天津市城市地下空間建(構)筑物三維數據編繪系統的設計與實現

譚新宇，胡勤軍

(天津市測繪院有限公司，天津 300382)

1 引 言

傳統地下空間管理，側重于地下管線的管理，往往忽視了建(構)筑物要素的管理。隨著城市的發展，城市地下空間建(構)筑物日趨增多，對其科學管理越來越重要，相應數據的采集編繪的要求也越來越高[6]。

目前，天津市現有的地理信息采編軟件在采集編繪地下空間建(構)筑物數據方面存在一些困難[3]：一是地下空間建(構)筑物較為隱蔽，且常常分層錯位，原有二維采編系統難以直觀編輯[4]。二是地下空間建(構)筑物信息掛載的最大外圍輪廓線，在CAD平臺中難以直接獲取。三是原有采編系統難以綜合處理地下空間建(構)筑物的空間數據和復雜的屬性信息。

為此，作者結合天津市城市地下空間建(構)筑物數據字典項目，設計開發天津市地下空間建(構)筑物三維數據編輯系統，以期實現地下空間建(構)筑物數據的標準編繪，滿足地下空間調查項目的實際需求。

2 數據編繪流程

數據編繪流程規定了系統各功能模塊之間的邏輯關系，是系統開發設計的基礎。依據數據字典對地下空間建(構)筑物數據的分類、編碼、幾何特征、空間關系和屬性表等要求[2]，結合天津市基礎地理信息采編系統繪制常規地物的習慣特點和某區域的地下管線(空間調查)普查項目成果要求，設計數據編繪流程如圖1所示。

圖1 地下空間建(構)筑物數據編繪流程圖

3 系統的實現

系統實現按照目標導向，先將數據字典進行緊湊嚴密化配置，再依據數據編繪流程拆解實現各模塊功能，最后封裝成一套完整的輸入輸出系統，主要可分為數據字典的配置、編輯功能的實現、三維可視化的實現和工程項目管理的封裝等步驟。

3.1 數據字典的配置

數據字典作為一個文檔成果，定義了大量的要素分類編碼表、地下空間數據分層表、注記分類表、字體一覽表以及屬性表等等，內容繁多，結構松散。要實現要素的標準繪制，需要對數據字典進行詳細解讀，并提煉出一個結構緊密邏輯嚴謹的配置文件。XML是可擴展標記語言(eXtensible Markup Language)的縮寫，它是一種數據表示格式，可以描述非常復雜的數據結構，常用于傳輸和存儲數據。因此，本系統采用XML來配置數據字典中的要素信息和屬性表等信息，并存儲臨時項目信息，便于數據中斷續編，并能滿足敏捷開發、自定義屬性和最終成果檢查等需要。

3.2 編輯功能的實現

編輯功能是系統的核心部分，是地下空間建(構)筑物數據編繪流程和工程項目化管理的具體實現[7，8]。系統采用天津市基礎地理信息采編系統相同的二次開發平臺-AutoCAD Map3D 2016，逐一實現分層輪廓線繪制模塊、出入口標繪模塊和最大外圍輪廓線繪制模塊(如圖2所示)，并按照編繪流程，將其集成為一鍵繪制功能。通常情況下，點擊“地下空間建構筑物一鍵繪制”并逐步操作，即可編繪出完整的地下空間建(構)筑物要素對象。

圖2 地下空間建(構)筑物數據編輯功能結構圖

數據編繪以選擇需要繪制的地下空間建(構)筑物的類型[5]開始，設定好總層數和當前繪制層數，交互繪制出當前層的分層輪廓線，并逐一錄入分層、設施、當前高程點信息后，再疊加融合所有層的分層輪廓線，得到最大外圍輪廓線，并掛接主體屬性信息。地下空間建(構)筑物的最大外圍輪廓線的提取，是實現屬性信息掛接和成果輸出的關鍵[9]。系統綜合采用Shapelib和DotSpatial等開源庫，來實現空間信息的輸出、分析、最大外圍輪廓線提取、屬性掛接和空間檢查等功能。Shapelib是一款基于C語言編寫的開源的庫文件，它支持對Esri公司的Shapefiles文件進行快速的讀寫操作，效率較高。DotSpatial是一個基于.Net Framework 4.0版本編寫的一個開源地理信息系統(GIS)庫，它可幫助開發人員把空間數據、空間分析的功能加入他們的應用程序中。圖3為編輯功能效果示意圖。

