張魯剛　王叢聰　劉軒朋

(1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東濟南　250101；2.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京　101300)

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城市地下管線三維應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張魯剛1王叢聰1劉軒朋2

(1.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東濟南250101；2.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京101300)

介紹某城市地下管線三維應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用成熟的Skyline平臺，利用自主研發(fā)的自動建模技術(shù)，實現(xiàn)地下管線信息的自動化建模。該系統(tǒng)具有三維展示、查詢統(tǒng)計、開挖分析、碰撞分析等功能，可為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理決策提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

管網(wǎng)自動化建模規(guī)劃決策共享服務(wù)緩存技術(shù)

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，城市地下空間的規(guī)劃利用變得越來越重要，作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的地下管線也越來越龐大、密集，其種類也越來越復(fù)雜。為了充分了解地下管線的分布走向，摸清地下管線的現(xiàn)有狀況，某市城建檔案和地下管線管理處建設(shè)了一套完善規(guī)范的地下管線信息綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了地下管線動態(tài)管理、監(jiān)控、監(jiān)測、安全預(yù)報預(yù)警，滿足政府部門、管線權(quán)屬單位和社會的在線應(yīng)用需求。其中的地下管線三維綜合應(yīng)用系統(tǒng)采用成熟的Skyline平臺，利用自主研發(fā)的管線自動建模技術(shù)，可實現(xiàn)地下管線信息的自動化建模，并且實現(xiàn)了三維展示、查詢統(tǒng)計、開挖分析、碰撞分析等功能，可為城市的規(guī)劃、建設(shè)與管理決策提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文主要針對地下管線三維綜合應(yīng)用系統(tǒng)搭建和整體架構(gòu)進行研究和闡述。

1　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1共享服務(wù)技術(shù)

系統(tǒng)支持調(diào)取基于OGC標(biāo)準的數(shù)據(jù)服務(wù)，支持WMS服務(wù)、WMTS服務(wù)和ArcGIS矢量的REST服務(wù)。WMS服務(wù)用于加載到windows應(yīng)用系統(tǒng)，WMTS服務(wù)用于加載WEB系統(tǒng)，ArcGIS的矢量REST服務(wù)用于加載到WEB系統(tǒng)，實現(xiàn)查詢分析。三維應(yīng)用子系統(tǒng)中的建筑物模型直接調(diào)取國土局發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)資源共享共用。

1.2管網(wǎng)自動化建模技術(shù)

管線探測的結(jié)果或者竣工資料大多是二維矢量線數(shù)據(jù)，管線數(shù)據(jù)分圓形管件、方形管件；管點數(shù)據(jù)包括三通、彎頭、各類附屬物等，如何將這些資料信息在三維系統(tǒng)中進行展示而不需要人工干預(yù)，成為三維展示的關(guān)鍵技術(shù)。

1.3海量數(shù)據(jù)的分級壓縮技術(shù)

采取金字塔數(shù)據(jù)分級壓縮存儲策略，通過對瀏覽層次的優(yōu)選，大大加快了三維數(shù)據(jù)的瀏覽速度。另一方面，平臺將三維模型數(shù)據(jù)壓縮，達到更快速的網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而實現(xiàn)在線實時瀏覽精細三維模型的真實場景。

1.4三維場景的動態(tài)加載技術(shù)

城市三維模型具有數(shù)據(jù)類型豐富、數(shù)據(jù)量大等特點，通過對三維場景及模型數(shù)據(jù)分類建立空間索引，可提高場景及模型的瀏覽速度。在當(dāng)前瀏覽視口，根據(jù)瀏覽飛行的速度、高度等參數(shù)，由整體到局部、由近及遠、由大到小地加載數(shù)據(jù)，在確保瀏覽速度的同時，保證用戶感興趣的信息不會丟失。

1.5三維數(shù)據(jù)的多級緩存技術(shù)

與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不同，三維GIS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)伴隨著海量的空間數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，其包含的數(shù)據(jù)類型有影像、矢量、模型、多媒體等。緩存技術(shù)的應(yīng)用能有效提高各種請求的處理效率。平臺中不但對二維矢量數(shù)據(jù)采用了緩存處理，對三維場景、三維模型也采用了緩存技術(shù)，有效地解決了大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題。

