葛正+寧芊

摘要：設(shè)計并構(gòu)建地下管線綜合數(shù)據(jù)庫，利用開源GIS平臺GRASS的二維顯示模塊，讀取數(shù)據(jù)庫中存儲的管線空間數(shù)據(jù)來生成并顯示管線二維布局圖，利用AutoCAD進(jìn)行管線三維建模，然后運用GRASS的三維模塊實現(xiàn)管線空間數(shù)據(jù)的三維可視化。為實現(xiàn)地下管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維信息聯(lián)動提供一種可行的解決方案，同時為運用開源GIS開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的三維信息管理系統(tǒng)提供一種技術(shù)路線與實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：二三維可視化；GRASS；開源GIS；空間數(shù)據(jù)庫；地下管線

DOIDOI：10.11907/rjdk.143799

中圖分類號：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）002014003

作者簡介作者簡介：葛正（1990-），男，安徽安慶人，四川大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生，研究方向為城市地下管線信息化；寧芊（1969-），女，四川宜賓人，博士，四川大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向為智能控制、水利信息化。

0引言

隨著計算機技術(shù)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，二維信息已經(jīng)不能滿足城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)程中普通人員對地下管線數(shù)據(jù)直觀顯示的強烈需求。因此，地下管線數(shù)據(jù)的表示方法由二維轉(zhuǎn)向了二、三維，這是未來城鎮(zhèn)地下管線信息化工作的發(fā)展方向＼[1＼]。目前，GIS在城市地下管線信息化中的應(yīng)用多數(shù)集中在商業(yè)GIS軟件上，而基于開源GIS平臺的二次開發(fā)較少。GRASS是開源桌面GIS軟件中功能較為齊全的一個，經(jīng)過多年的發(fā)展，幾乎所有的商業(yè)GIS功能都可以在GRASS中實現(xiàn)＼[2＼]。GRASS可以在多個平臺上運行，用戶可以通過內(nèi)置的GUI或QGIS使用該軟件的功能，也可以通過改進(jìn)的shell直接使用其模塊。由于開源GIS的影響力比較小，而且缺乏良好的能夠滿足商用的發(fā)行版本，所以相應(yīng)會加大開發(fā)工作量與難度。目前，國內(nèi)還欠缺開源GIS軟件在地下管線信息化中的深入研究與應(yīng)用，尤其是在開源GIS的三維模塊應(yīng)用方面，還不是很成熟＼[3＼]。

本文研究并利用GRASS、PostgreSQL、PostGIS、AutoCAD實現(xiàn)了基于開源GIS的管線專題數(shù)據(jù)的二、三維可視化，為構(gòu)建基于開源GIS的管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維聯(lián)動技術(shù)提供了一種可行的解決方案，其主要技術(shù)路線如圖1所示。

1地下管線專題數(shù)據(jù)庫設(shè)計

城市地下管線的種類繁多、空間位置各異、數(shù)據(jù)量大，各種管線的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)來源不同，需要對不同數(shù)據(jù)源的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后根據(jù)管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地下管線數(shù)據(jù)庫。這些地下管線原始數(shù)據(jù)主要通過外沿探測來獲取。地下管線探測中，通常記錄管線的平面位置、埋深、走向以及管線附屬設(shè)施位置等。

圖1主要技術(shù)路線

用于當(dāng)前試驗所建立的管線專題數(shù)據(jù)庫包括4個數(shù)據(jù)表：元數(shù)據(jù)表（對地下管線數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的總體描述）、管線點信息表（地面附屬物的中心點，如井蓋中心點、閥門、水表等）、管線信息表（連接管線點的管線段）、小室信息表（管線附屬數(shù)據(jù)，如管井下面的地下空間信息）＼[4＼]。其中最為重要的是管線點信息表、管線信息表，它們基本能表示地下管線所包含的大致信息。這兩個表的設(shè)計如表1、表2所示。

