李浩

(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

1 引言

地下管網(wǎng)是一個(gè)城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，根據(jù)用途可分為給水、排水、燃?xì)?、工業(yè)、熱力、電力、電信、綜合管溝等8大類。各種管線在空間相互交叉，錯(cuò)綜復(fù)雜，由于綜合管網(wǎng)的復(fù)雜性，需要采用信息化手段對(duì)地下管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，形成良好的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，以滿足城市的管線工作，提高政府的綜合協(xié)調(diào)、應(yīng)急指揮水平，從而更好地服務(wù)于城市的規(guī)劃、建設(shè)和管理工作。

當(dāng)前，我國(guó)各大城市都基本進(jìn)行了綜合管線或?qū)I(yè)管線的探測(cè)、普查以及管線數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)工作，并建立了基于GIS的地下管線系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的可視化效果分類，這些地下管線系統(tǒng)可分為兩種類型:第一類是二維GIS管線系統(tǒng)，該類系統(tǒng)利用了成熟的二維GIS技術(shù)，能夠基于嚴(yán)密的空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型表達(dá)和存儲(chǔ)圖屬一體的地下管線數(shù)據(jù)，同時(shí)，借助空間分析方法，能夠面向應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行專業(yè)的分析操作，輔助地下管線管理維護(hù)工作，該類管線系統(tǒng)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)模型嚴(yán)謹(jǐn)、分析能力強(qiáng)、技術(shù)成熟，但是二維平面無法再現(xiàn)真實(shí)的管線三維分布情況;第二類是三維管線系統(tǒng)，利用三維可視化技術(shù)，能夠真實(shí)表達(dá)管線的材質(zhì)、型號(hào)、尺寸以及在三維空間中的分布情況，該類管線系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠逼真的還原現(xiàn)實(shí)世界中管線分布情況，可視化效果較好，但是由于三維GIS技術(shù)還不夠成熟，在三維管線數(shù)據(jù)表達(dá)與存儲(chǔ)、三維空間分析方面還較弱。

本文綜合考慮這兩類管線系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用當(dāng)前主流的二維GIS平臺(tái)軟件(ArcGIS)和三維GIS平臺(tái)軟件(CityMaker)相結(jié)合的技術(shù)路線，建立了二三維一體的管線數(shù)據(jù)模型，給出了三維地下管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程和數(shù)據(jù)庫(kù)組織方法，基于ArcGIS Engine和CityMaker SDK開發(fā)包，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)插件式三維地下管線地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有逼真的三維可視化效果，又具有較強(qiáng)的空間分析能力，為三維視角下的地下管線管理應(yīng)用場(chǎng)景提供借鑒。

2 技術(shù)路線

三維地下管線地理信息系統(tǒng)以二三維一體化地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)核心，以三維地理平臺(tái)作為開發(fā)框架，通過插件式應(yīng)用程序開發(fā)模式，定制地下管線專題功能插件，通過開發(fā)框架的插件引擎加載插件，構(gòu)建可維護(hù)和可擴(kuò)展的三維地下管線地理信息系統(tǒng)，總體框架如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)資源中心是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行和管理的中心。數(shù)據(jù)資源中心包括三方面的內(nèi)容。三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)三維場(chǎng)景的框架核心，提供建筑物、景點(diǎn)、植被、道路、水系等地上景觀模型，與數(shù)字地形模型集成，形成三維場(chǎng)景空間基礎(chǔ)框架，它為三維地下管線模型提供空間參考和輔助定位。

二三維一體化管線數(shù)據(jù)庫(kù)是三維地下管線系統(tǒng)的核心，通過一體化數(shù)據(jù)生產(chǎn)模式，能夠?qū)F(xiàn)有地下管線二維矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維地下管線模型并加載到三維場(chǎng)景中。同時(shí)，通過編碼體系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將對(duì)應(yīng)地下管線二維矢量數(shù)據(jù)屬性信息鏈接到三維地下管線模型上，形成一體化的屬性信息維護(hù)管理模式。

圖1 總體框架

三維基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)是構(gòu)建三維地下管線系統(tǒng)的核心技術(shù)基礎(chǔ)。三維地理信息平臺(tái)采用CityMaker 6.2三維地理信息軟件平臺(tái)和ArcGIS Engine 9.2地理信息系統(tǒng)開發(fā)組件，主要用于三維場(chǎng)景搭建、渲染、發(fā)布以及基礎(chǔ)功能構(gòu)建，三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式存儲(chǔ)到CityMaker 6.2平臺(tái)支持的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。二維管線空間數(shù)據(jù)通過ArcSDE存儲(chǔ)到Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。三維基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)以各類通用服務(wù)為主要內(nèi)容，核心內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)訪問接口、模型編碼語(yǔ)義解析與定位、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建與分析、空間參考變換、UI界面框架等。

