城市地下管線三維成圖組件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王子啟

（1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司,山東 濟(jì)南250101）

城市地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,是保證城市生產(chǎn)、生活正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)條件,是城市安全與繁榮的根基,是城市的“生命線”和“血脈”,也是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的基礎(chǔ)資料和公眾共享的信息資源。然而,地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜,走向、管徑、埋深以及管線交界處的管點(diǎn)各異,且數(shù)據(jù)量巨大,采用傳統(tǒng)的三維建模軟件進(jìn)行人工建模,工作效率低下。

在綜合分析管線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了以WGS84為坐標(biāo)系的城市地下管線動(dòng)態(tài)三維建模方法。通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn),地下管線有其共性:對(duì)于管線來(lái)說(shuō),其三維表現(xiàn)均為圓柱形和方形,區(qū)別在于走向、管徑、紋理和形狀不同；對(duì)于管點(diǎn)來(lái)說(shuō),均為點(diǎn)狀模型,區(qū)別在于形狀、方向和套合不同。點(diǎn)圖層數(shù)據(jù)中的閥門(mén)、管井等復(fù)雜模型可通過(guò)3ds Max等建模軟件建模后導(dǎo)入,但轉(zhuǎn)彎、三通以及多通的部分角度多變、情況復(fù)雜[1]。設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)城市地下管線三維成圖組件,能實(shí)現(xiàn)具有較好展示效果的管線三維動(dòng)態(tài)建模,并能對(duì)外提供自動(dòng)化成圖和更新維護(hù)的Web服務(wù)接口,便于其他相關(guān)應(yīng)用的調(diào)用。

1 城市管線三維成圖與應(yīng)用現(xiàn)狀

從自動(dòng)化程度來(lái)看,管線三維建模方法可分為人工建模和自動(dòng)化建模[2],人工建模雖然模型精細(xì),但工作量巨大,且城市管線場(chǎng)景大,需要分區(qū)協(xié)同作業(yè),接邊整合的工作量無(wú)謂增加,效率低、成本高和周期長(zhǎng)的問(wèn)題非常突出；自動(dòng)化建模主要是通過(guò)在系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)用閥門(mén)、水表等點(diǎn)狀固定點(diǎn)精細(xì)模型實(shí)現(xiàn),但彎頭、多通接合部位無(wú)法精確設(shè)計(jì)模型,顯示效果較差,細(xì)節(jié)上與人工建模有很大差距,因此盡可能提高建模精度和自動(dòng)化程度是地下管線三維建模首選的技術(shù)方法。另外,采用B/S架構(gòu)的管線三維信息化應(yīng)用系統(tǒng),不論是基于SkyLine還是SuperMap等平臺(tái),均需使用相應(yīng)的專用工具發(fā)布地圖服務(wù),每次數(shù)據(jù)更新都需要處理相應(yīng)的工程文件,人工發(fā)布服務(wù),無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線的二三維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和可視化顯示。

2 解決思路

1）建立模型庫(kù)和紋理庫(kù)。地下管線是由管點(diǎn)、管線按一定連接關(guān)系構(gòu)成的線,代表實(shí)際管線的走向。閥門(mén)、窨井等管點(diǎn)利用3ds Max軟件建立相應(yīng)的管點(diǎn)模型[3],形成固態(tài)模型的一系列文件,格式為xpl。管線則通過(guò)不同的紋理區(qū)分種類,參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中管線表達(dá)的顏色要求,在畫(huà)圖工具中形成一系列紋理文件,格式為bmp,供組件調(diào)用。

