基于ArcEngine小區三維排水管網驗收系統設計與實現

王俊雷，趙啟龍，李會娟，王 娜

（1.中國地質大學 (武漢)信息工程學院，湖北武漢430074；2、中南財經政法大學，湖北武漢430073）

基于ArcEngine小區三維排水管網驗收系統設計與實現

王俊雷1，趙啟龍1，李會娟1，王 娜2

（1.中國地質大學 (武漢)信息工程學院，湖北武漢430074；2、中南財經政法大學，湖北武漢430073）

分析了小區地下排水管網的設計、建設、驗收的自動檢測系統的必要性，介紹了利用ArcEngine開發GIS軟件的優點，實現了小區地下排水管網的三維建模及其自動檢測系統，即小區三維排水管網的驗收系統；重點討論了地下排水管網的三維建模方法，解決了以往三維場景中的三維模型只能顯示、不能查詢編輯的問題。

ArcEngine；三維排水管網；三維建模

近幾年,多地報道由于小區排水管網設計不合理（如市政接口過高、管網溢水等）造成居民小區遭受暴雨時被淹，致使小區交通癱瘓，威脅居民人身財產安全。事后追究責任已不能挽回事故造成的損失，更不利于和諧社會的建設。在小區建設方面急需一套地下排水管網設計、建設、驗收自動檢測系統，而基于ArcEngine的三維GIS開發為我們提供了方便。

1 ArcEngine簡介

ArcEngine是ESRI公司推出的一組完備的、打包的嵌入式GIS組件庫和工具庫。用戶可以用來構建自己的GIS和制圖應用程序，并且這些對象平臺是獨立的，可以從不同的平臺來訪問。它的核心是 AO（ArcObjects）組件。基于ArcEngine我們可以根據客戶需求開發出具有特定分析功能的GIS應用軟件。

ArcEngine具有面向對象的特性，它支持類、對象、繼承等特性，同時它的類下面還定義了不同的接口，接口實現了對象的不同屬性和方法，這樣實現了靈活、快速地開發和功能擴展。本文以江蘇某小區的數據為基礎，基于.NET開發平臺，用C#開發語言，實現了三維排水管網驗收系統的開發。

2 系統設計

2.1 三維地下管網建模的需求分析

現代城市地下管網大多沿街道而設，在不同深度有不同的管線，由于缺乏必要的技術保證以及軟硬件條件的限制，在這些系統中，管線一般采用二維平面圖表示。這種表示有很多缺點，如：在二維平面圖上以不同顏色的直線表示這些管線就會顯得管線之間擁擠不堪，無法正確清晰表示；采用分圖層顯示不同種類的管線則又無法表現管線之間的空間位置關系，并且現在的大部分管線是上下起伏的，如果與地面垂直的一段管線（如下水井）在平面圖上就只能以一個點與相應的文字來表示，沒有任何直觀的視覺效果。現代城市建設中各類管網資源需要進行綜合有效的信息化存儲管理，傳統的二維表示方式不能滿足實際應用需求。由于管線用途的特殊性和復雜性，其布設遍及地下、空中、水下等，只有通過三維顯示才能夠真實反映其空間位置關系。因此通過建立三維管網仿真場景，真實反映在交錯復雜條件下管線之間的位置關系以及管線與周邊地物的位置關系，并提供必要的三維輔助分析及決策工具，已經成為各城市的建設規劃部門在城市信息化建設中的迫切需求。

2.2 系統數據庫的設計

數據庫是GIS各種應用系統的核心組成部分。本系統采用的是GeoDataBase數據庫的存儲方案。在GeoDataBase數據庫中圖層數據主要是以FeatureClass的形式存儲在 GeoDataBase數據庫中，而圖層的分類是依據其幾何關系分為 Point、Polyline、Polygon等類型的要素圖層。GeoDataBase的設計主要是針對標準關系數據庫技術的擴展，它擴展了傳統的點、線、面特征，為空間信息定義了一個統一的模型。

2.3 系統結構設計

系統的實現將從3個方面進行介紹，如圖1所示，系統由三維瀏覽模塊、三維查詢模塊、三維分析模塊組成。三維瀏覽模塊主要實現視圖的拉框放大、拉框縮小、居中放大、居中縮小、漫游、導航、全屏等；三維查詢模塊主要實現了空間屬性查詢、條件查詢；三維分析模塊主要實現排水管網三維建模、小區地下管網的驗收等。

