Cesium三維場景支撐下的南水北調(diào)地下管線應(yīng)用

孟曉宇 張 恒（河南省水利勘測有限公司）

0 引言

南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程是總干渠沿線分水口門到各城市水廠之間的輸水工程，擔(dān)負(fù)著承上啟下的輸水任務(wù)，其安全運(yùn)行與管理是城市供水的直接保障。因此，配套工程地下管線信息的即時(shí)獲取和科學(xué)高效的管理受到社會持續(xù)關(guān)注。配套工程地下管線信息化是充分利用地理信息技術(shù)，采集、管理、更新、維護(hù)地下管線數(shù)據(jù)，開發(fā)利用地下管線信息資源，促進(jìn)地下管線信息交流與資源共享，并推動地下管線信息在城市運(yùn)維中發(fā)揮重要作用的過程，它是推動城市現(xiàn)代化建設(shè)與管理的重要技術(shù)手段之一。

論文利用濮陽段配套管線數(shù)據(jù)批量生成三維模型，并通過二次開發(fā)及算法來實(shí)現(xiàn)在WEB平臺上的三維可視化應(yīng)用。

1 概況與前期準(zhǔn)備

濮陽市南水北調(diào)配套工程輸水線路全長約41 km，年分配水量1.19 億m3。濮陽35 號三里屯分水口共計(jì)3 條輸水線路，分別向濮陽市區(qū)、清豐縣的2 座水廠及濮南引黃調(diào)節(jié)池供水。該輸水線路上分有1 條主管線和2 條支線，且存在著不同種類的閥井閥件，因其管線埋于地下，有的管線段還涉及穿越，管徑大小、坡度均有差別。那么對于建設(shè)單位而言，想要精確的掌握空間分布，了解某區(qū)域內(nèi)的具體要素信息并非易事。

當(dāng)然，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，融合二三維一體化的GIS平臺，將已經(jīng)完成的竣工數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)文件以及實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的整理，提取有效信息，通過4VQFS. BQ等平臺進(jìn)一步的處理，制作并疊加覆蓋全區(qū)域的管點(diǎn)要素、線要素、閥井要素等專題圖層，繪制配套工程“一張圖”，可以為二三維一體化的GIS平臺提供充足的數(shù)據(jù)支持。

2 數(shù)據(jù)處理

圖1 處理流程圖

最終，將包含空間信息的點(diǎn)要素、線要素的專題圖層以及地形圖層等三維場景打包生成s3m 的緩存數(shù)據(jù)，登錄服務(wù)端iServer 將其發(fā)布成三維服務(wù)，數(shù)據(jù)集名稱為Result，三維數(shù)據(jù)類型為OSGB。同時(shí)將緩沖區(qū)面等發(fā)布成數(shù)據(jù)服務(wù)，以便在Web應(yīng)用中調(diào)用。

3 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1 二維地圖平臺實(shí)現(xiàn)

目前二維地圖制圖的相關(guān)功能較為成熟，主流商業(yè)軟件均能較好實(shí)現(xiàn)，對數(shù)據(jù)并無特殊要求。在ArcGIS 桌面軟件制作地圖的流程為:根據(jù)規(guī)程要求定制相應(yīng)二維符號庫，將管網(wǎng)、點(diǎn)數(shù)據(jù)添加到地圖中，對不同圖層生成相應(yīng)專題圖并發(fā)布服務(wù)疊加到二三維一體化GIS平臺中。為了保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，本文統(tǒng)一將圖層坐標(biāo)系設(shè)置為WGS84坐標(biāo)系。

