城市地下管線三維應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張魯剛　王叢聰　劉軒朋

(1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南　250101；2.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京　101300)

?

城市地下管線三維應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張魯剛1王叢聰1劉軒朋2

(1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250101；2.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京101300)

介紹某城市地下管線三維應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用成熟的Skyline平臺(tái)，利用自主研發(fā)的自動(dòng)建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下管線信息的自動(dòng)化建模。該系統(tǒng)具有三維展示、查詢統(tǒng)計(jì)、開(kāi)挖分析、碰撞分析等功能，可為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理決策提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

管網(wǎng)自動(dòng)化建模規(guī)劃決策共享服務(wù)緩存技術(shù)

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，城市地下空間的規(guī)劃利用變得越來(lái)越重要，作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的地下管線也越來(lái)越龐大、密集，其種類也越來(lái)越復(fù)雜。為了充分了解地下管線的分布走向，摸清地下管線的現(xiàn)有狀況，某市城建檔案和地下管線管理處建設(shè)了一套完善規(guī)范的地下管線信息綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下管線動(dòng)態(tài)管理、監(jiān)控、監(jiān)測(cè)、安全預(yù)報(bào)預(yù)警，滿足政府部門(mén)、管線權(quán)屬單位和社會(huì)的在線應(yīng)用需求。其中的地下管線三維綜合應(yīng)用系統(tǒng)采用成熟的Skyline平臺(tái)，利用自主研發(fā)的管線自動(dòng)建模技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)地下管線信息的自動(dòng)化建模，并且實(shí)現(xiàn)了三維展示、查詢統(tǒng)計(jì)、開(kāi)挖分析、碰撞分析等功能，可為城市的規(guī)劃、建設(shè)與管理決策提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文主要針對(duì)地下管線三維綜合應(yīng)用系統(tǒng)搭建和整體架構(gòu)進(jìn)行研究和闡述。

1　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1共享服務(wù)技術(shù)

系統(tǒng)支持調(diào)取基于OGC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，支持WMS服務(wù)、WMTS服務(wù)和ArcGIS矢量的REST服務(wù)。WMS服務(wù)用于加載到windows應(yīng)用系統(tǒng)，WMTS服務(wù)用于加載WEB系統(tǒng)，ArcGIS的矢量REST服務(wù)用于加載到WEB系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)查詢分析。三維應(yīng)用子系統(tǒng)中的建筑物模型直接調(diào)取國(guó)土局發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源共享共用。

1.2管網(wǎng)自動(dòng)化建模技術(shù)

管線探測(cè)的結(jié)果或者竣工資料大多是二維矢量線數(shù)據(jù)，管線數(shù)據(jù)分圓形管件、方形管件；管點(diǎn)數(shù)據(jù)包括三通、彎頭、各類附屬物等，如何將這些資料信息在三維系統(tǒng)中進(jìn)行展示而不需要人工干預(yù)，成為三維展示的關(guān)鍵技術(shù)。

1.3海量數(shù)據(jù)的分級(jí)壓縮技術(shù)

采取金字塔數(shù)據(jù)分級(jí)壓縮存儲(chǔ)策略，通過(guò)對(duì)瀏覽層次的優(yōu)選，大大加快了三維數(shù)據(jù)的瀏覽速度。另一方面，平臺(tái)將三維模型數(shù)據(jù)壓縮，達(dá)到更快速的網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)瀏覽精細(xì)三維模型的真實(shí)場(chǎng)景。

1.4三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)加載技術(shù)

城市三維模型具有數(shù)據(jù)類型豐富、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)三維場(chǎng)景及模型數(shù)據(jù)分類建立空間索引，可提高場(chǎng)景及模型的瀏覽速度。在當(dāng)前瀏覽視口，根據(jù)瀏覽飛行的速度、高度等參數(shù)，由整體到局部、由近及遠(yuǎn)、由大到小地加載數(shù)據(jù)，在確保瀏覽速度的同時(shí)，保證用戶感興趣的信息不會(huì)丟失。

1.5三維數(shù)據(jù)的多級(jí)緩存技術(shù)

與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不同，三維GIS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)伴隨著海量的空間數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，其包含的數(shù)據(jù)類型有影像、矢量、模型、多媒體等。緩存技術(shù)的應(yīng)用能有效提高各種請(qǐng)求的處理效率。平臺(tái)中不但對(duì)二維矢量數(shù)據(jù)采用了緩存處理，對(duì)三維場(chǎng)景、三維模型也采用了緩存技術(shù)，有效地解決了大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題。

