城市地下管线三维应用系统设计与实现

张鲁刚　王丛聪　刘轩朋

(1.山东正元地球物理信息技术有限公司，山东济南　250101；2.正元地理信息有限责任公司，北京　101300)



城市地下管线三维应用系统设计与实现

张鲁刚1王丛聪1刘轩朋2

(1.山东正元地球物理信息技术有限公司，山东济南250101；2.正元地理信息有限责任公司，北京101300)

介绍某城市地下管线三维应用系统。该系统采用成熟的Skyline平台，利用自主研发的自动建模技术，实现地下管线信息的自动化建模。该系统具有三维展示、查询统计、开挖分析、碰撞分析等功能，可为城市规划、建设与管理决策提供直观的数据依据。

管网自动化建模规划决策共享服务缓存技术

随着基础建设的发展，城市地下空间的规划利用变得越来越重要，作为城市重要基础设施的地下管线也越来越庞大、密集，其种类也越来越复杂。为了充分了解地下管线的分布走向，摸清地下管线的现有状况，某市城建档案和地下管线管理处建设了一套完善规范的地下管线信息综合管理系统，实现了地下管线动态管理、监控、监测、安全预报预警，满足政府部门、管线权属单位和社会的在线应用需求。其中的地下管线三维综合应用系统采用成熟的Skyline平台，利用自主研发的管线自动建模技术，可实现地下管线信息的自动化建模，并且实现了三维展示、查询统计、开挖分析、碰撞分析等功能，可为城市的规划、建设与管理决策提供直观的数据依据。本文主要针对地下管线三维综合应用系统搭建和整体架构进行研究和阐述。

1　系统关键技术

1.1共享服务技术

系统支持调取基于OGC标准的数据服务，支持WMS服务、WMTS服务和ArcGIS矢量的REST服务。WMS服务用于加载到windows应用系统，WMTS服务用于加载WEB系统，ArcGIS的矢量REST服务用于加载到WEB系统，实现查询分析。三维应用子系统中的建筑物模型直接调取国土局发布的数据服务，实现资源共享共用。

1.2管网自动化建模技术

管线探测的结果或者竣工资料大多是二维矢量线数据，管线数据分圆形管件、方形管件；管点数据包括三通、弯头、各类附属物等，如何将这些资料信息在三维系统中进行展示而不需要人工干预，成为三维展示的关键技术。

1.3海量数据的分级压缩技术

采取金字塔数据分级压缩存储策略，通过对浏览层次的优选，大大加快了三维数据的浏览速度。另一方面，平台将三维模型数据压缩，达到更快速的网络传输，从而实现在线实时浏览精细三维模型的真实场景。

1.4三维场景的动态加载技术

城市三维模型具有数据类型丰富、数据量大等特点，通过对三维场景及模型数据分类建立空间索引，可提高场景及模型的浏览速度。在当前浏览视口，根据浏览飞行的速度、高度等参数，由整体到局部、由近及远、由大到小地加载数据，在确保浏览速度的同时，保证用户感兴趣的信息不会丢失。

1.5三维数据的多级缓存技术

与传统的网络服务不同，三维GIS网络服务伴随着海量的空间数据和相关属性数据，其包含的数据类型有影像、矢量、模型、多媒体等。缓存技术的应用能有效提高各种请求的处理效率。平台中不但对二维矢量数据采用了缓存处理，对三维场景、三维模型也采用了缓存技术，有效地解决了大数据量的网络传输问题。

2　模型构建技术路线

在综合分析国内外“数字城市”建设相关技术的基础上，结合实际情况，该项目在建设过程中大胆使用了新技术、新方法，除了地下管线进行三维展示之外，对于地上模型制定了如图1所示的模型构建技术路线。

图4　网络架构

图1　城市地下管线三维系统地上模型构建技术路线

3　三维场景搭建

整个系统建模包括基础数据的获取，纹理数据的获取，模型的制作、检查和成果提交(如图2所示)。

图2　建模流程

4　系统总体架构设计

4.1设计原则

本系统的建设遵循实用性、先进性、高安全性、开放性、完备性和可扩展性等原则，建设标准上遵循国家信息化建设有关标准要求。

4.2总体架构

图3　系统总体架构

系统整体体系结构遵循四层架构体系(如图3所示)，包括底层支撑、数据层、逻辑层和应用层四个不同的层次，层次逻辑层又包括GIS服务层、系统功能层。三维平台采用Skyline平台。

4.3网络架构

系统分内网和专网，网络架构如图4所示。

5　系统功能设计

三维应用子系统采用C/S架构，可实现平台相关数据的一体化管理，主要涉及的数据种类包括：管线数据、索引数据、地形数据等。数据统一存放在服务器端，用户在客户端对数据进行管理，其管理权限由共享服务子系统根据用户统一分配(如图5)。