3.2 三維場景可視化

FTJVN 是基于+BWB4DSJQU編寫的使用WebGL的地圖引擎，在B/S 框架下可以支持絕大多數(shù)的瀏覽器展示3D 效果，基于 FTJVN 并配合已有的API二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在三維場景下動態(tài)地理空間數(shù)據(jù)的可視化［10］，實(shí)現(xiàn)沿管線走向的模擬開挖，關(guān)鍵構(gòu)件的數(shù)據(jù)提取等應(yīng)用。首先在B 端創(chuàng)建標(biāo)簽元素用來作為三維地球的容器，初始化 FTJVN7 JFXFS實(shí)例，通過關(guān)鍵代碼疊加不同的圖層服務(wù)。

上述公式中：sLi（），dLi（）僅代表實(shí)現(xiàn)方法的函數(shù)，v 代表初始化視圖WJFX，①式表示加載的三維切片服務(wù)，sui代表多個(gè)url 服務(wù)的數(shù)組，另外一個(gè)參數(shù)代表命名服務(wù)名稱的鍵值對。②式代表通過url 形式的服務(wù)加載地形，③式則表示直接調(diào)用在平臺上發(fā)布的接口并返回json格式的數(shù)據(jù)服務(wù)。

疊加完圖層服務(wù)之后，開始創(chuàng)建相機(jī)視角，將三維場景飛行到濮陽配套工程管線區(qū)域上，同時(shí)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾分量后定位該區(qū)域，因三維管線采用絕對高度，處于地形之下，將地形隱藏之后，即可直觀的看到三維地下管線的展示效果，如圖2所示：

而要想實(shí)現(xiàn)對地下管線的走向或查詢要素，要對地形進(jìn)行模擬開挖，利用數(shù)據(jù)處理結(jié)果中的緩沖區(qū)面來對管線上部的帶狀地形沿線開挖，具體算法如下所示：

上述獲取數(shù)據(jù)接口的函數(shù)中得到緩沖區(qū)坐標(biāo)點(diǎn)串，記為QPJOU-JTU，并且在④式中QPJOUT代表含有x，y坐標(biāo)分量的空間對象。通過⑤式循環(huán)將轉(zhuǎn)換后的空間點(diǎn)位置依次入棧。最終通過調(diào)用API方法查詢完成的地形切面并完成開挖。

三維量測的功能可以對帶有高程的三維地下管線進(jìn)行距離、高程以及面積量測。

圖2 三維地下管線圖

其關(guān)鍵技術(shù)的解決與優(yōu)化可以對傳統(tǒng)二維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行提升，利用三維GIS 可視化技術(shù)，將地下管網(wǎng)以一定比例的三維模型形式直觀、真實(shí)地表現(xiàn)出來，用科學(xué)的手段使得城市地下管網(wǎng)的管理工作變得簡單易行，解決了人工管理效率低下以及二維系統(tǒng)表現(xiàn)力不強(qiáng)的缺陷。

4 總結(jié)

文章構(gòu)建了配套工程地下管線空間數(shù)據(jù)模型，利用空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)基于4VQFS. BQ中實(shí)現(xiàn)了地下管線數(shù)據(jù)三維建模，提供了二三維一體化GIS 平臺的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，基于 FTJVN+T技術(shù)及4VQFS. BQ3D API 實(shí)現(xiàn)了配套工程地下管線的三維可視化，并實(shí)現(xiàn)了三維空間查詢、量測、漫游以及開挖分析功能。本文尚處于研究階段，一方面對地下管線三維數(shù)據(jù)的挖掘與研究應(yīng)用還不夠全面，這將是接下來平臺研究的重點(diǎn)；另一方面配套工程地下管線專題數(shù)據(jù)還不夠完整，僅僅初步實(shí)現(xiàn)了濮陽地區(qū)的地下管線三維可視化，要結(jié)合前期的實(shí)踐，進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)整個(gè)中線配套工程的三維可視化；最后為了增強(qiáng)整個(gè)配套工程地下管線的三維可視化效果，不僅需要地下管線的專題數(shù)據(jù)，還應(yīng)該結(jié)合基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，包括地面上的配套建筑物模型、道路模型以及高精度的地形數(shù)據(jù)。