王俊雷，趙啟龍，李會娟，王 娜

（1.中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢430074；2、中南財經(jīng)政法大學(xué)，湖北武漢430073）

基于ArcEngine小區(qū)三維排水管網(wǎng)驗收系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王俊雷1，趙啟龍1，李會娟1，王 娜2

（1.中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢430074；2、中南財經(jīng)政法大學(xué)，湖北武漢430073）

分析了小區(qū)地下排水管網(wǎng)的設(shè)計、建設(shè)、驗收的自動檢測系統(tǒng)的必要性，介紹了利用ArcEngine開發(fā)GIS軟件的優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)了小區(qū)地下排水管網(wǎng)的三維建模及其自動檢測系統(tǒng)，即小區(qū)三維排水管網(wǎng)的驗收系統(tǒng)；重點(diǎn)討論了地下排水管網(wǎng)的三維建模方法，解決了以往三維場景中的三維模型只能顯示、不能查詢編輯的問題。

ArcEngine；三維排水管網(wǎng)；三維建模

近幾年,多地報道由于小區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計不合理（如市政接口過高、管網(wǎng)溢水等）造成居民小區(qū)遭受暴雨時被淹，致使小區(qū)交通癱瘓，威脅居民人身財產(chǎn)安全。事后追究責(zé)任已不能挽回事故造成的損失，更不利于和諧社會的建設(shè)。在小區(qū)建設(shè)方面急需一套地下排水管網(wǎng)設(shè)計、建設(shè)、驗收自動檢測系統(tǒng)，而基于ArcEngine的三維GIS開發(fā)為我們提供了方便。

1 ArcEngine簡介

ArcEngine是ESRI公司推出的一組完備的、打包的嵌入式GIS組件庫和工具庫。用戶可以用來構(gòu)建自己的GIS和制圖應(yīng)用程序，并且這些對象平臺是獨(dú)立的，可以從不同的平臺來訪問。它的核心是 AO（ArcObjects）組件?；贏rcEngine我們可以根據(jù)客戶需求開發(fā)出具有特定分析功能的GIS應(yīng)用軟件。

ArcEngine具有面向?qū)ο蟮奶匦裕С诸?、對象、繼承等特性，同時它的類下面還定義了不同的接口，接口實現(xiàn)了對象的不同屬性和方法，這樣實現(xiàn)了靈活、快速地開發(fā)和功能擴(kuò)展。本文以江蘇某小區(qū)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于.NET開發(fā)平臺，用C#開發(fā)語言，實現(xiàn)了三維排水管網(wǎng)驗收系統(tǒng)的開發(fā)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 三維地下管網(wǎng)建模的需求分析

