三維在線市政管線管理審批系統(tǒng)開發(fā)

危 威，周京春，朱蘭艷

（1．昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明650093；2．武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；3．昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南 昆明650041）

城市地下管線承擔著整個城市的能源供給、信息傳輸、污水和廢水排放等工作，對城市的生存和發(fā)展提供基礎保障，是城市的“生命線”。在地下管線管理和審批工作中存在著管線種類繁多、管理任務復雜、分析統(tǒng)計工作量大、報批精度低、效率差等問題，并且各大城市的管線系統(tǒng)多為二維系統(tǒng)，難以直觀地描述和表達各管線之間、管線與周邊地物之間的空間位置關系?；谶@種情況，建立一個能輔助管線工程設計規(guī)劃、報建審批、批后管理的三維在線市政管線審批系統(tǒng)十分必要。

對于管線管理信息系統(tǒng)來講，目前國內(nèi)外普遍采用GIS技術、仿真技術，通過建立數(shù)學模型進行管線的模擬現(xiàn)實和分析處理，國內(nèi)外也有3DGIS的軟件產(chǎn)品，例如Skyline，Virtual Earth，Arc Globe，EV－Globe，Geo Globe，VRMap，An Geo，World Wind等，各軟件有其自身的優(yōu)點和局限性。此外三維管線建模具有數(shù)據(jù)量大、精細化表達困難、計算復雜等特點。綜合以上難點，本文結合昆明市管線工程輔助規(guī)劃審批系統(tǒng)的建設實踐，把多種創(chuàng)新、先進、成熟、適用的關鍵技術集成在系統(tǒng)中，建立一個通用的三維在線市政管線管理審批系統(tǒng)，以提高市政管線規(guī)劃管理的現(xiàn)代化水平。

1 系統(tǒng)設計

1．1 系統(tǒng)運行環(huán)境設計

根據(jù)昆明市市政管線的電子報批工作以及管線管理的需要，本系統(tǒng)建立基于 Web，具有查詢定位、三維測量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、輔助交通與管線工程的規(guī)劃審批功能（報件案卷版本管理、審批意見紅線批注、輔助審批的分析功能等）以及輔助交通與管線工程批后管理功能（竣工的現(xiàn)狀工程與規(guī)劃條件的比較分析、報表圖件輸出傳遞等）的平臺。本系統(tǒng)軟件主要選用 Windows Server 2003／2008操作系統(tǒng)、Oracle 11g數(shù)據(jù)庫服務器、ESRIArc SDE 10．1空間數(shù)據(jù)庫引擎以及An Geo UNISCOPE三維系統(tǒng)模型平臺，并將Arc GIS Ser ver 10．1、IIS作為 Web服務器，同時應用管網(wǎng)三維精細化建模技術、海量三維模型數(shù)據(jù)可視化技術和SOA等技術進行研發(fā)，實現(xiàn)輔助地下管線工程規(guī)劃審批與管理的高效的工作流程和工作環(huán)境。

1．2 系統(tǒng)總體技術架構

系統(tǒng)在技術上堅持數(shù)據(jù)、管理、服務與應用相分離的架構原則，是一個基于網(wǎng)絡的三維地理信息應用系統(tǒng)。系統(tǒng)在技術架構的設計上分為4層結構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體技術架構

1）數(shù)據(jù)層：為系統(tǒng)提供基本的數(shù)據(jù)服務，數(shù)據(jù)來源于不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務器，包含元數(shù)據(jù)、基本地形圖數(shù)據(jù)、DEM、DOM、地下管線空間數(shù)據(jù)、道路紅線數(shù)據(jù)、規(guī)劃管理所必需的各種數(shù)據(jù)、3D地面地物和管線設施模型數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等。

2）業(yè)務邏輯層：它處于數(shù)據(jù)層與應用服務層之間，起到數(shù)據(jù)交換中承上啟下的作用，采用COM，Web Ser vices等技術完成各種業(yè)務功能封裝。

3）應用服務層：此層部署Internet Infor mation Ser vices，簡稱IIS，是一個 Worl d Wide Web服務器，此層的主要作用是將業(yè)務邏輯層建立的各種業(yè)務組件、數(shù)據(jù)、Web Services、圖文報表等發(fā)布為網(wǎng)頁，供表示層展現(xiàn)給用戶。

