基于CityMaker的三维地下管线地理信息系统建设

李浩

(哈尔滨市勘察测绘研究院，黑龙江哈尔滨 150010)

1 引言

地下管网是一个城市的重要基础设施，根据用途可分为给水、排水、燃气、工业、热力、电力、电信、综合管沟等8大类。各种管线在空间相互交叉，错综复杂，由于综合管网的复杂性，需要采用信息化手段对地下管网系统进行综合管理，形成良好的动态更新机制，以满足城市的管线工作，提高政府的综合协调、应急指挥水平，从而更好地服务于城市的规划、建设和管理工作。

当前，我国各大城市都基本进行了综合管线或专业管线的探测、普查以及管线数据库建库工作，并建立了基于GIS的地下管线系统，从简单的可视化效果分类，这些地下管线系统可分为两种类型:第一类是二维GIS管线系统，该类系统利用了成熟的二维GIS技术，能够基于严密的空间数据库模型表达和存储图属一体的地下管线数据，同时，借助空间分析方法，能够面向应用场景，进行专业的分析操作，辅助地下管线管理维护工作，该类管线系统的特点是数据模型严谨、分析能力强、技术成熟，但是二维平面无法再现真实的管线三维分布情况;第二类是三维管线系统，利用三维可视化技术，能够真实表达管线的材质、型号、尺寸以及在三维空间中的分布情况，该类管线系统的特点是能够逼真的还原现实世界中管线分布情况，可视化效果较好，但是由于三维GIS技术还不够成熟，在三维管线数据表达与存储、三维空间分析方面还较弱。

本文综合考虑这两类管线系统的特点，采用当前主流的二维GIS平台软件(ArcGIS)和三维GIS平台软件(CityMaker)相结合的技术路线，建立了二三维一体的管线数据模型，给出了三维地下管线数据生产流程和数据库组织方法，基于ArcGIS Engine和CityMaker SDK开发包，实现了一个插件式三维地下管线地理信息系统。该系统具有逼真的三维可视化效果，又具有较强的空间分析能力，为三维视角下的地下管线管理应用场景提供借鉴。

2 技术路线

三维地下管线地理信息系统以二三维一体化地下管线数据库为数据核心，以三维地理平台作为开发框架，通过插件式应用程序开发模式，定制地下管线专题功能插件，通过开发框架的插件引擎加载插件，构建可维护和可扩展的三维地下管线地理信息系统，总体框架如图1所示。其中，数据资源中心是整个系统运行和管理的中心。数据资源中心包括三方面的内容。三维基础数据库是整个三维场景的框架核心，提供建筑物、景点、植被、道路、水系等地上景观模型，与数字地形模型集成，形成三维场景空间基础框架，它为三维地下管线模型提供空间参考和辅助定位。

二三维一体化管线数据库是三维地下管线系统的核心，通过一体化数据生产模式，能够将现有地下管线二维矢量数据转换为三维地下管线模型并加载到三维场景中。同时，通过编码体系进行关联，将对应地下管线二维矢量数据属性信息链接到三维地下管线模型上，形成一体化的属性信息维护管理模式。

图1 总体框架

三维基础服务平台是构建三维地下管线系统的核心技术基础。三维地理信息平台采用CityMaker 6.2三维地理信息软件平台和ArcGIS Engine 9.2地理信息系统开发组件，主要用于三维场景搭建、渲染、发布以及基础功能构建，三维场景数据以数据流的方式存储到CityMaker 6.2平台支持的MySQL数据库中。二维管线空间数据通过ArcSDE存储到Oracle数据库中。三维基础服务平台以各类通用服务为主要内容，核心内容包括:数据访问接口、模型编码语义解析与定位、网络拓扑构建与分析、空间参考变换、UI界面框架等。

三维地下管线系统开发的主要内容，主要是利用三维基础服务平台提供的核心基础功能，构建满足应用需求的功能模块。

3 地下管线数据生产与数据库组织

3.1 三维地下管线数据生产

当前三维地下管线数据的生产方式有两种。第一种是人工生产方式，以二维管线CAD数据或GIS数据，通过3ds Max等建模软件，生成管线三维模型，再导出为OSG等通用三维模型数据格式，供三维场景搭建工具建立三维地下管线场景。这种方法能够生产出模型精美、与现实效果一致的地下管线三维模型，特别是管线变径处、连接点等位置，通过人工处理能够得到逼真的展示效果，但需要投入大量的作业人员，人力成本较高。第二种是自动建模方式，通过开发相应的自动化建模工具，从二维管线GIS数据中读取相关空间位置信息，直接生成三维管线模型。这种方法能够快速生成管线模型，较少人工干预，但技术难度较大，模型精细程度不高。

综合考虑两种方法的优缺点，为了能否逼真的再现地下管线及附属设施以及充分利用现有数据生产资源，本文采用第一种方式进行管线数据的生产，生产流程如图2所示。

图2 生产流程

(1)资料搜集

搜集已有管线资料，作为管线建模的数据源，包括管线GIS数据、CAD数据、横纵断面图、节点图等。

(2)三维管线建模

将矢量管线要素导入3ds Max建模软件中，按照管线的属性信息，建立三维的管线模型，管线坐标系统采用当地的平面坐标系统或国家统一的坐标系统，管线颜色按照《城市地下管线探测技术规程》(CJJ 61－2003)的要求赋值。管线交叉处和变径处需要进行光滑处理。