管線點以及管線信息表中用到了一個空間數(shù)據(jù)類型Geometry，該類型是PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎中最重要的一個概念，是“幾何體”的意思，它支持點、線、多邊形等幾何類型（如點類型POINT（1 1）、線類型LINESTRING（1 1，2 2，3 4））。表2中管線類型表示該管線是屬于哪類管線，其取值范圍有給水、電信、電力、排水、熱力、燃?xì)狻⒐I(yè)等＼[5＼]；管徑字段表示管道半徑；管線條數(shù)字段僅用于電纜類管線；管線高程字段表示管線底部的高程；流向字段的0表示載體的流向從起點到止點，1表示載體的流向從止點到起點；結(jié)構(gòu)類型字段取值范圍有圓管、直埋電纜、管塊、方溝、套管、管組等。

摘要：設(shè)計并構(gòu)建地下管線綜合數(shù)據(jù)庫，利用開源GIS平臺GRASS的二維顯示模塊，讀取數(shù)據(jù)庫中存儲的管線空間數(shù)據(jù)來生成并顯示管線二維布局圖，利用AutoCAD進(jìn)行管線三維建模，然后運用GRASS的三維模塊實現(xiàn)管線空間數(shù)據(jù)的三維可視化。為實現(xiàn)地下管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維信息聯(lián)動提供一種可行的解決方案，同時為運用開源GIS開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的三維信息管理系統(tǒng)提供一種技術(shù)路線與實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：二三維可視化；GRASS；開源GIS；空間數(shù)據(jù)庫；地下管線

DOIDOI：10.11907/rjdk.143799

中圖分類號：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）002014003

作者簡介作者簡介：葛正（1990-），男，安徽安慶人，四川大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生，研究方向為城市地下管線信息化；寧芊（1969-），女，四川宜賓人，博士，四川大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向為智能控制、水利信息化。

0引言

隨著計算機技術(shù)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，二維信息已經(jīng)不能滿足城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)程中普通人員對地下管線數(shù)據(jù)直觀顯示的強烈需求。因此，地下管線數(shù)據(jù)的表示方法由二維轉(zhuǎn)向了二、三維，這是未來城鎮(zhèn)地下管線信息化工作的發(fā)展方向＼[1＼]。目前，GIS在城市地下管線信息化中的應(yīng)用多數(shù)集中在商業(yè)GIS軟件上，而基于開源GIS平臺的二次開發(fā)較少。GRASS是開源桌面GIS軟件中功能較為齊全的一個，經(jīng)過多年的發(fā)展，幾乎所有的商業(yè)GIS功能都可以在GRASS中實現(xiàn)＼[2＼]。GRASS可以在多個平臺上運行，用戶可以通過內(nèi)置的GUI或QGIS使用該軟件的功能，也可以通過改進(jìn)的shell直接使用其模塊。由于開源GIS的影響力比較小，而且缺乏良好的能夠滿足商用的發(fā)行版本，所以相應(yīng)會加大開發(fā)工作量與難度。目前，國內(nèi)還欠缺開源GIS軟件在地下管線信息化中的深入研究與應(yīng)用，尤其是在開源GIS的三維模塊應(yīng)用方面，還不是很成熟＼[3＼]。

本文研究并利用GRASS、PostgreSQL、PostGIS、AutoCAD實現(xiàn)了基于開源GIS的管線專題數(shù)據(jù)的二、三維可視化，為構(gòu)建基于開源GIS的管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維聯(lián)動技術(shù)提供了一種可行的解決方案，其主要技術(shù)路線如圖1所示。

1地下管線專題數(shù)據(jù)庫設(shè)計

城市地下管線的種類繁多、空間位置各異、數(shù)據(jù)量大，各種管線的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)來源不同，需要對不同數(shù)據(jù)源的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后根據(jù)管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地下管線數(shù)據(jù)庫。這些地下管線原始數(shù)據(jù)主要通過外沿探測來獲取。地下管線探測中，通常記錄管線的平面位置、埋深、走向以及管線附屬設(shè)施位置等。

圖1主要技術(shù)路線

用于當(dāng)前試驗所建立的管線專題數(shù)據(jù)庫包括4個數(shù)據(jù)表：元數(shù)據(jù)表（對地下管線數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的總體描述）、管線點信息表（地面附屬物的中心點，如井蓋中心點、閥門、水表等）、管線信息表（連接管線點的管線段）、小室信息表（管線附屬數(shù)據(jù)，如管井下面的地下空間信息）＼[4＼]。其中最為重要的是管線點信息表、管線信息表，它們基本能表示地下管線所包含的大致信息。這兩個表的設(shè)計如表1、表2所示。