4）應用表示層：為最終用戶，包括各管線權屬單位、規(guī)劃局、建設局、數(shù)字城市中其他各類使用者，提供數(shù)據(jù)和信息的正確語法表示變換方法，采用Silver light技術、AJAX技術提供優(yōu)秀的用戶體驗，通過Web瀏覽器以二、三維聯(lián)動的展現(xiàn)方式來訪問各種數(shù)據(jù)，進行查詢、統(tǒng)計、分析等工作。

1．3 系統(tǒng)功能設計

本文設計實現(xiàn)了二、三維連動功能模塊、查詢定位功能模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能模塊、輔助規(guī)劃功能模塊和輔助批后管理功能模塊等，來實現(xiàn)管線的科學管理與分析，具體如圖2所示。

圖2 功能模塊設計

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

2．1 管網(wǎng)三維精細化建模技術

本系統(tǒng)中地面模型建模是基于地圖、圖像、點云，采用3D Max軟件綜合建模；管線3 D模型與地面地物模型相比，有一個重要的不同點就是管件具有幾何規(guī)則性、規(guī)格多樣性的特點，無法建立標準的靜態(tài)模型庫進行匹配，所以管線模型建模，根據(jù)管網(wǎng)的施工特性，按照管件的形狀規(guī)則性、位置特征、尺寸結構和拓撲連接關系，形成由屬性數(shù)據(jù)驅(qū)動的四類3D模型構建技術和對應的管網(wǎng)實體模型，分別為抽象化的不規(guī)則形體的管點實體模型、尺寸結構屬性驅(qū)動的管點實體模型、拓撲連接關系驅(qū)動的管點實體模型和管段實體模型。創(chuàng)新應用結合布爾并集運算的掃描＋網(wǎng)格（Sweep＋Mesh）造型法，即將一條管線看作是整張連續(xù)的曲面，而不必對管線表面做拼接處理。生成管線模型時僅需判斷連接處的管線數(shù)量，區(qū)分彎管、三通以上的連接件，而不受連接管徑、角度等條件限制，可滿足任意連接角度、管線數(shù)量、管徑大小的情況，簡化模型的復雜程度，保證模型的通用性和準確性，實現(xiàn)從二維管線探測數(shù)據(jù)自動化生成地下管線精細的三維實體模型，造型能力可擴展性強，計算量小，運算速度快，支持管件規(guī)格多樣性的實際應用需求。圖3展示管網(wǎng)精細化三維建模的過程。

圖3 管網(wǎng)精細化三維建模過程

2．2 海量三維模型數(shù)據(jù)可視化技術

實時遮擋裁剪算法的數(shù)據(jù)裁剪技術：該技術在圖形流水線的早期就去掉不可見多邊形，以避免對場景中不可見部分不必要的處理。其核心思想是：首先利用若干遮擋物（根據(jù)視點移動的先驗知識進行選擇，比如沿街道漫游就可以將臨近街邊的建筑作為遮擋物）進行簡單的可見性測試，以識別場景的某些區(qū)域（空間凸殼范圍，也即層次的包圍盒）是否被全部或部分遮擋，然后進行所有瞬間視點附近的大型遮擋物識別預處理，最后又反復進行一種層次結構的可見性測試，以保證盡量少的離視點近的動態(tài)遮擋目標數(shù)組被處理，如圖4所示，該方法使用一種KD樹來組織多邊形數(shù)據(jù)，充分利用空間的連貫性，同時緩存跨視點的遮擋關系和大型遮擋物，又充分利用視點移動過程中的時間連續(xù)性，因此對城市三維景觀的實時處理具有較高的效率。

圖4 透視顯示之數(shù)據(jù)裁剪

基于四叉樹結構的多分辨率LOD技術：采用視相關的LOD簡化方法依據(jù)視點的位置和方向合理地選擇多分辨率的地圖表示，視點周圍的地形用高細節(jié)的層次表示，遠離視點的區(qū)域用較粗糙的細節(jié)表示。提高繪制率可以通過對四叉樹的分割來實現(xiàn)，即將地形分割成一個個大小不同的地塊，近視點分割的大些，遠視點分割的小些。渲染這些大小不同的正方形地塊，從而達到LOD不同細節(jié)層級渲染的目的，有效簡化、控制場景的數(shù)據(jù)復雜度。采用這種方法時要將原始的地圖數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過原始柵格數(shù)據(jù)—中間成果—包成果數(shù)據(jù)3個階段，其中在原始數(shù)據(jù)生成中間數(shù)據(jù)的過程中需要設置投影參數(shù)和處理級別，進行重采樣和建立金字塔；然后，再對中間數(shù)據(jù)進行修改，主要是勾選，設置背景數(shù)據(jù)進行融合；最后，再將修改后的中間數(shù)據(jù)，通過打包生成系統(tǒng)加載的報數(shù)據(jù)格式，具體處理流程如圖5所示。