2　模型構(gòu)建技術(shù)路線

在綜合分析國內(nèi)外“數(shù)字城市”建設(shè)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況，該項目在建設(shè)過程中大膽使用了新技術(shù)、新方法，除了地下管線進行三維展示之外，對于地上模型制定了如圖1所示的模型構(gòu)建技術(shù)路線。

圖4　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1　城市地下管線三維系統(tǒng)地上模型構(gòu)建技術(shù)路線

3　三維場景搭建

整個系統(tǒng)建模包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，紋理數(shù)據(jù)的獲取，模型的制作、檢查和成果提交(如圖2所示)。

圖2　建模流程

4　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

4.1設(shè)計原則

本系統(tǒng)的建設(shè)遵循實用性、先進性、高安全性、開放性、完備性和可擴展性等原則，建設(shè)標(biāo)準上遵循國家信息化建設(shè)有關(guān)標(biāo)準要求。

4.2總體架構(gòu)

圖3　系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)遵循四層架構(gòu)體系(如圖3所示)，包括底層支撐、數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層四個不同的層次，層次邏輯層又包括GIS服務(wù)層、系統(tǒng)功能層。三維平臺采用Skyline平臺。

4.3網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)分內(nèi)網(wǎng)和專網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

5　系統(tǒng)功能設(shè)計

三維應(yīng)用子系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，可實現(xiàn)平臺相關(guān)數(shù)據(jù)的一體化管理，主要涉及的數(shù)據(jù)種類包括：管線數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)統(tǒng)一存放在服務(wù)器端，用戶在客戶端對數(shù)據(jù)進行管理，其管理權(quán)限由共享服務(wù)子系統(tǒng)根據(jù)用戶統(tǒng)一分配(如圖5)。

圖5　C/S架構(gòu)

5.1三維瀏覽

三維瀏覽模塊包括漫游、滑行、環(huán)繞飛行、二三維聯(lián)動、地下模式等功能，主要從地上、地下，全方位，多角度地觀察三維場景，二三維聯(lián)動可以更好地實現(xiàn)二三維一體化的管理管線數(shù)據(jù)(如圖6、圖7所示)。

圖6　二三維聯(lián)動效果

圖7　開挖后地下管線效果

5.2三維查詢

三維查詢主要包括點擊查詢、綜合條件查詢和各類圖形查詢，可實現(xiàn)圖形、屬性互查，并能定位查詢到的某一條記錄，顯示其詳細屬性信息。點擊查詢中若點擊的物體為地上建筑物，則顯示該建筑物的城建檔案信息，包括圖片、視頻、文檔等資料，若點擊的物體為地下管線，則顯示該管線的詳細信息并定位到該管線(如圖8、圖9所示)。

圖8　城建檔案信息查詢

圖9　管線屬性查詢

5.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)統(tǒng)計包括對全庫或者區(qū)域范圍內(nèi)管線長度、管點數(shù)據(jù)統(tǒng)計及設(shè)置特定條件的統(tǒng)計，可以輸出表格，也可以輸出各類柱狀圖、餅狀圖等圖形，全面存儲展示數(shù)據(jù)。

5.4空間分析

空間分析包括碰撞分析、開挖分析，其他空間分析有斷面分析、覆土分析、爆管分析、追蹤分析、緩沖分析、排水流向分析等專業(yè)分析，可以在三維場景中對地下管線進行全方位的分析，直觀展示管線的各類指標(biāo)數(shù)據(jù)是否符合國家標(biāo)準規(guī)范，更真實、直觀、可見。

5.5空間量算

空間量算主要包括長度測量、面積測量，可以進行水平距離、垂直距離、空間距離的測量，也可以對起伏的地形，垂直的建筑物面進行面積、周長等測量，測量結(jié)果直觀展示在三維場景中，用以輔助領(lǐng)導(dǎo)決策。

5.6規(guī)劃設(shè)計

規(guī)劃設(shè)計模塊主要包括規(guī)劃設(shè)計文件的加載、智能排管、屬性標(biāo)注、快照導(dǎo)出等功能，可以將規(guī)劃設(shè)計好的管線數(shù)據(jù)，以三維方式展示在三維場景中，并對其進行規(guī)劃分析，分析其與周圍管線的關(guān)系是否符合規(guī)范，若不符合規(guī)范，可以手動在場景中調(diào)整，直到合格后保存進規(guī)劃數(shù)據(jù)庫中，作為可行的規(guī)劃方案進行上報備案。