三維地下管線系統(tǒng)開發(fā)的主要內(nèi)容，主要是利用三維基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)提供的核心基礎(chǔ)功能，構(gòu)建滿足應(yīng)用需求的功能模塊。

3 地下管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)與數(shù)據(jù)庫(kù)組織

3.1 三維地下管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)

當(dāng)前三維地下管線數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方式有兩種。第一種是人工生產(chǎn)方式，以二維管線CAD數(shù)據(jù)或GIS數(shù)據(jù)，通過3ds Max等建模軟件，生成管線三維模型，再導(dǎo)出為OSG等通用三維模型數(shù)據(jù)格式，供三維場(chǎng)景搭建工具建立三維地下管線場(chǎng)景。這種方法能夠生產(chǎn)出模型精美、與現(xiàn)實(shí)效果一致的地下管線三維模型，特別是管線變徑處、連接點(diǎn)等位置，通過人工處理能夠得到逼真的展示效果，但需要投入大量的作業(yè)人員，人力成本較高。第二種是自動(dòng)建模方式，通過開發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)化建模工具，從二維管線GIS數(shù)據(jù)中讀取相關(guān)空間位置信息，直接生成三維管線模型。這種方法能夠快速生成管線模型，較少人工干預(yù)，但技術(shù)難度較大，模型精細(xì)程度不高。

綜合考慮兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為了能否逼真的再現(xiàn)地下管線及附屬設(shè)施以及充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)生產(chǎn)資源，本文采用第一種方式進(jìn)行管線數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)流程

(1)資料搜集

搜集已有管線資料，作為管線建模的數(shù)據(jù)源，包括管線GIS數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)、橫縱斷面圖、節(jié)點(diǎn)圖等。

(2)三維管線建模

將矢量管線要素導(dǎo)入3ds Max建模軟件中，按照管線的屬性信息，建立三維的管線模型，管線坐標(biāo)系統(tǒng)采用當(dāng)?shù)氐钠矫孀鴺?biāo)系統(tǒng)或國(guó)家統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，管線顏色按照《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》(CJJ 61－2003)的要求賦值。管線交叉處和變徑處需要進(jìn)行光滑處理。

(3)添加附屬設(shè)施三維模型

根據(jù)不同類別的管線在管線節(jié)點(diǎn)處加管井、閥門、連通等三維符號(hào)。若提供三維模型點(diǎn)位的矢量數(shù)據(jù)，按“實(shí)體”導(dǎo)入點(diǎn)位。

(4)模型融合、整飾與質(zhì)檢

管線與附屬設(shè)施進(jìn)行融合，檢查管線與附屬設(shè)施位置是否合理、存在縫隙，管線與管線交叉處是否進(jìn)行了光滑處理，對(duì)相交的管線，在排除數(shù)據(jù)質(zhì)量問題后，需要做局部調(diào)整或移位。最后，按照數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量、可視化效果等要求對(duì)全部成果進(jìn)行質(zhì)檢。

(5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出

導(dǎo)出osg格式的管線及附屬設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)。按類別分文件夾存放，如排水管線、燃?xì)夤芫€、熱力管線、電力管線、給水管線等，也可以按照項(xiàng)目需求進(jìn)行歸類，導(dǎo)出時(shí)，每個(gè)三維模型的命名規(guī)則要能體現(xiàn)唯一性，以便后期數(shù)據(jù)建庫(kù)時(shí)，與二維屬性信息進(jìn)行掛接。

(6)場(chǎng)景發(fā)布

利用CityMaker Builder軟件，將osg格式的管線及附屬設(shè)施三維模型導(dǎo)入場(chǎng)景中，并配以地上建筑物、道路面等地上模型，形成地上地下一體的三維場(chǎng)景，發(fā)布時(shí)可根據(jù)需要，發(fā)布成本地場(chǎng)景文件(scd格式)或發(fā)布到數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2 三維地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)組織

按照數(shù)據(jù)類型，三維地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容可分為兩類:

(1)三維地下管線場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)

無論發(fā)布為本地場(chǎng)景文件，還是發(fā)布成數(shù)據(jù)服務(wù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部，CityMaker設(shè)計(jì)了7個(gè)表用來存儲(chǔ)三維管線模型和場(chǎng)景組織結(jié)構(gòu)內(nèi)容。其中，最重要的三維實(shí)體表(BIN_SCENE_ENTITY)記錄了三維場(chǎng)景中每個(gè)三維管線實(shí)體的詳細(xì)信息，包括實(shí)體ID、所屬場(chǎng)景ID、所屬圖層、定位信息、表示該實(shí)體的三維模型ID和模型名稱等。該數(shù)據(jù)庫(kù)由CityMaker Builder直接生成，但沒有提供三維管線屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與組織，需要二維GIS管線數(shù)據(jù)庫(kù)的補(bǔ)充。

