《濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統》的研究與實現

孟浩東 ，張煒，王冬，蔣許鋒

(1.天津市測繪院，天津 300381;2.天津濱海高新技術產業開發區規劃處，天津 300384)

1 引言

城市地下管網的綜合規劃和管理，正隨著地理信息系統產業的發展，越來越受到人們的重視。城市地下管線與人們的生活密切相關，它們的暢通運營是企業安全生產、社會穩定的重要保障。綜合考慮、統籌規劃、合理使用財力，實現城市地下管網的綜合管理已經成為必然。

濱海高新區是首批國家級高新技術產業開發區，被賦予帶動區域經濟結構調整和跨越發展的使命，被定為濱海新區的領航區。隨著濱海高新區的開發開放，地下逐步埋設了大量的管網設施。

天津濱海高新技術產業開發區規劃處是為天津市規劃局的派出機構，是此區域的城市規劃行政主管部門，在濱海科技園成立之日起，就開始了濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統的研發工作。在三維管線規劃系統中實現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上的感受，讓用戶對管線的建設具有感性認識，更使得決策者、規劃設計院和用戶對管線建設現狀和規劃設計藍圖有更為生動、客觀和理性的了解和認識，從而拓寬了城市地下管線規劃、設計和管理人員的視角，使管線的布置、維護和管理更加科學化。

2 研究目標

《濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統》是一個基礎性管理類的研究課題，主要實現了以下目標:

(1)濱海高新區管線相關規定和數據標準的制定

制定濱海高新區市政管線工程申請審批相關規定和數據標準，以保證濱海高新區地下管網的統一規劃、統一標準、統進統出。

(2)建設管線數據庫，實現管線的動態管理、跟蹤探測、實時更新

搜集整理濱海高新區各種地理信息資源數據，建立相應數據庫，委托專業的管線測量隊伍隨時測量，實現管線的動態管理、跟蹤探測、實時更新。

(3)開發簡便實用的三維管線規劃管理系統

建立了二三維結合的濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統，在該系統中實現三維可視化，并結合天津市市政工程規劃管理流程將市政管線路由行政審批思路融入系統。

(4)建立企業工程竣工驗收信用評價機制

在市政管線工程規劃管理過程中，引入企業工程竣工驗收信用評價機制，督促企業在完成市政管線工程之后，盡快辦理竣工驗收手續。

3 總體架構

濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統以網絡設施為支撐、以濱海高新區地理信息數據為數據基礎，利用數據庫技術、GIS技術、三維技術、軟件開發技術等結合，采用超前開發和滯后開發相結合的策略進行系統建設。其總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

總體框架設計的核心是把濱海高新區的空間信息資源(管線、地形、影像、規劃、三維)建立在統一的地理空間架構上，實現海量存儲、高效管理與持續更新;將傳統管線功能與天津市市政工程規劃管理流程有機地結合起來，使本系統同時具有管線規劃管理、審批流程管理、工程檔案管理的功能。

基礎設施層:支持系統運行的硬件與網絡設施，包括中心服務器設備與局域網設備等基礎設施。

數據服務層:濱海高新區的若干空間信息資源(包括管線、地形、影像、規劃、三維等數據)、工程檔案數據等。使用Microsoft SQL Server和ArcSDE進行管理，在單機版環境中使用Microsoft SQL Server和 Personal GeoDatabase管理。

核心框架層:選定美國ESRI公司的ArcGIS 9.3系列產品中的ArcEngine 9.3作為傳統GIS平臺軟件;選用天津市測繪院自主開發的VRCity作為三維可視化平臺軟件。

應用服務層:滿足市政管網規劃管理的需要建立的應用系統。

標準支撐體系:包括統一的術語標準、參考系統、元數據標準、空間地理信息分類與代碼標準、空間地理產品標準以及相關其他標準。保證數據在一致的標準下能夠實現共享與交換應用，各類應用系統和信息服務系統開發依據統一的技術規范開展工作。

安全保障體系:建立安全保障體系，通過安全保障技術與安全保密規定等的建立，可以保證系統運行安全、數據保密安全、數據交換安全。

4 系統功能

《濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統》的二維模塊和三維模塊是結合在一起的，可以互相切換，互聯互動。主要界面如圖2所示。