管線點以及管線信息表中用到了一個空間數(shù)據(jù)類型Geometry，該類型是PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎中最重要的一個概念，是“幾何體”的意思，它支持點、線、多邊形等幾何類型（如點類型POINT（1 1）、線類型LINESTRING（1 1，2 2，3 4））。表2中管線類型表示該管線是屬于哪類管線，其取值范圍有給水、電信、電力、排水、熱力、燃?xì)?、工業(yè)等＼[5＼]；管徑字段表示管道半徑；管線條數(shù)字段僅用于電纜類管線；管線高程字段表示管線底部的高程；流向字段的0表示載體的流向從起點到止點，1表示載體的流向從止點到起點；結(jié)構(gòu)類型字段取值范圍有圓管、直埋電纜、管塊、方溝、套管、管組等。

2管線數(shù)據(jù)二維可視化

PostgreSQL是一個自由的對象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，具有許多優(yōu)點：它包括了豐富的數(shù)據(jù)類型支持，其中有些數(shù)據(jù)庫類型支持在商業(yè)數(shù)據(jù)庫中都不具備，比如IP類型；它是全功能的自由軟件數(shù)據(jù)庫，很長時間以來，它是唯一支持事務(wù)、子查詢、多版本并行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)完整性檢查等特性的一種自由軟件的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；它擁有一支非?；钴S的開發(fā)隊伍＼[6＼]；其版本更新比較穩(wěn)定，而且每發(fā)布一個新版本都會有功能的提升。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫與一般的數(shù)據(jù)庫功能并無不同，然而在其中配置了許多開源GIS所支持的PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎后，它就具有了其它開源數(shù)據(jù)庫不能替代的優(yōu)點，這時它包含了更加豐富的數(shù)據(jù)類型支持，比如Geometry空間數(shù)據(jù)類型就是在配置了PostGIS后才在數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生。因此，PostgreSQL數(shù)據(jù)庫絕對是開源GIS項目開發(fā)者的首選數(shù)據(jù)庫引擎。

GRASS的v.in.db模塊功能是將數(shù)據(jù)庫中帶有空間信息的數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換成一幅矢量地圖，然而它每次只能將一個數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換成一幅矢量圖，因此需進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換并且會產(chǎn)生管線點和管線兩幅矢量圖。以下是運用該模塊快速實現(xiàn)二維管線數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵代碼：

v.in.db table=P_pipe key=P_ID x=east y=north z=quota out=pointofpipe

v.in.db table=L_pipe key=L_ID x=east y=north z=quota out=lineofpipe //轉(zhuǎn)換管點和管線信息表為兩幅矢量圖

v.overlay ainput=pointofpipe binput=lineofpipe out=pipemap_2D operator=or //合并兩幅矢量圖

d.vect pipemap_2D //顯示地圖

為了避免繁瑣的轉(zhuǎn)換讀取步驟，也可以用QGIS界面管理器手動連接數(shù)據(jù)庫并直接打開圖層，簡易二維管線布局如圖2所示。

圖2二維管線布局

3管線設(shè)施三維建模

盡管目前的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）可以存儲三維坐標(biāo)，但是它還是不能支持真正的三維實體＼[7＼]。而且與常見的地形圖不同，常見地形圖的三維可視化可直接利用點數(shù)據(jù)加上DEM高程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，然而地下管線具有一定的規(guī)則性，它不能簡單地通過高程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。因此，管線設(shè)施的三維建模需要借助第三方三維建模軟件，此處采用的是AutoCAD工程制圖軟件。AutoCAD具有良好的用戶界面和廣泛的適用性，可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行，尤其是它所具有的dxf格式圖形和dgn格式圖形可以在絕大多數(shù)GIS軟件上讀入或輸出＼[8＼]。盡管dgn格式圖形在使用上并不廣泛，但是作為一種空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式和一種開放的矢量格式，在處理建筑、橋梁等許多大型工程的圖形上其實用性比其它格式圖形要好。

