三維在線市政管線管理審批系統開發

危 威，周京春，朱蘭艷

（1．昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明650093；2．武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；3．昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南 昆明650041）

城市地下管線承擔著整個城市的能源供給、信息傳輸、污水和廢水排放等工作，對城市的生存和發展提供基礎保障，是城市的“生命線”。在地下管線管理和審批工作中存在著管線種類繁多、管理任務復雜、分析統計工作量大、報批精度低、效率差等問題，并且各大城市的管線系統多為二維系統，難以直觀地描述和表達各管線之間、管線與周邊地物之間的空間位置關系。基于這種情況，建立一個能輔助管線工程設計規劃、報建審批、批后管理的三維在線市政管線審批系統十分必要。

對于管線管理信息系統來講，目前國內外普遍采用GIS技術、仿真技術，通過建立數學模型進行管線的模擬現實和分析處理，國內外也有3DGIS的軟件產品，例如Skyline，Virtual Earth，Arc Globe，EV－Globe，Geo Globe，VRMap，An Geo，World Wind等，各軟件有其自身的優點和局限性。此外三維管線建模具有數據量大、精細化表達困難、計算復雜等特點。綜合以上難點，本文結合昆明市管線工程輔助規劃審批系統的建設實踐，把多種創新、先進、成熟、適用的關鍵技術集成在系統中，建立一個通用的三維在線市政管線管理審批系統，以提高市政管線規劃管理的現代化水平。

1 系統設計

1．1 系統運行環境設計

根據昆明市市政管線的電子報批工作以及管線管理的需要，本系統建立基于 Web，具有查詢定位、三維測量、數據統計、輔助交通與管線工程的規劃審批功能（報件案卷版本管理、審批意見紅線批注、輔助審批的分析功能等）以及輔助交通與管線工程批后管理功能（竣工的現狀工程與規劃條件的比較分析、報表圖件輸出傳遞等）的平臺。本系統軟件主要選用 Windows Server 2003／2008操作系統、Oracle 11g數據庫服務器、ESRIArc SDE 10．1空間數據庫引擎以及An Geo UNISCOPE三維系統模型平臺，并將Arc GIS Ser ver 10．1、IIS作為 Web服務器，同時應用管網三維精細化建模技術、海量三維模型數據可視化技術和SOA等技術進行研發，實現輔助地下管線工程規劃審批與管理的高效的工作流程和工作環境。

1．2 系統總體技術架構

系統在技術上堅持數據、管理、服務與應用相分離的架構原則，是一個基于網絡的三維地理信息應用系統。系統在技術架構的設計上分為4層結構，如圖1所示。

圖1 系統總體技術架構

1）數據層：為系統提供基本的數據服務，數據來源于不同系統的數據服務器，包含元數據、基本地形圖數據、DEM、DOM、地下管線空間數據、道路紅線數據、規劃管理所必需的各種數據、3D地面地物和管線設施模型數據、多媒體數據等。

2）業務邏輯層：它處于數據層與應用服務層之間，起到數據交換中承上啟下的作用，采用COM，Web Ser vices等技術完成各種業務功能封裝。

3）應用服務層：此層部署Internet Infor mation Ser vices，簡稱IIS，是一個 Worl d Wide Web服務器，此層的主要作用是將業務邏輯層建立的各種業務組件、數據、Web Services、圖文報表等發布為網頁，供表示層展現給用戶。

4）應用表示層：為最終用戶，包括各管線權屬單位、規劃局、建設局、數字城市中其他各類使用者，提供數據和信息的正確語法表示變換方法，采用Silver light技術、AJAX技術提供優秀的用戶體驗，通過Web瀏覽器以二、三維聯動的展現方式來訪問各種數據，進行查詢、統計、分析等工作。