2　模型構(gòu)建技術(shù)路線

在綜合分析國(guó)內(nèi)外“數(shù)字城市”建設(shè)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，該項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中大膽使用了新技術(shù)、新方法，除了地下管線進(jìn)行三維展示之外，對(duì)于地上模型制定了如圖1所示的模型構(gòu)建技術(shù)路線。

圖4　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1　城市地下管線三維系統(tǒng)地上模型構(gòu)建技術(shù)路線

3　三維場(chǎng)景搭建

整個(gè)系統(tǒng)建模包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，紋理數(shù)據(jù)的獲取，模型的制作、檢查和成果提交(如圖2所示)。

圖2　建模流程

4　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)的建設(shè)遵循實(shí)用性、先進(jìn)性、高安全性、開(kāi)放性、完備性和可擴(kuò)展性等原則，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)上遵循國(guó)家信息化建設(shè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2總體架構(gòu)

圖3　系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)遵循四層架構(gòu)體系(如圖3所示)，包括底層支撐、數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層四個(gè)不同的層次，層次邏輯層又包括GIS服務(wù)層、系統(tǒng)功能層。三維平臺(tái)采用Skyline平臺(tái)。

4.3網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)分內(nèi)網(wǎng)和專網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

5　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

三維應(yīng)用子系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)相關(guān)數(shù)據(jù)的一體化管理，主要涉及的數(shù)據(jù)種類包括：管線數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在服務(wù)器端，用戶在客戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，其管理權(quán)限由共享服務(wù)子系統(tǒng)根據(jù)用戶統(tǒng)一分配(如圖5)。

圖5　C/S架構(gòu)

5.1三維瀏覽

三維瀏覽模塊包括漫游、滑行、環(huán)繞飛行、二三維聯(lián)動(dòng)、地下模式等功能，主要從地上、地下，全方位，多角度地觀察三維場(chǎng)景，二三維聯(lián)動(dòng)可以更好地實(shí)現(xiàn)二三維一體化的管理管線數(shù)據(jù)(如圖6、圖7所示)。

圖6　二三維聯(lián)動(dòng)效果

圖7　開(kāi)挖后地下管線效果

5.2三維查詢

三維查詢主要包括點(diǎn)擊查詢、綜合條件查詢和各類圖形查詢，可實(shí)現(xiàn)圖形、屬性互查，并能定位查詢到的某一條記錄，顯示其詳細(xì)屬性信息。點(diǎn)擊查詢中若點(diǎn)擊的物體為地上建筑物，則顯示該建筑物的城建檔案信息，包括圖片、視頻、文檔等資料，若點(diǎn)擊的物體為地下管線，則顯示該管線的詳細(xì)信息并定位到該管線(如圖8、圖9所示)。

圖8　城建檔案信息查詢

圖9　管線屬性查詢

5.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)包括對(duì)全庫(kù)或者區(qū)域范圍內(nèi)管線長(zhǎng)度、管點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及設(shè)置特定條件的統(tǒng)計(jì)，可以輸出表格，也可以輸出各類柱狀圖、餅狀圖等圖形，全面存儲(chǔ)展示數(shù)據(jù)。

5.4空間分析

空間分析包括碰撞分析、開(kāi)挖分析，其他空間分析有斷面分析、覆土分析、爆管分析、追蹤分析、緩沖分析、排水流向分析等專業(yè)分析，可以在三維場(chǎng)景中對(duì)地下管線進(jìn)行全方位的分析，直觀展示管線的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，更真實(shí)、直觀、可見(jiàn)。

5.5空間量算

空間量算主要包括長(zhǎng)度測(cè)量、面積測(cè)量，可以進(jìn)行水平距離、垂直距離、空間距離的測(cè)量，也可以對(duì)起伏的地形，垂直的建筑物面進(jìn)行面積、周長(zhǎng)等測(cè)量，測(cè)量結(jié)果直觀展示在三維場(chǎng)景中，用以輔助領(lǐng)導(dǎo)決策。

5.6規(guī)劃設(shè)計(jì)