圖2 系統主界面

4.1 基本功能

本系統基本功能包括:管線圖的瀏覽與顯示、圖層信息查詢、管線分層顯示及設置、管線量算功能、管線查詢檢索功能、管線的統計、標注、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劃處人員審批路由時，根據給出的管線條件，系統結合管網埋設的規范自動計算出指定位置是否可以埋設管線，同時可以將審定的路由條件保存，與驗線以后的實際管線進行對比。

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生的各項數據錄入系統，進行對比;進行路由審批;方案對比。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，鏡頭參數調整，管網透視查看，管網切塊查看，管網挖方查看，沿路挖方查看。

圖5 管網切塊查看

圖6 管網透視

5 關鍵技術

(1)三維場景多線程調度技術

在調度場景時，根據視點的逐步變化，把將要落入到可視區域內、同時內存中暫時沒有的數據被讀入到內存中，同時將暫時不用的數據所占用的內存空間釋放掉。從而減小數據調度粒度，節省系統資源的耗費。整個運行時刻采用雙線程的運行機制，主線程負責場景LOD的計算，活動結點的可見性判定，并且將最終需要繪制的模型數據送至GPU去繪制。

(2)三維漫游過程中的實時處理

針對地下管網地理信息系統在漫游過程中實時繪制的這一特殊性，實時加速方法主要通過使用改進的平行投影技術、空間跳躍重采樣、相鄰幀間的連貫性關系三種方法來實現。

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

基于相鄰幀的連貫性，采取兩步實時處理技術;將當前幀的處理分成兩步:近景和遠景的處理。近景的處理利用改進的兩階段光線投射技術，遠景的處理利用改進的加速對象投影處理遠視點區域，并考慮了相鄰幀的連貫性，相鄰幀場景變化在一定范圍內近視點場景重新計算，其余部分利用上一幀的結果進行處理，然后再重新合成。

(3)大規模地形動態調度技術

系統采用動態簡化方法，解決了在存儲、傳輸、和渲染等方面引起的一系列實際問題，比如細節層次之間的過渡、遞進傳輸和有選擇性簡化等。實時優化適應性網格(ROAM)算法中，采用基于三角形二叉樹的數據結構，使用分裂、合并兩個優先級隊列和基于視點的誤差定義公式來動態更新三角形格網，開發了幀間連貫性、視見體裁剪和三角形條帶繪制等技術來加速地形的顯示。

6 項目的創新點

(1)組件化架構，二三維無縫結合

采用組件化架構模式，二維管線功能采用ArcEngine組件開發，封裝為組件。三維內核為C++開發的核心層負責三維繪制，消息處理等核心功能，外殼為．net開發的應用層負責實現應用相關的業務邏輯。一方面應用開發效率更高，結構更合理，擴展能力提高，另一方面二維功能組件和三維功能組件可以無縫結合，為用戶提供高效，低成本的三維地理信息系統升級方案。

(2)將市政管線路由行政審批思路融入系統

以往的管網系統主要側重于市政管線管理方面的功能，本系統除了包含傳統的管線管理功能以外，引入了行政審批流程功能，可以在系統中審批管線路由，提供管線的三維預覽功能，還可以進行各階段管線現狀圖、施工圖、放線圖、方案圖、竣工驗收附圖的比對。

(3)海量三維數據管理

該系統克服了以往管網系統中三維部分對海量三維數據處理能力弱的缺欠，可以同時管理十余萬條三維管線模型及屬性數據，同時可以疊加大范圍的影像數據。

(4)企業工程竣工驗收信用評價機制

在市政管線工程規劃管理過程中，引入竣工驗收信用評價模型，建立企業工程竣工驗收信用評價機制，督促企業在完成市政管線工程之后，盡快辦理竣工驗收手續。

7 結語

濱海高新區綜合管網三維規劃管理系統采用Arc-GIS技術和可控開發的VRCity三維平臺構建了整個系統，具有很實用的功能和海量三維數據處理的能力，為濱海高新區規劃部門提供了管理地下綜合管網的現代化手段，也將為未來數字濱海高新區的建設打好基礎。

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