現(xiàn)代城市地下管網(wǎng)大多沿街道而設(shè)，在不同深度有不同的管線，由于缺乏必要的技術(shù)保證以及軟硬件條件的限制，在這些系統(tǒng)中，管線一般采用二維平面圖表示。這種表示有很多缺點(diǎn)，如：在二維平面圖上以不同顏色的直線表示這些管線就會顯得管線之間擁擠不堪，無法正確清晰表示；采用分圖層顯示不同種類的管線則又無法表現(xiàn)管線之間的空間位置關(guān)系，并且現(xiàn)在的大部分管線是上下起伏的，如果與地面垂直的一段管線（如下水井）在平面圖上就只能以一個點(diǎn)與相應(yīng)的文字來表示，沒有任何直觀的視覺效果。現(xiàn)代城市建設(shè)中各類管網(wǎng)資源需要進(jìn)行綜合有效的信息化存儲管理，傳統(tǒng)的二維表示方式不能滿足實際應(yīng)用需求。由于管線用途的特殊性和復(fù)雜性，其布設(shè)遍及地下、空中、水下等，只有通過三維顯示才能夠真實反映其空間位置關(guān)系。因此通過建立三維管網(wǎng)仿真場景，真實反映在交錯復(fù)雜條件下管線之間的位置關(guān)系以及管線與周邊地物的位置關(guān)系，并提供必要的三維輔助分析及決策工具，已經(jīng)成為各城市的建設(shè)規(guī)劃部門在城市信息化建設(shè)中的迫切需求。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是GIS各種應(yīng)用系統(tǒng)的核心組成部分。本系統(tǒng)采用的是GeoDataBase數(shù)據(jù)庫的存儲方案。在GeoDataBase數(shù)據(jù)庫中圖層數(shù)據(jù)主要是以FeatureClass的形式存儲在 GeoDataBase數(shù)據(jù)庫中，而圖層的分類是依據(jù)其幾何關(guān)系分為 Point、Polyline、Polygon等類型的要素圖層。GeoDataBase的設(shè)計主要是針對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的擴(kuò)展，它擴(kuò)展了傳統(tǒng)的點(diǎn)、線、面特征，為空間信息定義了一個統(tǒng)一的模型。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的實現(xiàn)將從3個方面進(jìn)行介紹，如圖1所示，系統(tǒng)由三維瀏覽模塊、三維查詢模塊、三維分析模塊組成。三維瀏覽模塊主要實現(xiàn)視圖的拉框放大、拉框縮小、居中放大、居中縮小、漫游、導(dǎo)航、全屏等；三維查詢模塊主要實現(xiàn)了空間屬性查詢、條件查詢；三維分析模塊主要實現(xiàn)排水管網(wǎng)三維建模、小區(qū)地下管網(wǎng)的驗收等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 三維瀏覽模塊的功能設(shè)計

為了實現(xiàn)三維排水管網(wǎng)的驗收系統(tǒng)，在這模塊中主要實現(xiàn)了以下功能：

1）拉框放大：就是將鼠標(biāo)拖出來的方塊區(qū)域放大到全屏。

2）拉框縮小：拉框縮小和拉框放大是對應(yīng)的操作，它是把全屏區(qū)域縮小到鼠標(biāo)拖出的方塊區(qū)域中。

3）居中放大：就是以當(dāng)前視圖的中心點(diǎn)為縮放中心把視圖進(jìn)行放大的操作。

4）居中縮?。壕又锌s小和居中放大是相對應(yīng)操作，它的目的是以當(dāng)前視圖中心點(diǎn)為縮放中心進(jìn)行縮小。

5）全屏：就是把所有可見的地理要素顯示在視圖范圍內(nèi)，并且視圖是恰好把所有的地理要素囊括進(jìn)來。

6）漫游：改變觀測者位置（X，Y），Z值不變。

7）導(dǎo)航：改變觀測者位置的Z值。

4 三維查詢模塊的設(shè)計

查詢模塊包括空間查詢和條件查詢?？臻g查詢包括點(diǎn)擊查詢、拉框查詢、領(lǐng)域查詢等。在本系統(tǒng)中主要實現(xiàn)了點(diǎn)擊查詢,它是基于空間位置的查詢,所使用的接口主要是ItopologicalOperator、IspatialFilter。最后得到的結(jié)果在ListView控件中顯示其屬性信息，如圖2所示。條件查詢主要是使用IQueryFilter接口，通過設(shè)置查詢字段的條件來實現(xiàn)。查詢條件可以是簡單的SQL語句，也可以是較為復(fù)雜的組合SQL語句，通過查詢過濾器QueryFilter得到目標(biāo)要素集合，并在圖層中高亮顯示，如圖3所示。主要實現(xiàn)代碼如下：

frmMain.axSceneControl1.Scene.SceneGraph.ActiveViewer.Camera.SetDefaultsMBB(pEnvelope);

pA c tiveView.PartialRefresh(esriView D rawPhase.esriViewGeoSelection,null,null);

圖2 空間查詢

圖3 條件查詢

5 三維分析模塊的設(shè)計

5.1 三維建模

ArcGIS軟件有自己的三維數(shù)據(jù)模型-Multipatch（多片）。Multipatch作為ArcGIS中一種新的要素專門用來描述三維實體的表面。它有 3種主要組成方式，分別為TriangleFan、Trianglestrip、Ring。其他三維格式必須轉(zhuǎn)化為Multipatch或者動態(tài)創(chuàng)建Multipatch，才能實現(xiàn)GIS功能，對于本研究內(nèi)容我們采用動態(tài)創(chuàng)建Multipatch。