2）對(duì)管線探測(cè)成果庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先將管線屬性數(shù)據(jù)預(yù)處理為矢量數(shù)據(jù),再基于二維管線矢量數(shù)據(jù),根據(jù)各類管線點(diǎn)和管線段的特點(diǎn),通過(guò)空間、屬性和材質(zhì)信息映射,實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)生成地下管線三維模型[4]。對(duì)于管線數(shù)據(jù),根據(jù)管徑動(dòng)態(tài)生成三維管線（圓形或方形）,并根據(jù)管線類型動(dòng)態(tài)粘貼紋理；對(duì)于管點(diǎn)數(shù)據(jù),根據(jù)其附屬物和特征,動(dòng)態(tài)選定管點(diǎn)模型導(dǎo)入,并根據(jù)提取的參數(shù),確定其位置和方向,套合管的尺寸等信息。進(jìn)一步優(yōu)化彎頭、多通接頭等模型的角度和拼接,以保證三維模型的生成速度和準(zhǔn)確性。

3）基于生成的三維數(shù)據(jù),開(kāi)發(fā)直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)表生成三維實(shí)體的相關(guān)功能,并進(jìn)一步封裝,形成服務(wù)器端的組件接口服務(wù)。

4）實(shí)現(xiàn)三維管線數(shù)據(jù)的在線更新。通過(guò)參數(shù)控制覆蓋、追加或刪除,實(shí)現(xiàn)二三維管線數(shù)據(jù)的同步動(dòng)態(tài)更新。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)更新后,自動(dòng)刷新服務(wù)重新獲取最新數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,無(wú)需重新發(fā)布地圖服務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于SkyLine客戶端組件功能開(kāi)發(fā)服務(wù)器端成圖相關(guān)接口

基于SkyLine平臺(tái)開(kāi)發(fā)的B/S三維應(yīng)用系統(tǒng),是在C/S系統(tǒng)中生成三維數(shù)據(jù),再人工發(fā)布到服務(wù)器端,不能實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器端的實(shí)時(shí)編輯和更新。因此,為了實(shí)現(xiàn)組件成圖服務(wù)和在線動(dòng)態(tài)更新,本文分析了SkyLine客戶端的成圖接口和參數(shù),開(kāi)發(fā)了成圖相關(guān)功能,實(shí)現(xiàn)了在服務(wù)器端的在線更新。

1）SkyLine客戶端組件成圖。繪制三維物體時(shí),為了提高物體圖形的真實(shí)感,除進(jìn)行投影變換和消隱處理外,還需采用合理的光照模型進(jìn)行光照,利用紋理映射技術(shù)模擬物體表面的紋理細(xì)節(jié),使計(jì)算機(jī)繪制出的物體更加接近實(shí)際物體。具體的原理和步驟為:①透視投影；②方管線采用四方體建模,圓管線采用圓柱建模；③管線采用光照加材質(zhì)渲染；④管線段之間采用固化點(diǎn)模型和部件模型來(lái)銜接。

2）通過(guò)分析總結(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)三維數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn),每條記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)三維實(shí)體,進(jìn)一步厘清各數(shù)據(jù)項(xiàng)的含義。管點(diǎn)三維實(shí)體記錄結(jié)構(gòu)如圖1所示,管線三維實(shí)體記錄結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,比較關(guān)鍵的是Yaw、Pitch和Roll三個(gè)角度,Pitch（俯仰角）圍繞X軸旋轉(zhuǎn),Yaw（偏航角）圍繞Y軸旋轉(zhuǎn),Roll（翻滾角）圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)；Length（長(zhǎng)度）、Fillcolor（填充色）、Linecolor（線顏色）等為其他三維屬性。只要給所有屬性賦予正確的值,并作為一條記錄插入三維表中,即可在SkyLine中可視化顯示該三維實(shí)體。

圖1 管點(diǎn)三維實(shí)體記錄結(jié)構(gòu)圖

圖2 管線三維實(shí)體記錄結(jié)構(gòu)圖

3）參考SkyLine客戶端成圖相關(guān)的接口和參數(shù),在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換組件的參與下,計(jì)算得到表達(dá)三維管點(diǎn)和管線每個(gè)實(shí)體的所有屬性數(shù)據(jù)項(xiàng),并直接操作對(duì)應(yīng)的三維數(shù)據(jù)表,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的增、刪、改來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的三維實(shí)體操作。