图5　C/S架构

5.1三维浏览

三维浏览模块包括漫游、滑行、环绕飞行、二三维联动、地下模式等功能，主要从地上、地下，全方位，多角度地观察三维场景，二三维联动可以更好地实现二三维一体化的管理管线数据(如图6、图7所示)。

图6　二三维联动效果

图7　开挖后地下管线效果

5.2三维查询

三维查询主要包括点击查询、综合条件查询和各类图形查询，可实现图形、属性互查，并能定位查询到的某一条记录，显示其详细属性信息。点击查询中若点击的物体为地上建筑物，则显示该建筑物的城建档案信息，包括图片、视频、文档等资料，若点击的物体为地下管线，则显示该管线的详细信息并定位到该管线(如图8、图9所示)。

图8　城建档案信息查询

图9　管线属性查询

5.3数据统计

数据统计包括对全库或者区域范围内管线长度、管点数据统计及设置特定条件的统计，可以输出表格，也可以输出各类柱状图、饼状图等图形，全面存储展示数据。

5.4空间分析

空间分析包括碰撞分析、开挖分析，其他空间分析有断面分析、覆土分析、爆管分析、追踪分析、缓冲分析、排水流向分析等专业分析，可以在三维场景中对地下管线进行全方位的分析，直观展示管线的各类指标数据是否符合国家标准规范，更真实、直观、可见。

5.5空间量算

空间量算主要包括长度测量、面积测量，可以进行水平距离、垂直距离、空间距离的测量，也可以对起伏的地形，垂直的建筑物面进行面积、周长等测量，测量结果直观展示在三维场景中，用以辅助领导决策。

5.6规划设计

规划设计模块主要包括规划设计文件的加载、智能排管、属性标注、快照导出等功能，可以将规划设计好的管线数据，以三维方式展示在三维场景中，并对其进行规划分析，分析其与周围管线的关系是否符合规范，若不符合规范，可以手动在场景中调整，直到合格后保存进规划数据库中，作为可行的规划方案进行上报备案。

5.7系统配置

系统配置是为系统服务的模块，包括图层字段配置、模型配置、主题配置、日志管理、帮助文档等内容，为用户制定个性化的界面模式。用户可以自己制作模型，加入到三维系统中展示，只需在模型配置中进行相应的设置即可。

6　道路开挖实现思路

以沿道路开挖功能为例，本功能主要实现用户绘制某条道路中心线后，系统自动计算沿道路中心线拓宽特定宽度后，开挖道路的情景。该功能的关键代码实现思路如下：

图10　三个点往右拓宽r宽度

图11　右侧道路拓宽r宽度后效果

根据已知的三个点和宽度，利用skyline提供的方法(GetAimingAngles)计算两条线的角度值：

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

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

然后根据余弦定理计算P点应该拓宽的长度和角度值：

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

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

根据计算出的两个夹角关系进行判断和计算：

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，将点移动到相应的位置上：

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

其中：IPosition61[] shiftedVert=newIPosition61[NumPoints]为点集合。

最后实现的效果如图12所示。

图12　绘制开挖的道路中心线后开挖效果

[1]杨志刚，王丹丹，马运成. 三维城市地下管线信息系统研究与应用[J].成都大学学报：自然科学版，2009，28(4):346-349

[2]朱慰明，冯竹平，曹桂海，等.浅谈城市地下管线三维可视化系统的应用[J].城市建设理论研究，2012(15)

[3]蒋世峰，杨槐，乔志勇，等.三维地下空间管理系统建设及其应用[J].测绘通报，2013(S2):1-4

[4]张磊.三维GIS在数字城市建设中的应用[J].城市建设理论研究，2011(25)

[5]梁剑芳，许大璐，洪安龙.基于Skyline的三维地理信息系统应用的实践[J].数字国土，2009(3):49-50

[6]许有田，赵建军，滕大强，等.西安市三维模型建设规范[R].西安：西安市勘察测绘院，西安市地理信息中心，2010

[7]北京东方道迩有限公司.“数字城市”建设技术方案[R].北京：东方道迩有限公司，2010

[8]北京东方道迩有限公司GIS事业部.基于Skyline的三维模型工程流程[R].北京：东方道迩有限公司GIS事业部，2010

[9]申海鹏，张义文，孙世凯.基于Skyline的三维地下管线系统的设计[J].科技创新与应用，2013(4)：42-47

[10]胡晓明，孙东明，黄孝艳，等.基于skyline的三维GIS系统设计与实现——以重庆师范大学为例[J]. 现代城市，2012(2):15-18

[11]梁剑芳，许大璐，洪安龙.基于Skyline的三维地理信息系统应用的实践[J].浙江国土资源，2009(3):49-50

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

ZHANG Lugang1WANG Congcong1LIU Xuanpeng2

2016-05-24

张鲁刚(1987—)，男，2010年毕业于山东师范大学地理信息系统专业，助理工程师。

1672-7479(2016)04-0020-04

P208； TU990.3

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