動態(tài)創(chuàng)建Multipatch有2種方式：①按照一定的規(guī)則輸入每一個頂點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建Multipatch，該方法創(chuàng)建的Multipatch在創(chuàng)建的時候可以加上貼圖信息；②將平面圖形拉伸成的Multipatch，拉伸是將除平面圖形之外的第三維加于平面圖形上。這種拉伸可以沿一條線也可以沿一個三維向量進(jìn)行，我們在小區(qū)三維地下管網(wǎng)進(jìn)行建模時使用的是后者，即通過接口IConstructMultipatch實現(xiàn) ConstructExtrudeAbsolute的方法。需要拉伸的平面二維圖為Polyline而管線的外環(huán)為多片，通過這些片的組合可形成圓管的三維模型，如圖4所示。

圖4 管道

三維管線的外環(huán)多片描述越多越精確，在直觀上也越接近真實管線，但模型的計算量也就越大，顯示速度則會降低，否則則相反。經(jīng)過實驗表明，當(dāng)管線的橫截面以300到450等分時顯示速度與圖像質(zhì)量能達(dá)到一種較好的平衡。

利用以上分析方法對江蘇某小區(qū)地下管網(wǎng)及排水井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行建模，如圖5所示。

圖5 地下管道建模

5.2 驗收分析

小區(qū)管網(wǎng)通過市政接口與周圍道路下的城市排水系統(tǒng)相連接，倘若市政接口高程高于小區(qū)內(nèi)部局部入水口的高程，在自流條件下，將造成入水口無法發(fā)揮排水功能，發(fā)生溢水情況，甚至使得局部倒灌淹水。

針對這種類型問題將分析方法設(shè)計為：以市政接口高程為基準(zhǔn)，搜索排查所有排水井的高程，將所有高程過低的排水井篩選出來高亮顯示，并在界面右邊的ListView控件中把符合搜索條件的排水井ID及對應(yīng)積水深度顯示出來進(jìn)行提醒和警示，如圖6所示。結(jié)合小區(qū)DEM及房屋數(shù)據(jù)住宅小區(qū)三維地下管網(wǎng)分析系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖6 驗收分析

圖7 系統(tǒng)界面

6 結(jié) 語

本文討論了地下三維排水管網(wǎng)驗收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，著重從瀏覽模塊、查詢模塊、分析模塊 3個方面進(jìn)行說明。該模型的建立將在城市管理的科學(xué)化，防汛指揮決策的及時性方面發(fā)揮重要作用。此系統(tǒng)可作為政府部門對開發(fā)商所建小區(qū)地下排水管網(wǎng)的驗收系統(tǒng)，也可以作為開發(fā)商設(shè)計、建設(shè)地下排水管網(wǎng)的分析系統(tǒng)，具有實用價值。

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[3] 范力銘.基于ArcGISEngine的三維GIS系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[D].上海：華東師范大學(xué)，2007

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Design and Implementation of 3D Drainage Pipelines Network Acceptance System Based on ArcEngine

by WANG Junlei

This paper discussedthenecessity of the automatic detection system which was the design,the construction,and the acceptance of the underground drainage pipelines network in the community,introduced the advantages of GIS software which was developed using ArcEngine,and realized 3D modeling of the underground drainage pipelines networkinthe community and automatic detection systemwhichwas3D drainage pipelines network acceptance system.It focused on 3D modeling method of the underground drainage pipelines network,and solved the problem of the 3D scene of the 3D models which could only be showed,and couldn't be edited.

ArcEngine,3D drainage pipelines，3D modeling

2011-12-19

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目 (40974002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目（CUG090110）。

P208

B

1672-4623(2012)02-0101-03

王俊雷，碩士，研究方向為測量數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用研究、GIS應(yīng)用研究。