基于Skyline的機場三維地下管線信息系統開發

裴 旭，施 昆

（昆明理工大學，云南 昆明650000）

城市化的迅速發展對城市的交通提出更高的要求。機場建設是城市交通建設的重要組成部分。地下管線是機場重要的基礎設施，是機場運營、管理、賴以生存和發展的重要基礎。機場地下管線具有管線種類繁多、管理任務復雜、分析統計工作量大、確保資料歸檔數據安全等亟待解決的問題。基于此，三維可視化管理對于地下管線的管理顯得尤為必要。首先在三維環境中能夠形象、直觀表現二維平面中交叉在一起、無法區分平面位置相同而埋深不同的各種管線的空間形態；其次可以從不同的角度對管線進行分析和輸出平面布置圖，便于已埋管線的管理和新增管線的設計。鑒于地下管線信息管理具有資源的合理調配、安全管理、提高利用率，并實時地對地下管網更新、查詢的優點，本文運用CJHJ開發語言在Micr osoft．NET平臺上基于Skyline進行機場三維地下管線信息系統的二次開發。

1 基于skyline的系統開發方法

1．1 skyline開發工具應用分析

Skyline軟件是利用航空影像、衛星數據、數字高程模型和其他的2D或者3D信息源，包括GIS數據集層等創建的一個交互式環境 它允許用戶快速融合數據、更新數據庫，并且有效地支持大型數據庫和實時信息流通訊技術，還能快速和實時地向用戶展現3D地理空間影像。

Skyline軟件家族系列產品為網絡和非網絡環境提供了一個三維交互的窗口，用戶可以在本地或者網絡環境下進行基本數據生成、數據傳輸、數據可視化和數據分析等，產品分3個模塊（Skyline－Globe產品系列技術白皮書），分別為Terra Explorer，TerraBuilder，Terra Gate。TerraExplorer是 基于互聯網和本地環境的多元地形模型瀏覽、分析、編輯和發布工具；TerraBuilder使用航空／衛星影像和高程數據創建三維地形模型；Terra Gate是一種強大的網絡數據服務器技術，用流方式來傳輸和管理三維數據的高效可升級的網絡服務器。

Skyline提供了三維管線生成的接口［3］。地下管網數據主要包括兩部分，即管線矢量數據和管點矢量數據。目前管線數據在三維中的顯示主要是圓柱體對象，即Cylinder對象，包括管線的屬性數據、管線種類、起點X，Y坐標、起點埋深、終點X，Y坐標和終點埋深，根據接口Creat Cylinder方法，創建三維管線數據。管點數據主要是模型數據，即Model對象。包括井X坐標、井Y坐標、井底深和旋轉角，在skyline軟件中根據接口Create Model方法，創建三維管點數據。

1．2 地下管線信息系統建設流程

地下管線信息系統的開發是由數據體系建設、三維基礎平臺建設、三維應用系統建設3部分組成。

前期準備的數據有基礎地形圖、遙感影像數據、數字高程模型、地下管線探測數據以及用于三維建模的基礎場景、建筑模型和管網模型。將正射影像文件和DEM數據導入到TerraBuilder模塊中制作成Skyline數據［4］，并轉換為．mpt格式場景文件，這部分數據要和管線數據能夠在空間范圍上匹配，并通過Terra Gate發布，在Terra Expl orer Pr o中，進行二、三維模型的建立。管點管線數據通過程序自動生成和裝配，并存儲于工程文件（．fl y）中，按特定目錄結構存放在客戶端程序目錄下，在工程文件中會引用到相應本地目錄下，用Skyline工程文件（．fl y＋xpl2）實現地表模型數據制作，包含建筑、道路、綠化帶、行道樹、路燈、信號燈、地面模型等。Skyline無法支持復雜模型的動態建模，管點是較為復雜的模型，因此管點生成預先在3DMax軟件中制作模型［5－6］，通過軟件縮放、旋轉到三維空間中的位置，用Terra Explorer Pr o模塊創建應用程序，并將三維模型加載到程序中。

三維基礎平臺建設是指構建平臺運行所必須的基礎軟件、硬件和網絡運行環境。Skyline提供應用接口進行管線管理所需功能開發和后臺信息數據庫開發。本文系統采用PostgreSQL數據庫，選用基于SOA構架的Microsoft．NET 4平臺，接口服務采用Web Services技術。

三維應用系統建設即機場地下管線三維地理信息系統應用功能開發，通過平臺強大的三維空間信息支撐，實現系統直觀的地理信息三維展示和專業的空間分析。

2 系統設計

2．1 系統總體框架設計

系統建設自下而上可以劃分為4個層次，即基礎層、數據層、服務層和應用層。基礎層是系統運行需要的基礎支撐環境，包括基礎軟件環境、基礎硬件環境和網絡環境。數據層為整個平臺的運轉提供數據支撐，涵蓋基礎地形數據、三維地理信息數據庫、管線專題應用數據庫和平臺業務數據的數據體系，以及在此基礎上形成的數據處理、集成、組織、管理、維護和更新的機制。服務層是三維基礎平臺，包括三維基礎軟件、三維基礎地理信息應用數據請求服務接口和應用集成，為整個平臺的運轉提供服務支撐。應用層即通過三維基礎平臺構建的應用系統，依靠基礎平臺的空間信息服務，開發面向機場管線信息管理、現狀成果三維展示、管線搶修應用等功能的應用系統。

