基于Skyline的三維地下管線系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：以石家莊市為例，采用B/S架構(gòu)，以Skyline為開發(fā)平臺，c# 為開發(fā)語言，構(gòu)建了三維數(shù)字城市的地下管道系統(tǒng)，通過3DMAX三維仿真技術(shù)、GIS技術(shù)以的有效集成，實現(xiàn)了數(shù)字城市里地下三維管線生成的新模式。結(jié)果表明：系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)管理查詢、管線自動生成、下水管口定位等多種空間輔助決策功能，具有較好的可行性和實用性，但由于系統(tǒng)較復(fù)雜，需要在實際應(yīng)用中不斷地改進和完善.

關(guān)鍵詞：3DGIS；Skyline；3DMAX

引言

城市化的快速發(fā)展，給城市管理者帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，中國的城市化發(fā)展是社會發(fā)展的必然結(jié)果，具有不可扭轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。但是城市化導(dǎo)致環(huán)境空間和資源分配的矛盾也越來越尖銳，一些城市管理本身的問題也隨之凸顯。

本文采取由三維城市化理論到實踐的研究思路，首先對3DGIS理論、三維建模技術(shù)進行了研究探討，提出城市三維地理信息系統(tǒng)的技術(shù)路線，并開發(fā)一套基于Skyline的城市三維地理信息系統(tǒng)。

1 3DGIS理論、三維建模技術(shù)探討

1.1 3DGIS理論

二維GIS一般情況是將實際的三維事物以二維平面圖的方式表示，在表達空間信息上具有一定的局限性，這導(dǎo)致它在處理空間數(shù)據(jù)尤其是多維空間數(shù)據(jù)時存在缺陷。[1]因此，用三維GIS的表達方法去表示和處理現(xiàn)實世界中三維對象和空間數(shù)據(jù)，既可以突破常規(guī)二維表示形式的不足，也可以包容幾乎所有豐富的空間信息。[2]

近期，三維GIS有很快的發(fā)展動力，其中新興技術(shù)的快速發(fā)展和三維空間信息需求是其發(fā)展的兩個驅(qū)動因素。[3]

1.2 三維建模技術(shù)

本文采用CAD、3DMAX和Photoshop等軟件協(xié)作進行三維建模軟件景觀構(gòu)建。制作流程為：CAD中進行對地物進行簡化、刪減，建立二維模型——3DMAX中制作模型主體——3DMAX中進行模型紋理貼圖——模型以.X格式導(dǎo)出——模型導(dǎo)入到TerraExplorer Pro中，其中模型紋理的貼圖是通過Photoshop對戶外照片進行處理所得。

2 系統(tǒng)的主要功能

本系統(tǒng)采用Windows XP SP3，運用C#語言在Visual Studio 2005平臺上對ArcGIS Engine9.3及Skyline Globe 6進行二次開發(fā)。系統(tǒng)集成了二三維瀏覽、創(chuàng)建、分析和查詢四大功能，有利于對城市信息進行多層次、多視角的三維顯示，為城市管理者提供了適合管理者管理的城市三維地理信息。系統(tǒng)的主要功能如下：

2.1 文件的管理

①文件：對于fly三維場景文件的打開、保存和另存為。②選擇：支持單選和框選，包括選擇空間信息、選擇屬性和選擇區(qū)域；③編輯：對于地物的編輯，包括粘貼、復(fù)制、剪切和刪除；通過對地物信息框內(nèi)各屬性的設(shè)置，可改變地物的名稱、位置、高度、角度、透明度、線條及填充顏色、縮放比例等。

2.2 工程信息

①工程設(shè)置：對于工程的設(shè)置，包括三維場景、光照的顯示、時間的顯示。②地形設(shè)置：包括隱藏地形、地下模式、地形修改、地形透視和地形透明度設(shè)置。地形是指TerraBuilder生成的mpt文件，就是地表的三維模擬。③顯示模式：對于二三維地圖窗口的管理，可設(shè)置二維窗口單獨顯示或者三維窗口獨立顯示，或者二三維窗口同時顯示，并可控制是否處于聯(lián)動狀態(tài)。

2.3 視圖

①窗口布局：對于三維地圖窗口的設(shè)置，包括常規(guī)、最大化和全屏設(shè)置，以及對信息樹窗口和導(dǎo)航地圖窗口的勾選設(shè)置。②窗口部件：包括導(dǎo)航控制、中心點、狀態(tài)欄、時間控制、范圍控制和地理控制的勾選設(shè)置。窗口部件顯示三維窗口內(nèi)的比例尺、中心點的信息、有助于窗口內(nèi)的漫游和對場景從整體上的把握。③環(huán)境效果：水流和空中的云顯示設(shè)置有助于場景的逼真顯示。