在管線三維建模過程中以下幾個細(xì)節(jié)至關(guān)重要：

（1）城市地下管線共分為給水、排水、燃?xì)?、熱力、工業(yè)、電力和電纜七大類，其中前五種屬于地下管道，后兩種屬于地下電纜，不同用途的管線占據(jù)不同的土層，不同的管線層之間不存在相交關(guān)系，為了防止某層管線破裂而影響到其它管線層，每層之間的間隔厚度要足夠大。具體分層如圖3所示。

（2）在地下管網(wǎng)中，分布著管道的三通接點、彎管接點，由于不同管線的特點及載體都不相同，因而在建模時這些接點的設(shè)計要視具體情況而定。地下管道一般都是硬管，不能彎折，其三通接點和彎管接點設(shè)計如圖4、圖5所示。

圖3管線分層圖圖4硬管三通接點

對于像電力電纜和電信電纜這樣的軟管，它們顯然可以彎折，因此不存在三通接點，只有彎管接點，在彎折處的管線應(yīng)該是圓滑的＼[9＼]，其模型設(shè)計如圖6所示。

圖5硬管彎管接點圖6軟管彎管接點

4管線三維可視化

GRASS具有v.in.dxf模塊，該模塊可以將AutoCAD的dxf格式文件快速轉(zhuǎn)換成GRASS特有的矢量圖。但實驗表明，該模塊在轉(zhuǎn)換過程中會丟失部分圖層信息，造成圖形嚴(yán)重失真。GDAL/OGR是一個開源柵格和矢量空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫，其中OGR提供對許多矢量數(shù)據(jù)格式（如Shapefile、dgn、odbc等）的讀寫支持＼[10＼]，GRASS具有一個v.in.ogr模塊支持多種矢量數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。實驗表明，v.in.ogr模塊可以很好地將AutoCAD的dgn格式圖形轉(zhuǎn)換成其特有的矢量格式，并且轉(zhuǎn)換速度快、圖層信息基本都沒有丟失。

GRASS的NVIZ三維可視化模塊是由模塊SG3D發(fā)展而來的一個工具，用于顯示三維柵格、矢量或站點，同時也能進(jìn)行3D查詢和創(chuàng)建動畫。因此，用v.in.ogr模塊和nviz模塊相結(jié)合的方式來實現(xiàn)管線三維可視化的目的。以下是利用該方法實現(xiàn)管線三維數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵代碼：

v.in.ogr -z input=pipemap.dgn output=pipemap_3D //矢量方式導(dǎo)入dgn格式地圖

g.region vect=pipemap_3D -p //根據(jù)矢量圖自動調(diào)整合適分辨率

nviz vect=pipemap_3D //NVIZ三維模塊顯示管線圖

利用GRASS的NVIZ三維顯示模塊，得到如圖7所示的三維管線效果圖。

5結(jié)語

在利用GRASS對數(shù)據(jù)庫中空間數(shù)據(jù)的直接調(diào)用實現(xiàn)管線二維可視化的同時，通過AutoCAD進(jìn)行三維管線建模，利用GRASS的OGR矢量模塊導(dǎo)入模型并用NVIZ三維模塊顯示該模型，是解決基于GRASS實現(xiàn)管線二三維可視化的有效方法。該方法不僅可以充分運用AutoCAD的三維制圖功能快速制作三維管線圖，還為GIS二次開發(fā)者應(yīng)用開源GIS來開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的二三維信息管理系統(tǒng)提供了可信的實驗依據(jù)。

由于尚處于研究階段，目前只實現(xiàn)了開源GIS針對專題數(shù)據(jù)的二三維顯示，然而地下管線數(shù)據(jù)集應(yīng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（地面建筑物、道路、附屬設(shè)施等）和專題數(shù)據(jù)。因此，在專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并且全面構(gòu)建基于開源GIS的地下管線信息化管理系統(tǒng)來實現(xiàn)二、三維聯(lián)動顯示功能是后續(xù)研究的重點。

圖7GRASS三維管線效果

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）