基于CityMaker的三維地下管線地理信息系統(tǒng)建設

李浩

(哈爾濱市勘察測繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

1 引言

地下管網(wǎng)是一個城市的重要基礎設施，根據(jù)用途可分為給水、排水、燃氣、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，錯綜復雜，由于綜合管網(wǎng)的復雜性，需要采用信息化手段對地下管網(wǎng)系統(tǒng)進行綜合管理，形成良好的動態(tài)更新機制，以滿足城市的管線工作，提高政府的綜合協(xié)調(diào)、應急指揮水平，從而更好地服務于城市的規(guī)劃、建設和管理工作。

當前，我國各大城市都基本進行了綜合管線或專業(yè)管線的探測、普查以及管線數(shù)據(jù)庫建庫工作，并建立了基于GIS的地下管線系統(tǒng)，從簡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，能夠基于嚴密的空間數(shù)據(jù)庫模型表達和存儲圖屬一體的地下管線數(shù)據(jù)，同時，借助空間分析方法，能夠面向應用場景，進行專業(yè)的分析操作，輔助地下管線管理維護工作，該類管線系統(tǒng)的特點是數(shù)據(jù)模型嚴謹、分析能力強、技術成熟，但是二維平面無法再現(xiàn)真實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，能夠真實表達管線的材質(zhì)、型號、尺寸以及在三維空間中的分布情況，該類管線系統(tǒng)的特點是能夠逼真的還原現(xiàn)實世界中管線分布情況，可視化效果較好，但是由于三維GIS技術還不夠成熟，在三維管線數(shù)據(jù)表達與存儲、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，采用當前主流的二維GIS平臺軟件(ArcGIS)和三維GIS平臺軟件(CityMaker)相結合的技術路線，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)庫組織方法，基于ArcGIS Engine和CityMaker SDK開發(fā)包，實現(xiàn)了一個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，又具有較強的空間分析能力，為三維視角下的地下管線管理應用場景提供借鑒。

2 技術路線

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)庫為數(shù)據(jù)核心，以三維地理平臺作為開發(fā)框架，通過插件式應用程序開發(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，構建可維護和可擴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)資源中心是整個系統(tǒng)運行和管理的中心。數(shù)據(jù)資源中心包括三方面的內(nèi)容。三維基礎數(shù)據(jù)庫是整個三維場景的框架核心，提供建筑物、景點、植被、道路、水系等地上景觀模型，與數(shù)字地形模型集成，形成三維場景空間基礎框架，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，能夠將現(xiàn)有地下管線二維矢量數(shù)據(jù)轉換為三維地下管線模型并加載到三維場景中。同時，通過編碼體系進行關聯(lián)，將對應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管理模式。

圖1 總體框架

三維基礎服務平臺是構建三維地下管線系統(tǒng)的核心技術基礎。三維地理信息平臺采用CityMaker 6.2三維地理信息軟件平臺和ArcGIS Engine 9.2地理信息系統(tǒng)開發(fā)組件，主要用于三維場景搭建、渲染、發(fā)布以及基礎功能構建，三維場景數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式存儲到CityMaker 6.2平臺支持的MySQL數(shù)據(jù)庫中。二維管線空間數(shù)據(jù)通過ArcSDE存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫中。三維基礎服務平臺以各類通用服務為主要內(nèi)容，核心內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)訪問接口、模型編碼語義解析與定位、網(wǎng)絡拓撲構建與分析、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服務平臺提供的核心基礎功能，構建滿足應用需求的功能模塊。

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

3.1 三維地下管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)

當前三維地下管線數(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，再導出為OSG等通用三維模型數(shù)據(jù)格式，供三維場景搭建工具建立三維地下管線場景。這種方法能夠生產(chǎn)出模型精美、與現(xiàn)實效果一致的地下管線三維模型，特別是管線變徑處、連接點等位置，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。第二種是自動建模方式，通過開發(fā)相應的自動化建模工具，從二維管線GIS數(shù)據(jù)中讀取相關空間位置信息，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，但技術難度較大，模型精細程度不高。

綜合考慮兩種方法的優(yōu)缺點，為了能否逼真的再現(xiàn)地下管線及附屬設施以及充分利用現(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)點圖等。

(2)三維管線建模

將矢量管線要素導入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，管線坐標系統(tǒng)采用當?shù)氐钠矫孀鴺讼到y(tǒng)或國家統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，管線顏色按照《城市地下管線探測技術規(guī)程》(CJJ 61－2003)的要求賦值。管線交叉處和變徑處需要進行光滑處理。