圖5 四叉樹結構的LOD技術處理流程

數(shù)據(jù)動態(tài)加載技術：采用基于數(shù)據(jù)分層、分塊以及數(shù)據(jù)頁動態(tài)更新的算法，實現(xiàn)多層次、大范圍的城市場景實時描繪，同時為消減“延遲”，利用多線程運行機制充分利用計算機的CPU資源，即在橫向漫游以及縱向細節(jié)層次過渡的過程中，根據(jù)視點移動的方向趨勢，預先把即將更新的數(shù)據(jù)從硬盤中讀入內(nèi)存，而其后實際的數(shù)據(jù)更新則是在內(nèi)存里實現(xiàn)，如圖6所示。

2．3 其它關鍵技術

本系統(tǒng)集成了Active X、漸進傳輸、高效數(shù)據(jù)組織與壓縮、下載平衡、多級緩存等基于網(wǎng)絡速率的三維數(shù)據(jù)傳輸技術，以解決大量幾何數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡傳輸?shù)娇蛻舳诉^程中網(wǎng)絡寬帶的瓶頸。此外，本系統(tǒng)采用基于云計算、瓦片金字塔、空間數(shù)據(jù)庫等技術的真三維數(shù)據(jù)的快速編譯、更新、存儲與管理技術，解決傳統(tǒng)三維數(shù)據(jù)編譯中的影響以及三維模型數(shù)據(jù)等的編譯發(fā)布時間長的問題。最后，系統(tǒng)在SOA架構、微軟Sil verlight技術的基礎上實現(xiàn)Web GIS和3D GIS的有機整合。

圖6 基于分塊數(shù)據(jù)的動態(tài)數(shù)據(jù)頁的建立

3 研究效果

輔助規(guī)劃功能模塊和輔助批后管理功能模塊是本系統(tǒng)的核心，主要包括報件案卷版本管理、審批意見紅線批注、管線垂直凈距分析、管線水平凈距分析、縱斷面分析、橫斷面分析、爆管分析、追蹤分析、連通分析、緩沖區(qū)分析、碰撞分析、流向分析、批后管理圖件生成、批后結果報表輸出等。

3．1 碰撞分析

碰撞分析主要檢查管段與周圍的管線是否發(fā)生沖突，例如GB50242第4．2．5條規(guī)定給水管與排水管的水平間距不得小于1 m，室內(nèi)給水管與排水管平行敷設時凈距不得小于0．5 m，交叉敷設時，垂直凈距不得小于0．15 m。此功能用于分析指定的管線與這些管線在垂直方向上和水平方向上與周圍其他管段最小距離是否滿足水平凈距標準及垂直凈距標準。其效果如圖7所示。

圖7 碰撞分析

3．2 縱、橫斷面分析

在場景中繪制線段，生成該線段對應范圍的縱、橫斷面圖，為管線規(guī)劃設計、審批提供依據(jù)。其效果如圖8、圖9所示。

圖8 縱斷面分析

圖9 橫斷面分析

3．3 沿面開挖分析

沿面開挖功能就是在指定范圍已知深度向下開挖，可以直觀看到施工區(qū)下面的管線情況，并計算土方量，以輔助決策規(guī)劃，指導施工。其效果如圖10所示。

圖10 挖方分析

4 結束語

隨著全國各地對管線工程的日益重視，隨著各個地區(qū)電子報批系統(tǒng)的積極建設，運用三維GIS技術實現(xiàn)管線的在線分析管理及規(guī)劃審批成為一個趨勢。本文介紹了三維在線市政管線管理審批系統(tǒng)的建設思路，并主要論述系統(tǒng)中管網(wǎng)三維精細化建模、海量三維模型數(shù)據(jù)可視化等關鍵技術，實踐證明采用此技術的三維在線市政管線審批系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)與軟件的一體化，改變傳統(tǒng)的GIS應用方法和建設模式，提升系統(tǒng)三維可視化的性能，為管線工程的施工建設，更好地利用地下空間資源，為城市環(huán)境整治提供直觀、可靠的決策基礎。

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