2.4 創(chuàng)建

①二維圖形的創(chuàng)建：包括標(biāo)簽、圖片、線、面、幾各種二維圖形。②三維地物的創(chuàng)建：包括三維模型、建筑物和三維圖形。③管線的生成：可手動輸入各項參數(shù)生成一段管段，也可從Excel表中或者數(shù)據(jù)庫中讀取管線屬性表自動生成管線。

2.5 分析

①測量：包括垂直距離、水平距離、空間距離和面積的量算。②地形分析：最佳路徑分析、地形剖面、淹沒分析、等高線生成和坡率生成。③視線分析：包括通視分析、視域分析和威脅半球分析。④陰影分析：在顯示光照的前提下進行陰影分析。

2.6 導(dǎo)入及工具

①三維模型的導(dǎo)入：對Skyline支持的三維模型的導(dǎo)入。②二維文件：包括標(biāo)準(zhǔn)的GIS文件，比如shp文件、影像、DEM以及圖片。③工具：包括抓屏、地形提取、XPC、XPL文件制作等功能。

3 成果展示

這一部分是整個系統(tǒng)的具體體現(xiàn)，詳細介紹了實現(xiàn)的功能與效果。利用c# 作為開發(fā)的基礎(chǔ)語言，Skyline作為系統(tǒng)二次開發(fā)的平臺，初步實現(xiàn)了三維基本操作、信息查詢、三維漫游、專題信息的三維可視化管理等功能。

3.1 創(chuàng)建地下管線

創(chuàng)建三維地下管線的傳統(tǒng)方法是在模型制作軟件例如3dmax中根據(jù)管線的屬性信息制作成三維管線模型，再導(dǎo)入到三維城市場景中，該方式過程繁瑣，效率地下，更重要的是需要將三維模型手動導(dǎo)入到場景中，因此管線的位置會出現(xiàn)偏差，精度得不到保證。

而該功能模塊解決了這一問題，通過管線的坐標(biāo)值等屬性信息在三維場景中生成管線數(shù)據(jù)模型，能夠快速、準(zhǔn)確的創(chuàng)建地下管線。該功能的設(shè)計是本論文重點和難點也是創(chuàng)新點。

該功能模塊主要有以下幾個特點：

（1）內(nèi)部生成：是在三維場景內(nèi)部生成地下管線，避免了外部導(dǎo)入模型放置時出現(xiàn)的位置偏差等問題。

（2）精度高：是以管線的起止點坐標(biāo)值等屬性信息為基礎(chǔ)生成管線模型，所以管線模型的位置極為精準(zhǔn)。

（3）效率高：避免了傳統(tǒng)方式中的多軟件協(xié)作的制作模式，只需設(shè)置管線的常規(guī)屬性即可批量生成。

3.1.1 地下管線概況

城市地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，觸及城市的各個角落，與人民生活息息相關(guān)，是城市賴以生存和發(fā)展生命線[4]。城市地下管線具有規(guī)模大、范圍廣、管線種類繁多、空間分布復(fù)雜、變化大、增長速度快和形成時間長等特點，如圖1所示。

城市地下管線可以分為排水、給水、工業(yè)、電力、煤氣、熱力、電信和有線電視8大類。每種管線還可以按照其用途的不同或者傳輸?shù)奈镔|(zhì)的不同再次分類，例如，排水系統(tǒng)可以分為雨水、污水和雨污合流等。城市管線的結(jié)構(gòu)基本是一致的，都由管點、管線及附屬設(shè)施三部分組成。每條管線又可以分為若干條管線段，而管線段是兩個管點之間的連接管的通稱。管點的基本幾何結(jié)構(gòu)可以分為以下幾類：管線分支點、管線交叉點、管線轉(zhuǎn)折點、管徑變化點、管線埋深變化點、附屬設(shè)施中心點等。[5]

3.1.2 功能設(shè)計思路

地下三維管網(wǎng)可以簡化為按照一定規(guī)則排列的三維管段的集合，其基本組成單元是三維管段即圓柱體。而TerraExplorer pro中object菜單下的create pipe 功能可以創(chuàng)建圓柱體，并可以編輯圓柱體的常規(guī)屬性，因此可調(diào)用TerraExplorer API中能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的接口，通過程序來自動創(chuàng)建圓柱體。

在用程序生成圓柱體的過程中，設(shè)定圓柱體的屬性就成為該模塊設(shè)計的主要內(nèi)容，而其中的關(guān)鍵就是精確的定位圓柱體的空間位置。

可以先根據(jù)管段的起點或者止點空間坐標(biāo)，包括x、y、z方向上的坐標(biāo)，確定圓柱體一端的空間位置，再根據(jù)起止點的空間坐標(biāo)計算出圓柱體偏航Y(jié)aw、斜度Pitch和旋轉(zhuǎn)Roll的角度即可。

三維管線的基本屬性包括起止點的x、y、z方向上的坐標(biāo)、管徑、透明度、截面多邊形面數(shù)、線條顏色、填充顏色、管線名稱等。

3.1.3 功能實現(xiàn)