(3)添加附屬設施三維模型

根據(jù)不同類別的管線在管線節(jié)點處加管井、閥門、連通等三維符號。若提供三維模型點位的矢量數(shù)據(jù)，按“實體”導入點位。

(4)模型融合、整飾與質(zhì)檢

管線與附屬設施進行融合，檢查管線與附屬設施位置是否合理、存在縫隙，管線與管線交叉處是否進行了光滑處理，對相交的管線，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全部成果進行質(zhì)檢。

(5)數(shù)據(jù)導出

導出osg格式的管線及附屬設施三維模型數(shù)據(jù)。按類別分文件夾存放，如排水管線、燃氣管線、熱力管線、電力管線、給水管線等，也可以按照項目需求進行歸類，導出時，每個三維模型的命名規(guī)則要能體現(xiàn)唯一性，以便后期數(shù)據(jù)建庫時，與二維屬性信息進行掛接。

(6)場景發(fā)布

利用CityMaker Builder軟件，將osg格式的管線及附屬設施三維模型導入場景中，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景，發(fā)布時可根據(jù)需要，發(fā)布成本地場景文件(scd格式)或發(fā)布到數(shù)據(jù)庫中，形成數(shù)據(jù)服務。

3.2 三維地下管線數(shù)據(jù)庫組織

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

(1)三維地下管線場景數(shù)據(jù)庫

無論發(fā)布為本地場景文件，還是發(fā)布成數(shù)據(jù)服務，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部，CityMaker設計了7個表用來存儲三維管線模型和場景組織結構內(nèi)容。其中，最重要的三維實體表(BIN_SCENE_ENTITY)記錄了三維場景中每個三維管線實體的詳細信息，包括實體ID、所屬場景ID、所屬圖層、定位信息、表示該實體的三維模型ID和模型名稱等。該數(shù)據(jù)庫由CityMaker Builder直接生成，但沒有提供三維管線屬性數(shù)據(jù)的存儲與組織，需要二維GIS管線數(shù)據(jù)庫的補充。

(2)二維GIS管線數(shù)據(jù)庫

二維GIS管線數(shù)據(jù)庫采用基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型，存儲了三維地下管線場景數(shù)據(jù)庫中管線及附屬設施三維實體對應的二維GIS數(shù)據(jù)。二維管線數(shù)據(jù)包含了管線及附屬設施矢量數(shù)據(jù)和屬性信息，是整個系統(tǒng)進行空間分析和三維場景數(shù)據(jù)庫屬性信息的來源。二者之間的聯(lián)系通過構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應關系。

4 系統(tǒng)設計與開發(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存儲到Oracle 10g數(shù)據(jù)庫中，三維管線場景數(shù)據(jù)通過CityMaker Builder發(fā)布到MySQL數(shù)據(jù)庫中，形成數(shù)據(jù)服務。

在應用開發(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景實現(xiàn)三維場景的操縱和分析結果的可視化展現(xiàn)。開發(fā)工具選用Visual Studio 2008。

在系統(tǒng)架構上，采用C/S結構的應用程序框架，基于插件機制，實現(xiàn)管線專題功能的開發(fā)與集成。

4.2 插件式應用程序框架

三維地下管線地理信息系統(tǒng)開發(fā)框架基于插件機制，基于三維平臺SDK和．net框架開發(fā)而成，框架內(nèi)嵌場景瀏覽、視圖控制、三維量算等基礎功能，并提供風格統(tǒng)一、標準規(guī)范的用戶界面。框架基于面向對象編程思想，逐級封裝，采用不同顆粒度實現(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 應用程序框架原理圖

4.3 功能設計

(1)基礎功能

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

(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、屬性編輯等功能服務，用來實現(xiàn)對管線專題信息的表達與展示。

(3)輔助分析功能

該模塊提供了地下探測、模擬挖方、繪制斷面圖、流向分析、連通分析、關停閥門分析等常用的管線分析功能服務，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)，分析結果通過三維箭頭在三維場景渲染出來。

圖4 系統(tǒng)界面

5 結語

限于技術的發(fā)展，當前的三維GIS技術僅僅解決了海量GIS數(shù)據(jù)的存儲與三維可視化問題，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GIS領域的應用，特別是城市地下管線應用領域。本文提出的解決方案，能夠顧及城市地下管線應用領域中對管線三維可視化的需求，借助成熟的二維GIS空間分析技術，彌補了三維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，2011(5)．

［2］紀彥忠，李浩．CityMaker中三維模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫組織方法與應用擴展［J］．城市勘測，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)應用與研究［J］．沈陽建筑大學學報·自然科學版，2013，29(2)．

［5］ 徐敬仙．可擴展的三維地下管線平臺研制進展［J］．中國建設信息，2012(21)．