圖1 系統結構圖

3 三維瀏覽模塊的功能設計

為了實現三維排水管網的驗收系統，在這模塊中主要實現了以下功能：

1）拉框放大：就是將鼠標拖出來的方塊區域放大到全屏。

2）拉框縮小：拉框縮小和拉框放大是對應的操作，它是把全屏區域縮小到鼠標拖出的方塊區域中。

3）居中放大：就是以當前視圖的中心點為縮放中心把視圖進行放大的操作。

4）居中縮小：居中縮小和居中放大是相對應操作，它的目的是以當前視圖中心點為縮放中心進行縮小。

5）全屏：就是把所有可見的地理要素顯示在視圖范圍內，并且視圖是恰好把所有的地理要素囊括進來。

6）漫游：改變觀測者位置（X，Y），Z值不變。

7）導航：改變觀測者位置的Z值。

4 三維查詢模塊的設計

查詢模塊包括空間查詢和條件查詢。空間查詢包括點擊查詢、拉框查詢、領域查詢等。在本系統中主要實現了點擊查詢,它是基于空間位置的查詢,所使用的接口主要是ItopologicalOperator、IspatialFilter。最后得到的結果在ListView控件中顯示其屬性信息，如圖2所示。條件查詢主要是使用IQueryFilter接口，通過設置查詢字段的條件來實現。查詢條件可以是簡單的SQL語句，也可以是較為復雜的組合SQL語句，通過查詢過濾器QueryFilter得到目標要素集合，并在圖層中高亮顯示，如圖3所示。主要實現代碼如下：

frmMain.axSceneControl1.Scene.SceneGraph.ActiveViewer.Camera.SetDefaultsMBB(pEnvelope);

pA c tiveView.PartialRefresh(esriView D rawPhase.esriViewGeoSelection,null,null);

圖2 空間查詢

圖3 條件查詢

5 三維分析模塊的設計

5.1 三維建模

ArcGIS軟件有自己的三維數據模型-Multipatch（多片）。Multipatch作為ArcGIS中一種新的要素專門用來描述三維實體的表面。它有 3種主要組成方式，分別為TriangleFan、Trianglestrip、Ring。其他三維格式必須轉化為Multipatch或者動態創建Multipatch，才能實現GIS功能，對于本研究內容我們采用動態創建Multipatch。

動態創建Multipatch有2種方式：①按照一定的規則輸入每一個頂點坐標創建Multipatch，該方法創建的Multipatch在創建的時候可以加上貼圖信息；②將平面圖形拉伸成的Multipatch，拉伸是將除平面圖形之外的第三維加于平面圖形上。這種拉伸可以沿一條線也可以沿一個三維向量進行，我們在小區三維地下管網進行建模時使用的是后者，即通過接口IConstructMultipatch實現 ConstructExtrudeAbsolute的方法。需要拉伸的平面二維圖為Polyline而管線的外環為多片，通過這些片的組合可形成圓管的三維模型，如圖4所示。

圖4 管道

三維管線的外環多片描述越多越精確，在直觀上也越接近真實管線，但模型的計算量也就越大，顯示速度則會降低，否則則相反。經過實驗表明，當管線的橫截面以300到450等分時顯示速度與圖像質量能達到一種較好的平衡。

利用以上分析方法對江蘇某小區地下管網及排水井數據進行建模，如圖5所示。

圖5 地下管道建模

5.2 驗收分析

小區管網通過市政接口與周圍道路下的城市排水系統相連接，倘若市政接口高程高于小區內部局部入水口的高程，在自流條件下，將造成入水口無法發揮排水功能，發生溢水情況，甚至使得局部倒灌淹水。

針對這種類型問題將分析方法設計為：以市政接口高程為基準，搜索排查所有排水井的高程，將所有高程過低的排水井篩選出來高亮顯示，并在界面右邊的ListView控件中把符合搜索條件的排水井ID及對應積水深度顯示出來進行提醒和警示，如圖6所示。結合小區DEM及房屋數據住宅小區三維地下管網分析系統整體結構，如圖7所示。

圖6 驗收分析

圖7 系統界面

6 結 語

本文討論了地下三維排水管網驗收系統的設計與實現，著重從瀏覽模塊、查詢模塊、分析模塊 3個方面進行說明。該模型的建立將在城市管理的科學化，防汛指揮決策的及時性方面發揮重要作用。此系統可作為政府部門對開發商所建小區地下排水管網的驗收系統，也可以作為開發商設計、建設地下排水管網的分析系統，具有實用價值。

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Design and Implementation of 3D Drainage Pipelines Network Acceptance System Based on ArcEngine

by WANG Junlei

This paper discussedthenecessity of the automatic detection system which was the design,the construction,and the acceptance of the underground drainage pipelines network in the community,introduced the advantages of GIS software which was developed using ArcEngine,and realized 3D modeling of the underground drainage pipelines networkinthe community and automatic detection systemwhichwas3D drainage pipelines network acceptance system.It focused on 3D modeling method of the underground drainage pipelines network,and solved the problem of the 3D scene of the 3D models which could only be showed,and couldn't be edited.

ArcEngine,3D drainage pipelines，3D modeling

2011-12-19

項目來源：國家自然科學基金資助項目 (40974002)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（CUG090110）。

P208

B

1672-4623(2012)02-0101-03

王俊雷，碩士，研究方向為測量數據處理理論及應用研究、GIS應用研究。