規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊主要包括規(guī)劃設(shè)計(jì)文件的加載、智能排管、屬性標(biāo)注、快照導(dǎo)出等功能，可以將規(guī)劃設(shè)計(jì)好的管線數(shù)據(jù)，以三維方式展示在三維場(chǎng)景中，并對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃分析，分析其與周圍管線的關(guān)系是否符合規(guī)范，若不符合規(guī)范，可以手動(dòng)在場(chǎng)景中調(diào)整，直到合格后保存進(jìn)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為可行的規(guī)劃方案進(jìn)行上報(bào)備案。

5.7系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置是為系統(tǒng)服務(wù)的模塊，包括圖層字段配置、模型配置、主題配置、日志管理、幫助文檔等內(nèi)容，為用戶制定個(gè)性化的界面模式。用戶可以自己制作模型，加入到三維系統(tǒng)中展示，只需在模型配置中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可。

6　道路開(kāi)挖實(shí)現(xiàn)思路

以沿道路開(kāi)挖功能為例，本功能主要實(shí)現(xiàn)用戶繪制某條道路中心線后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算沿道路中心線拓寬特定寬度后，開(kāi)挖道路的情景。該功能的關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)思路如下：

圖10　三個(gè)點(diǎn)往右拓寬r寬度

圖11　右側(cè)道路拓寬r寬度后效果

根據(jù)已知的三個(gè)點(diǎn)和寬度，利用skyline提供的方法(GetAimingAngles)計(jì)算兩條線的角度值：

angleYaw1=SGWorld.CoordServices.Get Aiming Angles(p1，p);

angleYaw2=SGWorld.CoordServices.GetAimingAngles(p，p2);

然后根據(jù)余弦定理計(jì)算P點(diǎn)應(yīng)該拓寬的長(zhǎng)度和角度值：

Alpha=Math.Abs(angleYaw1.Yaw - angleYaw2.Yaw) / 2;

PP’=r / Math.Cos(Alpha * Math.PI / 180);

根據(jù)計(jì)算出的兩個(gè)夾角關(guān)系進(jìn)行判斷和計(jì)算：

if ((angleYaw1.Yaw - angleYaw2.Yaw) < 0)

{

p.Yaw=angleYaw2.Yaw-Alpha;

}

else

{

p.Yaw=angleYaw1.Yaw-Alpha;

}

最后，利用skyline提供的接口MoveCoordEx方法，將點(diǎn)移動(dòng)到相應(yīng)的位置上：

SGWorld.CoordServices.MoveCoordEx(ref shiftedVert[i]， 0， PP’， 0);

其中：IPosition61[] shiftedVert=newIPosition61[NumPoints]為點(diǎn)集合。

最后實(shí)現(xiàn)的效果如圖12所示。

圖12　繪制開(kāi)挖的道路中心線后開(kāi)挖效果

[1]楊志剛，王丹丹，馬運(yùn)成. 三維城市地下管線信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28(4):346-349

[2]朱慰明，馮竹平，曹桂海，等.淺談城市地下管線三維可視化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2012(15)

[3]蔣世峰，楊槐，喬志勇，等.三維地下空間管理系統(tǒng)建設(shè)及其應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2013(S2):1-4

[4]張磊.三維GIS在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2011(25)

[5]梁劍芳，許大璐，洪安龍.基于Skyline的三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)踐[J].數(shù)字國(guó)土，2009(3):49-50

[6]許有田，趙建軍，滕大強(qiáng)，等.西安市三維模型建設(shè)規(guī)范[R].西安：西安市勘察測(cè)繪院，西安市地理信息中心，2010

[7]北京東方道邇有限公司.“數(shù)字城市”建設(shè)技術(shù)方案[R].北京：東方道邇有限公司，2010

[8]北京東方道邇有限公司GIS事業(yè)部.基于Skyline的三維模型工程流程[R].北京：東方道邇有限公司GIS事業(yè)部，2010

[9]申海鵬，張義文，孫世凱.基于Skyline的三維地下管線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(4)：42-47

[10]胡曉明，孫東明，黃孝艷，等.基于skyline的三維GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——以重慶師范大學(xué)為例[J]. 現(xiàn)代城市，2012(2):15-18

[11]梁劍芳，許大璐，洪安龍.基于Skyline的三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)踐[J].浙江國(guó)土資源，2009(3):49-50

The 3D Application System Design And Implementation of Underground Pipeline In Zibo City

ZHANG Lugang1WANG Congcong1LIU Xuanpeng2

2016-05-24

張魯剛(1987—)，男，2010年畢業(yè)于山東師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，助理工程師。

1672-7479(2016)04-0020-04

P208； TU990.3

A