將三維管段的空間坐標(biāo)信息以記錄的形式儲存于數(shù)據(jù)庫表中，每條記錄都與管段一一對應(yīng)。使該功能模塊能夠逐記錄進行讀取，每讀取一條記錄就生成一段圓柱體。主要過程如下：（1）連接數(shù)據(jù)庫，確定所要生成的管線屬性所在的表；（2）讀取相應(yīng)記錄的起止點的x、y、z方向上的坐標(biāo)、管徑、透明度、截面多邊形面數(shù)、線條顏色、填充顏色、管線名稱等字段值；（3）根據(jù)屬性信息，利用object菜單下的create pipe方法逐個生成管段：

3.2 二三維聯(lián)動

三維GIS是從二維GIS發(fā)展而來的，側(cè)重于三維可視化和虛擬漫游，也具有對三維模型進行創(chuàng)建、管理的能力，但分析功能還比較弱，局限于體積測量、三維建模、紋理貼圖、模擬飛行、視角判斷等簡單的分析功能。二維GIS具有很強的分析能力，例如路徑分析、緩沖分析、空間索查詢、平面測量、渲染分析等，但是它缺乏有效的三維空間表達能力。所以如何在同一框架體系下將二維GIS與三維GIS進行集成并實現(xiàn)聯(lián)動，使兩者優(yōu)勢互補，最大程度地發(fā)揮系統(tǒng)功能成為一個急需解決的問題，[6]如圖2所示。

3.2.1 ArcGIS Engine介紹

ArcGIS Engine是ESRI在推出ArcGIS9.0時推出的基于COM（組建對象模型）技術(shù)的GIS控件，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到ArcGIS Engine10。ArcGIS Engine是一組完備的并將ArcObjects打包嵌入式的GIS組件庫和工具庫，是開發(fā)人員用于建立自定義應(yīng)用程序。ArcGIS Engine Developer Components包含了進行快速開發(fā)所需的全部可視化控件，如MapControl、PageLayoutControl、ToolbarControl等控件，從而提高開發(fā)效率。[7]

3.2.2 功能設(shè)計思路

本功能模塊采用“一聯(lián)兩線”的設(shè)計思路，其中“一聯(lián)”是指一個主要關(guān)聯(lián)，通過地理坐標(biāo)的關(guān)聯(lián)作用來實現(xiàn)二三維GIS的通信，“兩線”即兩條（二維GIS、三維GIS）獨立的技術(shù)開發(fā)路線。[8]

當(dāng)三維窗口經(jīng)過平移、縮放、旋轉(zhuǎn)和滑動后，二維窗口將展現(xiàn)同一范圍內(nèi)的的二維圖層。同樣的，當(dāng)二維窗口的場景經(jīng)過放大、縮小和平移后，三維窗口將展現(xiàn)同一區(qū)域內(nèi)的的三維景觀，這樣，用戶在使用系統(tǒng)時可從同時從二維和三維兩個不同的角度進行觀察和分析。

3.2.3 功能實現(xiàn)

由二維聯(lián)動三維的實現(xiàn)過程為：通過ArcGIS Engine的axMapControl中屬性Extent可以得到當(dāng)前二維窗口四個角的地理坐標(biāo)，進而可求出窗口的中心點，例如點A（X，Y）。通過TerraExplorer Pro的TerraExplorerX.Navigate接口的JumpTo方法可以將三維窗口的中心點移到A點，即可實現(xiàn)二維聯(lián)動三維。主要代碼如下：

4 結(jié)束語

GIS是一門交叉性學(xué)科，本研究開發(fā)一套基于Skyline軟件的城市三維地理信息系統(tǒng)，涉及到眾多相關(guān)的研究領(lǐng)域和很多相關(guān)技術(shù)，本文闡述了城市三維地理信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，有利于幫助城市管理者處理城市環(huán)境空間和資源分配矛盾的問題。并對3DGIS技術(shù)從理論到三維建模的應(yīng)用進行了介紹。重點介紹了系統(tǒng)的主要功能，包括地下管線創(chuàng)建和二三維聯(lián)動功能模塊的設(shè)計思路及開發(fā)實現(xiàn)。城市三維地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)是一個艱難和長期的過程，系統(tǒng)的功能還不夠完善，幾項重要的功能也不甚成熟，還要在多方面進行完善、研究。具體有以下幾個方面：（1）在地下管線生成模塊中，還只能生成圓柱型的管線，對于管線的其他截面類型比如矩形就無法實現(xiàn)。（2）在二三維聯(lián)動模塊中，目前只能實現(xiàn)二三維地圖窗口的視圖聯(lián)動，還不能實現(xiàn)空間分析上的聯(lián)動。（3）目前，系統(tǒng)架構(gòu)較為流行的是B/S （Browser/Server）模式。本系統(tǒng)是采用單機版模式，需要進行升級。

參考文獻

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