4）組件封裝,實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器端運(yùn)行的自主開(kāi)發(fā)的成圖服務(wù)Web接口。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換組件開(kāi)發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)真正與SkyLine的函數(shù)計(jì)算結(jié)果一致,消除誤差,必須實(shí)現(xiàn)SkyLine在WGS84和西安1980兩個(gè)坐標(biāo)系之間的高精度轉(zhuǎn)換[5]。首先將WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)系,并基于最小二乘法求解布爾莎七參數(shù)；再進(jìn)行布爾莎七參數(shù)模型轉(zhuǎn)換和高斯投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文開(kāi)發(fā)了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換組件,用以求解準(zhǔn)確長(zhǎng)度和角度等三維屬性信息,做到cm級(jí)正反算的無(wú)損轉(zhuǎn)換。

3.3 管線彎頭、多通等不規(guī)則接合處的優(yōu)化處理

模型庫(kù)中除精細(xì)化的閥門(mén)等固態(tài)化模型外,還增加了專用于接合處的部件模型。準(zhǔn)確提取和計(jì)算不規(guī)則結(jié)合處的相關(guān)參數(shù),確定其位置與方向,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確擺放。當(dāng)多個(gè)部件模型整合顯示時(shí),點(diǎn)線的套合效果非常好。只是該管點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)了多個(gè)部件模型,需做好實(shí)體標(biāo)識(shí)。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

本文以ArcSDE為空間數(shù)據(jù)引擎,以PostgreSQL為數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件,以SkyLine為三維可視化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端的三維成圖以及在線數(shù)據(jù)更新功能。成圖的關(guān)鍵在于計(jì)算Yaw、Pitch、Roll等三維屬性值,本文在ArcGIS的SDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)中二維數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上,直接操控?cái)?shù)據(jù)庫(kù),形成管點(diǎn)與管線的三維數(shù)據(jù)表。對(duì)于多通等模型庫(kù)無(wú)法支持的細(xì)節(jié),通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)模型與線模型來(lái)整合顯示。

在組件設(shè)計(jì)方面,為了方便客戶端通過(guò)Web方式調(diào)用,本文對(duì)比了3種設(shè)計(jì)方案。

1）ActiveX控件開(kāi)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)為ActiveX控件是分布式對(duì)象技術(shù),能保護(hù)開(kāi)發(fā)者以前的投資,是開(kāi)放的技術(shù),既包容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)又鼓勵(lì)第三方的參與；其缺點(diǎn)為ActiveX控件體積可能過(guò)于龐大,客戶端部署困難、下載速度較慢,支持ActiveX的平臺(tái)僅限于Windows系列,平臺(tái)無(wú)關(guān)性弱,開(kāi)發(fā)和維護(hù)較困難。

2）將組件注冊(cè)為后臺(tái)服務(wù),Web客戶端通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)傳遞參數(shù),服務(wù)器端組件服務(wù)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表參數(shù)變化,自動(dòng)進(jìn)行處理。其優(yōu)點(diǎn)為開(kāi)發(fā)維護(hù)較容易,調(diào)用方便,將請(qǐng)求寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)即可；其缺點(diǎn)為增加了服務(wù)器資源占用,安全性不高。

3）采用Web Service技術(shù)開(kāi)發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)為Web Services是自包含、可自我描述、可跨平臺(tái)和跨語(yǔ)言的,部署較靈活,升級(jí)和維護(hù)Web服務(wù)簡(jiǎn)單、方便,可實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)、多服務(wù)的聚合,與其他系統(tǒng)接口耦合度低,使用SOAP協(xié)議通信,封裝了XML格式的數(shù)據(jù),以ASCII文本的方式傳輸而非二進(jìn)制,調(diào)試方便；其缺點(diǎn)為單機(jī)應(yīng)用程序不適合使用Web Service,局域網(wǎng)的同構(gòu)應(yīng)用程序采用DCOM會(huì)比SOAP/HTTP高效。