5.7系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置是為系統(tǒng)服務(wù)的模塊，包括圖層字段配置、模型配置、主題配置、日志管理、幫助文檔等內(nèi)容，為用戶制定個性化的界面模式。用戶可以自己制作模型，加入到三維系統(tǒng)中展示，只需在模型配置中進行相應(yīng)的設(shè)置即可。

6　道路開挖實現(xiàn)思路

以沿道路開挖功能為例，本功能主要實現(xiàn)用戶繪制某條道路中心線后，系統(tǒng)自動計算沿道路中心線拓寬特定寬度后，開挖道路的情景。該功能的關(guān)鍵代碼實現(xiàn)思路如下：

圖10　三個點往右拓寬r寬度

圖11　右側(cè)道路拓寬r寬度后效果

根據(jù)已知的三個點和寬度，利用skyline提供的方法(GetAimingAngles)計算兩條線的角度值：

angleYaw1=SGWorld.CoordServices.Get Aiming Angles(p1，p);

angleYaw2=SGWorld.CoordServices.GetAimingAngles(p，p2);

然后根據(jù)余弦定理計算P點應(yīng)該拓寬的長度和角度值：

Alpha=Math.Abs(angleYaw1.Yaw - angleYaw2.Yaw) / 2;

PP’=r / Math.Cos(Alpha * Math.PI / 180);

根據(jù)計算出的兩個夾角關(guān)系進行判斷和計算：

if ((angleYaw1.Yaw - angleYaw2.Yaw) < 0)

{

p.Yaw=angleYaw2.Yaw-Alpha;

}

else

{

p.Yaw=angleYaw1.Yaw-Alpha;

}

最后，利用skyline提供的接口MoveCoordEx方法，將點移動到相應(yīng)的位置上：

SGWorld.CoordServices.MoveCoordEx(ref shiftedVert[i]， 0， PP’， 0);

其中：IPosition61[] shiftedVert=newIPosition61[NumPoints]為點集合。

最后實現(xiàn)的效果如圖12所示。

圖12　繪制開挖的道路中心線后開挖效果

[1]楊志剛，王丹丹，馬運成. 三維城市地下管線信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].成都大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，28(4):346-349

[2]朱慰明，馮竹平，曹桂海，等.淺談城市地下管線三維可視化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2012(15)

[3]蔣世峰，楊槐，喬志勇，等.三維地下空間管理系統(tǒng)建設(shè)及其應(yīng)用[J].測繪通報，2013(S2):1-4

[4]張磊.三維GIS在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2011(25)

[5]梁劍芳，許大璐，洪安龍.基于Skyline的三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的實踐[J].數(shù)字國土，2009(3):49-50

[6]許有田，趙建軍，滕大強，等.西安市三維模型建設(shè)規(guī)范[R].西安：西安市勘察測繪院，西安市地理信息中心，2010

[7]北京東方道邇有限公司.“數(shù)字城市”建設(shè)技術(shù)方案[R].北京：東方道邇有限公司，2010

[8]北京東方道邇有限公司GIS事業(yè)部.基于Skyline的三維模型工程流程[R].北京：東方道邇有限公司GIS事業(yè)部，2010

[9]申海鵬，張義文，孫世凱.基于Skyline的三維地下管線系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(4)：42-47

[10]胡曉明，孫東明，黃孝艷，等.基于skyline的三維GIS系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)——以重慶師范大學(xué)為例[J]. 現(xiàn)代城市，2012(2):15-18

[11]梁劍芳，許大璐，洪安龍.基于Skyline的三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的實踐[J].浙江國土資源，2009(3):49-50

The 3D Application System Design And Implementation of Underground Pipeline In Zibo City

ZHANG Lugang1WANG Congcong1LIU Xuanpeng2

2016-05-24

張魯剛(1987—)，男，2010年畢業(yè)于山東師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，助理工程師。

1672-7479(2016)04-0020-04

P208； TU990.3

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