(shí)時(shí)優(yōu)化適應(yīng)性網(wǎng)格(ROAM)算法中，采用基于三角形二叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用分裂、合并兩個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列和基于視點(diǎn)的誤差定義公式來(lái)動(dòng)態(tài)更新三角形格網(wǎng)，開(kāi)發(fā)了幀間連貫性、視見(jiàn)體裁剪和三角形條帶繪制等技術(shù)來(lái)加速地形的顯示。

6 項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

(1)組件化架構(gòu)，二三維無(wú)縫結(jié)合

采用組件化架構(gòu)模式，二維管線功能采用ArcEngine組件開(kāi)發(fā)，封裝為組件。三維內(nèi)核為C++開(kāi)發(fā)的核心層負(fù)責(zé)三維繪制，消息處理等核心功能，外殼為．net開(kāi)發(fā)的應(yīng)用層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯。一方面應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率更高，結(jié)構(gòu)更合理，擴(kuò)展能力提高，另一方面二維功能組件和三維功能組件可以無(wú)縫結(jié)合，為用戶提供高效，低成本的三維地理信息系統(tǒng)升級(jí)方案。

(2)將市政管線路由行政審批思路融入系統(tǒng)

以往的管網(wǎng)系統(tǒng)主要側(cè)重于市政管線管理方面的功能，本系統(tǒng)除了包含傳統(tǒng)的管線管理功能以外，引入了行政審批流程功能，可以在系統(tǒng)中審批管線路由，提供管線的三維預(yù)覽功能，還可以進(jìn)行各階段管線現(xiàn)狀圖、施工圖、放線圖、方案圖、竣工驗(yàn)收附圖的比對(duì)。

(3)海量三維數(shù)據(jù)管理

該系統(tǒng)克服了以往管網(wǎng)系統(tǒng)中三維部分對(duì)海量三維數(shù)據(jù)處理能力弱的缺欠，可以同時(shí)管理十余萬(wàn)條三維管線模型及屬性數(shù)據(jù)，同時(shí)可以疊加大范圍的影像數(shù)據(jù)。

(4)企業(yè)工程竣工驗(yàn)收信用評(píng)價(jià)機(jī)制

在市政管線工程規(guī)劃管理過(guò)程中，引入竣工驗(yàn)收信用評(píng)價(jià)模型，建立企業(yè)工程竣工驗(yàn)收信用評(píng)價(jià)機(jī)制，督促企業(yè)在完成市政管線工程之后，盡快辦理竣工驗(yàn)收手續(xù)。

7 結(jié)語(yǔ)

濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)三維規(guī)劃管理系統(tǒng)采用Arc-GIS技術(shù)和可控開(kāi)發(fā)的VRCity三維平臺(tái)構(gòu)建了整個(gè)系統(tǒng)，具有很實(shí)用的功能和海量三維數(shù)據(jù)處理的能力，為濱海高新區(qū)規(guī)劃部門提供了管理地下綜合管網(wǎng)的現(xiàn)代化手段，也將為未來(lái)數(shù)字濱海高新區(qū)的建設(shè)打好基礎(chǔ)。

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