1．3 系統功能設計

本文設計實現了二、三維連動功能模塊、查詢定位功能模塊、數據統計功能模塊、輔助規劃功能模塊和輔助批后管理功能模塊等，來實現管線的科學管理與分析，具體如圖2所示。

圖2 功能模塊設計

2 系統實現的關鍵技術

2．1 管網三維精細化建模技術

本系統中地面模型建模是基于地圖、圖像、點云，采用3D Max軟件綜合建模；管線3 D模型與地面地物模型相比，有一個重要的不同點就是管件具有幾何規則性、規格多樣性的特點，無法建立標準的靜態模型庫進行匹配，所以管線模型建模，根據管網的施工特性，按照管件的形狀規則性、位置特征、尺寸結構和拓撲連接關系，形成由屬性數據驅動的四類3D模型構建技術和對應的管網實體模型，分別為抽象化的不規則形體的管點實體模型、尺寸結構屬性驅動的管點實體模型、拓撲連接關系驅動的管點實體模型和管段實體模型。創新應用結合布爾并集運算的掃描＋網格（Sweep＋Mesh）造型法，即將一條管線看作是整張連續的曲面，而不必對管線表面做拼接處理。生成管線模型時僅需判斷連接處的管線數量，區分彎管、三通以上的連接件，而不受連接管徑、角度等條件限制，可滿足任意連接角度、管線數量、管徑大小的情況，簡化模型的復雜程度，保證模型的通用性和準確性，實現從二維管線探測數據自動化生成地下管線精細的三維實體模型，造型能力可擴展性強，計算量小，運算速度快，支持管件規格多樣性的實際應用需求。圖3展示管網精細化三維建模的過程。

圖3 管網精細化三維建模過程

2．2 海量三維模型數據可視化技術

實時遮擋裁剪算法的數據裁剪技術：該技術在圖形流水線的早期就去掉不可見多邊形，以避免對場景中不可見部分不必要的處理。其核心思想是：首先利用若干遮擋物（根據視點移動的先驗知識進行選擇，比如沿街道漫游就可以將臨近街邊的建筑作為遮擋物）進行簡單的可見性測試，以識別場景的某些區域（空間凸殼范圍，也即層次的包圍盒）是否被全部或部分遮擋，然后進行所有瞬間視點附近的大型遮擋物識別預處理，最后又反復進行一種層次結構的可見性測試，以保證盡量少的離視點近的動態遮擋目標數組被處理，如圖4所示，該方法使用一種KD樹來組織多邊形數據，充分利用空間的連貫性，同時緩存跨視點的遮擋關系和大型遮擋物，又充分利用視點移動過程中的時間連續性，因此對城市三維景觀的實時處理具有較高的效率。

圖4 透視顯示之數據裁剪

基于四叉樹結構的多分辨率LOD技術：采用視相關的LOD簡化方法依據視點的位置和方向合理地選擇多分辨率的地圖表示，視點周圍的地形用高細節的層次表示，遠離視點的區域用較粗糙的細節表示。提高繪制率可以通過對四叉樹的分割來實現，即將地形分割成一個個大小不同的地塊，近視點分割的大些，遠視點分割的小些。渲染這些大小不同的正方形地塊，從而達到LOD不同細節層級渲染的目的，有效簡化、控制場景的數據復雜度。采用這種方法時要將原始的地圖數據進行處理，經過原始柵格數據—中間成果—包成果數據3個階段，其中在原始數據生成中間數據的過程中需要設置投影參數和處理級別，進行重采樣和建立金字塔；然后，再對中間數據進行修改，主要是勾選，設置背景數據進行融合；最后，再將修改后的中間數據，通過打包生成系統加載的報數據格式，具體處理流程如圖5所示。

圖5 四叉樹結構的LOD技術處理流程

數據動態加載技術：采用基于數據分層、分塊以及數據頁動態更新的算法，實現多層次、大范圍的城市場景實時描繪，同時為消減“延遲”，利用多線程運行機制充分利用計算機的CPU資源，即在橫向漫游以及縱向細節層次過渡的過程中，根據視點移動的方向趨勢，預先把即將更新的數據從硬盤中讀入內存，而其后實際的數據更新則是在內存里實現，如圖6所示。

2．3 其它關鍵技術

本系統集成了Active X、漸進傳輸、高效數據組織與壓縮、下載平衡、多級緩存等基于網絡速率的三維數據傳輸技術，以解決大量幾何數據經網絡傳輸到客戶端過程中網絡寬帶的瓶頸。此外，本系統采用基于云計算、瓦片金字塔、空間數據庫等技術的真三維數據的快速編譯、更新、存儲與管理技術，解決傳統三維數據編譯中的影響以及三維模型數據等的編譯發布時間長的問題。最后，系統在SOA架構、微軟Sil verlight技術的基礎上實現Web GIS和3D GIS的有機整合。