綜合分析本組件開(kāi)發(fā)需求,本文采用Web Service技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。具體開(kāi)發(fā)步驟為:客戶端→閱讀WSDL文檔（根據(jù)文檔生成SOAP請(qǐng)求）→發(fā)送到Web服務(wù)器→傳輸給Web Service請(qǐng)求處理器（ISAPI Extension）→處理SOAP請(qǐng)求→調(diào)用Web Service→生成SOAP應(yīng)答→Web服務(wù)器通過(guò)HTTP的方式反饋給客戶端。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文開(kāi)發(fā)的組件的主要功能是實(shí)現(xiàn)管線從二維到三維的自動(dòng)化[6],再通過(guò)SkyLine平臺(tái)展示為服務(wù)器端的三維數(shù)據(jù)服務(wù),并能為JS腳本所調(diào)用,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

管線數(shù)據(jù)自動(dòng)化三維成圖組件應(yīng)具有的功能如表1所示。

表1 管線數(shù)據(jù)自動(dòng)化三維成圖組件主要功能列表

4.3 實(shí)現(xiàn)流程

1）建立模型庫(kù)和紋理庫(kù)。管線種類通過(guò)不同的紋理區(qū)分,根據(jù)管類形成不同顏色的一系列紋理文件；閥門(mén)、窨井等管點(diǎn)則形成相應(yīng)的固態(tài)模型文件。以閥門(mén)為例,對(duì)應(yīng)的xpl文件在SkyLine中加載,如圖4所示。除固態(tài)模型外,組件還增加了部件模型文件,專用于轉(zhuǎn)彎、多通等接合處的模型拼接,如圖5所示。

圖4 三維模型庫(kù)（固態(tài)模型）

圖5 三維模型庫(kù)（部件模型）

2）管線數(shù)據(jù)預(yù)處理。將采集的管點(diǎn)、管線屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù),調(diào)用該組件數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,導(dǎo)入數(shù)據(jù)連接參數(shù),測(cè)試數(shù)據(jù)連接是否正常；在數(shù)據(jù)連接正常的情況下,調(diào)用該組件數(shù)據(jù)核查接口,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行核查質(zhì)檢,生成相應(yīng)質(zhì)檢報(bào)告（質(zhì)檢結(jié)果不通過(guò)時(shí)需人工處理,不含在本次開(kāi)發(fā)內(nèi)容中）；質(zhì)檢合格后[7],可調(diào)用該組件數(shù)據(jù)預(yù)處理接口,后臺(tái)自動(dòng)將管點(diǎn)、管線屬性數(shù)據(jù)根據(jù)坐標(biāo)生成矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)表中[8]。

3）生成管點(diǎn)、管線三維數(shù)據(jù)并在線更新。調(diào)用組件自動(dòng)化三維管線成圖接口[9],后臺(tái)根據(jù)相關(guān)參數(shù)自動(dòng)將預(yù)處理好的管點(diǎn)、管線數(shù)據(jù)生成SkyLine平臺(tái)中可調(diào)用的管線三維模型實(shí)體記錄。通過(guò)參數(shù)控制覆蓋、追加或更新,實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新。

4）刷新數(shù)據(jù)。調(diào)用組件的刷新接口,后臺(tái)自動(dòng)刷新三維數(shù)據(jù)庫(kù)表,實(shí)現(xiàn)三維管線更新數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

4.4 組件提供的主要服務(wù)接口

1）通用接口,名稱為OpenSDEWorkspace,負(fù)責(zé)打開(kāi)ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)工作空間。返回true表示成功,返回false表示失敗。

2）管點(diǎn)操作插入接口,名稱為Insert_Point_Feature,負(fù)責(zé)將二維管點(diǎn)圖層中指定條件的對(duì)象插入到三維管點(diǎn)圖層中。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表2所示。