2．2 系統功能結構設計

機場三維地下管線信息系統實現對機場的地下管線可視化管理，方便管理人員對管線的空間位置直觀掌握，輔助應對突發事件或建設規劃的決策［7－9］。因此，系統功能設計既要考慮用戶使用方便又要滿足用戶的日常業務管理需求。系統功能設計結構如圖1所示。

1）基礎數據管理模塊。基礎數據管理模塊主要實現同外部系統的數據進行交換，提供輸入輸出接口。其可根據當前的視野位置和范圍，即時發送到繪圖儀或打印機，打印輸出地圖或即時導出圖片文件；對于符合入庫要求的地下三維管線探測數據成果，自動讀取數據，三維管線自動建模，整庫三維模型自動更新；對圖形數據和屬性數據全部或者指定范圍的備份；按照數據圖層和數據種類進行整片區數據更新；按照元數據標準，建立相應的元數據表。

圖1 系統功能結構設計

2）三維場景瀏覽模塊。功能有三維場景顯示，即裝載和顯示機場片區三維地表建筑和三維管線模型；三維瀏覽場景控制，包括視野前后左右控制、縮放控制、旋轉控制、飛行模擬（環繞、線性、弧線3種方式）。

3）三維交互模塊。主要有三維查詢、三維量測和三維定位功能。選擇空間管線對象查詢其相關信息，包括管線編號、長度、管頂及管底坐標、管線類型、管徑、權屬信息等；實時量測并計算管線水平凈距和垂直凈距，測量管線埋深等位置關系和長度信息；根據管線的屬性信息、地名進行定位。

4）三維分析模塊。分析模塊的功能包括三維分析、數據統計、三維實時開挖。根據地表指定位置上的剖面線，顯示相應橫縱管線剖面，自動跟蹤和動態顯示管線的延伸方向。實時統計整個片區或指定范圍內的管線類型、長度、權屬等分類統計數據，并將數據以電子表格文檔輸出或者直接打印輸出。三維實時開挖是根據地表指定的開挖范圍，顯示撥開地表后當地的管線現狀。

2．3 系統數據平臺設計

采用數據集中統一管理思想、數據統一分類編碼原則，數據庫系統軟件選用PostgreSQL數據庫。數據系統的體系結構如圖2所示。入庫的管線數據為標準的Access格式數據。數據更新時，整個機場片區所有的數據都包含在一個文件數據庫中，一次性導入系統。二維管線數據入庫后，根據算法自動生成三維模型。

3 系統實現

3．1 系統的功能設計實現

根據以上系統開發方法和系統設計，實現設計功能，如圖3所示。

圖2 數據系統結構體系

3．2 系統的關鍵技術實現

3．2．1 三維數據獲取技術

人們越來越關注三維模型數據的準確性、逼真性和有用性。獲取三維數據在追求模型逼真和準確的時候，帶來數據生產的高投入。本系統三維數據獲取采用先進的ALS50－II機載激光雷達系統、RCD105數碼系統同步獲取三維數據和建筑物正面影像、4個側面的紋理，解決大型三維GIS系統建設的生產效率、質量控制、數據安全和有效存儲與管理等問題。

3．2．2 空間數據的多時態管理技術

技術主要是實現空間歷史數據的管理。實際應用中不但需要瀏覽現勢數據，也要回放過去某一時刻某一地理區域當時的情況。這就需要考慮數據的時間序列問題。在數據庫設計中以實體為單位建立時間索引，數據的變更以實體的變化為事件觸發。數據庫將實體的變化全部存儲起來，用戶可以在時間軸上的時間段過濾空間數據，做到任意時間數據快速回放。

圖3 系統部分界面

3．2．3 海量三維數據管理及調用

逼真的三維表示不僅具有多種細節層次的幾何表達，還要有表面描述，如逼真的紋理以及其他相關的屬性信息。本系統優化設計了現有各種數據庫管理系統，在保留現有的對象關系型數據庫管理系統（ORDBMS）優點的同時，采用面向對象數據庫設計的某些原理，具有將結構性的數據組織成特定數據類型的機制，這時數據庫不僅能夠處理三維數據的復雜關系，也能在邏輯上以整體對待的數據組織成一個對象。

3．2．4 三維地下管線自動生成技術

正如在本文2．1部分提到，Skyline提供了三維管線生成的接口。在管線場景生成時，讀取每個管點的坐標、埋深、管段的管徑等信息，自動生成管線三維模型，再對管網接頭、變徑進行二次自動模型化處理和裝配，根據材質和管段類型裝配材質和顏色，生成與現實情況接近的三維管線模型，最后將管線的各種屬性信息與模型建立關聯。管點數據生成較復雜，對于三通、四通，通過相連的管線圓柱自然形成。對于變徑管線點，通過圓錐來模擬生成［9］。在3DMax軟件中事先制作成Skyline的xp12格式管點模型，再將模型進行適當的縮放和旋轉變換，放置在場景中適當位置。

4 結束語

本文介紹采用Skyline開發機場三維地下管線信息系統的基本過程和方法。采用三維建模和三維可視化開發等手段，建設地下管線管理系統，界面美觀友好，功能使用方便，而且還具有量測管線水平凈距和垂直凈距、地名定位、顯示橫縱管線剖面、統計數據和實時開挖等特色功能。該系統將管線資料整理歸檔，使管線標準統一，便于機場的內部管理及相關部門信息共享。目前，本系統在昆明長水國際機場建設過程中成功應用，效果良好，能夠達到昆明新機場管線管理工作規范化、系統化和信息化的要求，對相關機場GIS管線系統的設計與開發具有參考價值。

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