(2)二維GIS管線數(shù)據(jù)庫(kù)

二維GIS管線數(shù)據(jù)庫(kù)采用基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型，存儲(chǔ)了三維地下管線場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中管線及附屬設(shè)施三維實(shí)體對(duì)應(yīng)的二維GIS數(shù)據(jù)。二維管線數(shù)據(jù)包含了管線及附屬設(shè)施矢量數(shù)據(jù)和屬性信息，是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行空間分析和三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)屬性信息的來源。二者之間的聯(lián)系通過構(gòu)建全局管線編碼體系，建立二維管線數(shù)據(jù)和三維管線模型的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

4.1 開發(fā)環(huán)境

在數(shù)據(jù)層面上，二維GIS管線數(shù)據(jù)通過ArcSDE存儲(chǔ)到Oracle 10g數(shù)據(jù)庫(kù)中，三維管線場(chǎng)景數(shù)據(jù)通過CityMaker Builder發(fā)布到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成數(shù)據(jù)服務(wù)。

在應(yīng)用開發(fā)層面上，采用ArcGIS Engine提供的．NET接口基于二維GIS管線數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)底層的空間分析和屬性管理功能，采用CityMaker SDK提供的．NET接口基于三維管線場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的操縱和分析結(jié)果的可視化展現(xiàn)。開發(fā)工具選用Visual Studio 2008。

在系統(tǒng)架構(gòu)上，采用C/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序框架，基于插件機(jī)制，實(shí)現(xiàn)管線專題功能的開發(fā)與集成。

4.2 插件式應(yīng)用程序框架

三維地下管線地理信息系統(tǒng)開發(fā)框架基于插件機(jī)制，基于三維平臺(tái)SDK和．net框架開發(fā)而成，框架內(nèi)嵌場(chǎng)景瀏覽、視圖控制、三維量算等基礎(chǔ)功能，并提供風(fēng)格統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的用戶界面。框架基于面向?qū)ο缶幊趟枷?，逐?jí)封裝，采用不同顆粒度實(shí)現(xiàn)不同封裝，開發(fā)人員可依據(jù)開發(fā)程度，快速利用封裝的功能模塊完成應(yīng)用系統(tǒng)搭建和定制功能開發(fā)。該框架原理圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)用程序框架原理圖

4.3 功能設(shè)計(jì)

(1)基礎(chǔ)功能

該模塊提供了場(chǎng)景瀏覽、視圖控制、三維量算、數(shù)據(jù)加載、鼠標(biāo)提示等基礎(chǔ)功能服務(wù)。

(2)信息管理功能

該模塊提供了拾取查詢、屬性查詢、綜合統(tǒng)計(jì)、屬性編輯等功能服務(wù)，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)管線專題信息的表達(dá)與展示。

(3)輔助分析功能

該模塊提供了地下探測(cè)、模擬挖方、繪制斷面圖、流向分析、連通分析、關(guān)停閥門分析等常用的管線分析功能服務(wù)，輔助管線管理部門的日常管理工作。

圖4給出了基于本方案開發(fā)的三維地下管線地理信息系統(tǒng)的用戶界面，圖中展示的是流向分析的結(jié)果。其中，流向分析分析的數(shù)據(jù)源是二維管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)，分析結(jié)果通過三維箭頭在三維場(chǎng)景渲染出來。

圖4 系統(tǒng)界面

5 結(jié)語(yǔ)

限于技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的三維GIS技術(shù)僅僅解決了海量GIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與三維可視化問題，空間分析能力特別是真三維的空間分析能力還很弱，這在一定程度上影響了其在強(qiáng)GIS領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是城市地下管線應(yīng)用領(lǐng)域。本文提出的解決方案，能夠顧及城市地下管線應(yīng)用領(lǐng)域中對(duì)管線三維可視化的需求，借助成熟的二維GIS空間分析技術(shù)，彌補(bǔ)了三維GIS中重展示、輕分析的現(xiàn)狀問題，提升了三維GIS平臺(tái)的分析能力，具有一定的可行性。

［1］ 劉娟．基于CityMaker SDK的3D GIS開發(fā)方法［J］．城市勘測(cè)，2011(5)．

［2］紀(jì)彥忠，李浩．CityMaker中三維模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)組織方法與應(yīng)用擴(kuò)展［J］．城市勘測(cè)，2013(3)．

［3］北京偉景行數(shù)字城市科技有限公司．CityMaker 6產(chǎn)品介紹［Z］．2011．

［4］畢天平，張德海，劉亞臣等．渾南新城三維地下管線系統(tǒng)應(yīng)用與研究［J］．沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2013，29(2)．

［5］ 徐敬仙．可擴(kuò)展的三維地下管線平臺(tái)研制進(jìn)展［J］．中國(guó)建設(shè)信息，2012(21)．