表2 管點(diǎn)操作插入接口參數(shù)說(shuō)明

3）管點(diǎn)操作更新接口,名稱為Update_Point_Feature,負(fù)責(zé)將二維管點(diǎn)圖層中指定條件的對(duì)象更新到三維管點(diǎn)圖層中。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表3所示。

表3 管點(diǎn)操作更新接口參數(shù)說(shuō)明

4）管點(diǎn)操作刪除接口,名稱為Delete_Point_Feature,負(fù)責(zé)在三維管點(diǎn)圖層中刪除指定條件的對(duì)象。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表4所示。

表4 管點(diǎn)操作刪除接口參數(shù)說(shuō)明

5）管線操作插入接口,名稱為Insert_Line_Feature,負(fù)責(zé)將二維管線圖層中指定條件的對(duì)象插到三維管線圖層中。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表5所示。

表5 管線操作插入接口參數(shù)說(shuō)明

6）管線操作更新接口,名稱為Update_Line_Feature,負(fù)責(zé)將二維管線圖層中指定條件對(duì)象更新到三維管線圖層中。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表6所示。

表6 管線操作更新接口參數(shù)說(shuō)明

7）管線操作刪除接口,名稱為Delete_Line_Feature,負(fù)責(zé)在三維管線圖層中刪除指定條件的對(duì)象。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表7所示。

表7 管線操作刪除接口參數(shù)說(shuō)明

8）圖層刷新接口,名稱為Refresh,負(fù)責(zé)刷新指定圖層。返回true表示成功,返回false表示失敗。其參數(shù)說(shuō)明如表8所示。

表8 圖層刷新接口參數(shù)說(shuō)明

5 實(shí)現(xiàn)效果

利用組件開(kāi)發(fā)測(cè)試工具,調(diào)用組件服務(wù),基于部分?jǐn)?shù)據(jù)的三維成圖效果（未優(yōu)化）如圖6所示；第三方應(yīng)用調(diào)用效果（優(yōu)化后）如圖7所示；生成的圖形細(xì)節(jié)如圖8所示。

圖6 數(shù)據(jù)成圖效果

圖7 應(yīng)用調(diào)用效果圖

圖8 三維展示效果

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在總結(jié)現(xiàn)有三維管線系統(tǒng)自動(dòng)建模的基礎(chǔ)上,以PostgreSQL為數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件,以ArcSDE為空間數(shù)據(jù)引擎,以SkyLine為三維可視化平臺(tái),利用ArcGIS Server WFS 服務(wù)開(kāi)發(fā)了城市地下管線三維成圖組件,提供了可供Web應(yīng)用、桌面應(yīng)用、移動(dòng)端應(yīng)用的多平臺(tái)調(diào)用接口。利用該組件能更好地實(shí)現(xiàn)管線三維動(dòng)態(tài)建模以及在線實(shí)時(shí)更新。實(shí)踐表明,該組件具有以下特色:

1）人工建模與自動(dòng)化建模相結(jié)合,優(yōu)化處理固態(tài)模型無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)的彎頭、多通等空間角度多變的細(xì)節(jié)部分,整體的三維展示效果有較大提升。

2）基于Web服務(wù)的架構(gòu),可便于城市管線相關(guān)應(yīng)用調(diào)用。

3）可擴(kuò)展可定制管線數(shù)據(jù)種類及其相關(guān)屬性信息（材質(zhì)、特征等）,隨著城市發(fā)展可滿足相應(yīng)的變更需求。

4）通過(guò)預(yù)處理功能進(jìn)一步檢查和優(yōu)化外業(yè)探測(cè)成果,提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量和三維成圖速度。

5）組件直接操控空間數(shù)據(jù)庫(kù),并利用SkyLine可視化機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了在線的數(shù)據(jù)更新和服務(wù)更新,無(wú)需數(shù)據(jù)更新后重新發(fā)布服務(wù),提高了成圖效率和客戶體驗(yàn)的及時(shí)性,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)更新服務(wù)的過(guò)程。