(3)添加附属设施三维模型

根据不同类别的管线在管线节点处加管井、阀门、连通等三维符号。若提供三维模型点位的矢量数据，按“实体”导入点位。

(4)模型融合、整饰与质检

管线与附属设施进行融合，检查管线与附属设施位置是否合理、存在缝隙，管线与管线交叉处是否进行了光滑处理，对相交的管线，在排除数据质量问题后，需要做局部调整或移位。最后，按照数据精度、数据质量、可视化效果等要求对全部成果进行质检。

(5)数据导出

导出osg格式的管线及附属设施三维模型数据。按类别分文件夹存放，如排水管线、燃气管线、热力管线、电力管线、给水管线等，也可以按照项目需求进行归类，导出时，每个三维模型的命名规则要能体现唯一性，以便后期数据建库时，与二维属性信息进行挂接。

(6)场景发布

利用CityMaker Builder软件，将osg格式的管线及附属设施三维模型导入场景中，并配以地上建筑物、道路面等地上模型，形成地上地下一体的三维场景，发布时可根据需要，发布成本地场景文件(scd格式)或发布到数据库中，形成数据服务。

3.2 三维地下管线数据库组织

按照数据类型，三维地下管线数据库内容可分为两类:

(1)三维地下管线场景数据库

无论发布为本地场景文件，还是发布成数据服务，在数据库内部，CityMaker设计了7个表用来存储三维管线模型和场景组织结构内容。其中，最重要的三维实体表(BIN_SCENE_ENTITY)记录了三维场景中每个三维管线实体的详细信息，包括实体ID、所属场景ID、所属图层、定位信息、表示该实体的三维模型ID和模型名称等。该数据库由CityMaker Builder直接生成，但没有提供三维管线属性数据的存储与组织，需要二维GIS管线数据库的补充。

(2)二维GIS管线数据库

二维GIS管线数据库采用基于Geodatabase数据模型，存储了三维地下管线场景数据库中管线及附属设施三维实体对应的二维GIS数据。二维管线数据包含了管线及附属设施矢量数据和属性信息，是整个系统进行空间分析和三维场景数据库属性信息的来源。二者之间的联系通过构建全局管线编码体系，建立二维管线数据和三维管线模型的一一对应关系。

4 系统设计与开发

4.1 开发环境

在数据层面上，二维GIS管线数据通过ArcSDE存储到Oracle 10g数据库中，三维管线场景数据通过CityMaker Builder发布到MySQL数据库中，形成数据服务。

在应用开发层面上，采用ArcGIS Engine提供的．NET接口基于二维GIS管线数据实现底层的空间分析和属性管理功能，采用CityMaker SDK提供的．NET接口基于三维管线场景实现三维场景的操纵和分析结果的可视化展现。开发工具选用Visual Studio 2008。

在系统架构上，采用C/S结构的应用程序框架，基于插件机制，实现管线专题功能的开发与集成。

4.2 插件式应用程序框架

三维地下管线地理信息系统开发框架基于插件机制，基于三维平台SDK和．net框架开发而成，框架内嵌场景浏览、视图控制、三维量算等基础功能，并提供风格统一、标准规范的用户界面。框架基于面向对象编程思想，逐级封装，采用不同颗粒度实现不同封装，开发人员可依据开发程度，快速利用封装的功能模块完成应用系统搭建和定制功能开发。该框架原理图如图3所示。

图3 应用程序框架原理图

4.3 功能设计

(1)基础功能

该模块提供了场景浏览、视图控制、三维量算、数据加载、鼠标提示等基础功能服务。

(2)信息管理功能

该模块提供了拾取查询、属性查询、综合统计、属性编辑等功能服务，用来实现对管线专题信息的表达与展示。

(3)辅助分析功能

该模块提供了地下探测、模拟挖方、绘制断面图、流向分析、连通分析、关停阀门分析等常用的管线分析功能服务，辅助管线管理部门的日常管理工作。

图4给出了基于本方案开发的三维地下管线地理信息系统的用户界面，图中展示的是流向分析的结果。其中，流向分析分析的数据源是二维管网GIS数据，分析结果通过三维箭头在三维场景渲染出来。

图4 系统界面

5 结语

限于技术的发展，当前的三维GIS技术仅仅解决了海量GIS数据的存储与三维可视化问题，空间分析能力特别是真三维的空间分析能力还很弱，这在一定程度上影响了其在强GIS领域的应用，特别是城市地下管线应用领域。本文提出的解决方案，能够顾及城市地下管线应用领域中对管线三维可视化的需求，借助成熟的二维GIS空间分析技术，弥补了三维GIS中重展示、轻分析的现状问题，提升了三维GIS平台的分析能力，具有一定的可行性。

［1］ 刘娟．基于CityMaker SDK的3D GIS开发方法［J］．城市勘测，2011(5)．

［2］纪彦忠，李浩．CityMaker中三维模型数据的数据库组织方法与应用扩展［J］．城市勘测，2013(3)．

［3］北京伟景行数字城市科技有限公司．CityMaker 6产品介绍［Z］．2011．

［4］毕天平，张德海，刘亚臣等．浑南新城三维地下管线系统应用与研究［J］．沈阳建筑大学学报·自然科学版，2013，29(2)．

［5］ 徐敬仙．可扩展的三维地下管线平台研制进展［J］．中国建设信息，2012(21)．