圖6 基于分塊數據的動態數據頁的建立

3 研究效果

輔助規劃功能模塊和輔助批后管理功能模塊是本系統的核心，主要包括報件案卷版本管理、審批意見紅線批注、管線垂直凈距分析、管線水平凈距分析、縱斷面分析、橫斷面分析、爆管分析、追蹤分析、連通分析、緩沖區分析、碰撞分析、流向分析、批后管理圖件生成、批后結果報表輸出等。

3．1 碰撞分析

碰撞分析主要檢查管段與周圍的管線是否發生沖突，例如GB50242第4．2．5條規定給水管與排水管的水平間距不得小于1 m，室內給水管與排水管平行敷設時凈距不得小于0．5 m，交叉敷設時，垂直凈距不得小于0．15 m。此功能用于分析指定的管線與這些管線在垂直方向上和水平方向上與周圍其他管段最小距離是否滿足水平凈距標準及垂直凈距標準。其效果如圖7所示。

圖7 碰撞分析

3．2 縱、橫斷面分析

在場景中繪制線段，生成該線段對應范圍的縱、橫斷面圖，為管線規劃設計、審批提供依據。其效果如圖8、圖9所示。

圖8 縱斷面分析

圖9 橫斷面分析

3．3 沿面開挖分析

沿面開挖功能就是在指定范圍已知深度向下開挖，可以直觀看到施工區下面的管線情況，并計算土方量，以輔助決策規劃，指導施工。其效果如圖10所示。

圖10 挖方分析

4 結束語

隨著全國各地對管線工程的日益重視，隨著各個地區電子報批系統的積極建設，運用三維GIS技術實現管線的在線分析管理及規劃審批成為一個趨勢。本文介紹了三維在線市政管線管理審批系統的建設思路，并主要論述系統中管網三維精細化建模、海量三維模型數據可視化等關鍵技術，實踐證明采用此技術的三維在線市政管線審批系統完成了數據與軟件的一體化，改變傳統的GIS應用方法和建設模式，提升系統三維可視化的性能，為管線工程的施工建設，更好地利用地下空間資源，為城市環境整治提供直觀、可靠的決策基礎。

［1］ 朱衛東．市政工程規劃電子報批的研究與開發［D］．南昌：江西理工大學，2008．

［2］ HE J，ZOU Y，MA Y，et al．Assistant Design System of Ur ban Underground Pipeline Based on 3D Virtual City［J］．Procedia Envir on mental Sciences，2011，11：1352－1358．

［3］ 李清泉，嚴勇，楊必勝，等．地下管線的三維可視化研究［J］．武 漢大學學報：信息 科學版，2003，28（3）：278－282．

［4］ 畢天平，周京春．昆明三維地下管線系統應用與研究［J］．測繪通報，2004（2）：93－96．

［5］ 陳興華，石金鋒，叢日盛．基于 Web GIS的城市地下管線信息系統的建立［J］．海洋測繪，2008（1）：34－37，41．

［6］ 王長虹，陳加核，朱合華，等．三維環境下的地下管線實時設計［J］．同濟大學學報：自然科學版，2008，36（10）：1332－1336．

［7］ 裴旭，施昆．基于Skyline的機場三維地下管線信息系統開發［J］．測繪工程，2015，24（2）：60－64．

［8］ 周方曉，李昌華，趙亮．Sweep造型法在管線三維可視化中 的 應用［J］．Computer Engineering and Applications，2011，47（7）：162－165．

［9］ 畢天平，孫立雙，錢施光．城市地下管網三維整體自動建模方法［J］．地下空間與工程學報，2013（1）：1473－1476，1482．

［10］蔣文杰．基于 Arc GIS的管網信息三維可視化研究［D］．北京：中國地質大學，2010．

［11］徐愛鋒，徐俊，龔健雅．基于Skyline的三維管線系統的設計與實現［J］．測繪通報，2013（6）：75－77．

［12］程偉，王波，石劍龍，等．海量圖像數據快速顯示方法及實現［J］．地理與地理信息科學，2011，27（1）：109－110．

［13］MENDEZ E，SCHALL G，HAVEMANN S，et al．Generating semantic 3D models of underground infrastructure［J］．Co mputer Graphics and Applications，IEEE，2008，28（3）：48－57．

［14］曹偉超，譚理，文學虎，等．四川省測繪地理信息行業監管系統架構設計［J］．測繪工程，2013，22（5）：54－57．