圖3 編輯功能效果示意圖

3.3 三維可視化的實現

AutoCAD Map 3D具有強大的二三維可視化編輯功能，通過內置的編程接口，能夠快速將二維視圖中的圖元轉換為三維實體，并且可以通過“二三維快速切換”按鈕，一鍵切換到三維視圖進行瀏覽和編輯，從而實現地下建(構)筑物數據的二三維度的快速切換編輯。

本文系統設計開發了三維輔助類3DOrbitClass，設計二維地下空間建(構)筑物分層輪廓線的輸入接口，利用輪廓線中的圖層、顏色、地層高程、地層層高、凈空高、地層面積等信息，利用Map3D自帶的Solid3d.CreateFrom()函數，直接將地下空間建(構)筑物的分層輪廓線轉換為三維實體，進而實現數據的三維檢視和編輯功能。圖4為三維效果示意圖。

圖4 三維效果示意圖

3.4 工程項目化管理的實現

傳統的基礎地理信息采編軟件將地理要素整體繪制，但是在編輯的時候，沒有提供一個整體編輯的接口，如需修改要素中的某部分信息，只能在圖形中直接修改，容易造成前后臺信息不一致，破壞整體結構。系統充分吸納實際編繪工作經驗，將地下空間建(構)筑物當作一個工程項目整體，從創建工程項目實例開始，到編繪工程項目要素內容，到修改工程項目要素信息，再到工程項目成果數據管理，始終將其當作一個整體。作為天津市基礎地理信息采編系統的拓展部分，基礎地理要素信息工程項目化的編繪方式一方面使得地下空間建(構)筑物能夠輕易從復雜的底圖信息中區別開來，另一方面也進一步保障了地下空間建(構)筑物數據編繪的效率和質量。

4 系統主要功能

系統功能分為四大模塊：項目準備、圖面整理、地下空間和成果管理，如圖5所示。

圖5 系統界面

其中項目準備模塊設置地下空間編繪環境加載、展繪外業坐標點等功能；圖面整理模塊設置圖元標準化、三維檢視和關聯相關等功能；地下空間模塊設置地下空間建構筑物一鍵繪制以及分層輪廓線、高程點注記、性質注記、項目名稱注記、出入口注記以及提取最大外圍輪廓線等獨立功能，這是編繪系統的核心部分；成果管理模塊設置數據成果檢查和數據成果輸出等功能。

5 實際應用

天津某開發區新型智慧城市基礎設施建設數字化底座建設項目，針對地下空間部分要求開展地下空間工作底圖制作、空間信息采集和屬性信息調查等工作并按要求輸出二維數據成果和三維示意圖。利用本文系統，編繪制作了某地鐵站的地下三層建構筑物成果圖，輸出了滿足甲方要求的數據成果(如圖6所示)，取得了一定的經濟效益，為天津市在地下空間建(構)筑物數據編繪和成果輸出方面探索出了成功經驗[10]。

圖6 地鐵站項目應用成果圖、三維檢視圖和效果圖

6 結 論

通過研究分析天津市地下空間建(構)筑物的數量和形態特征，歸納形成天津市地下空間建(構)筑物數據字典并據此開發設計的地下空間建(構)筑物數據編繪系統，彌補了天津市原有采編軟件在地下空間要素編繪方面的不足，滿足了天津市地下空間和地下管網普查項目的實際需要，實現了天津市地下空間建(構)筑物數據和編繪的規范和統一。利用該系統，可以系統、規范、便捷的編輯和利用地下空間建(構)筑物的數據，具有一定的實際生產利用價值。