危 威，周京春，朱蘭艷

（1．昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明650093；2．武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；3．昆明市城市地下管線探測(cè)管理辦公室，云南 昆明650041）

城市地下管線承擔(dān)著整個(gè)城市的能源供給、信息傳輸、污水和廢水排放等工作，對(duì)城市的生存和發(fā)展提供基礎(chǔ)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(wù)復(fù)雜、分析統(tǒng)計(jì)工作量大、報(bào)批精度低、效率差等問(wèn)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(dá)各管線之間、管線與周邊地物之間的空間位置關(guān)系?；谶@種情況，建立一個(gè)能輔助管線工程設(shè)計(jì)規(guī)劃、報(bào)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(duì)于管線管理信息系統(tǒng)來(lái)講，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用GIS技術(shù)、仿真技術(shù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行管線的模擬現(xiàn)實(shí)和分析處理，國(guó)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(diǎn)和局限性。此外三維管線建模具有數(shù)據(jù)量大、精細(xì)化表達(dá)困難、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)。綜合以上難點(diǎn)，本文結(jié)合昆明市管線工程輔助規(guī)劃審批系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)踐，把多種創(chuàng)新、先進(jìn)、成熟、適用的關(guān)鍵技術(shù)集成在系統(tǒng)中，建立一個(gè)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(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)昆明市市政管線的電子報(bào)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(cè)量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、輔助交通與管線工程的規(guī)劃審批功能（報(bào)件案卷版本管理、審批意見(jiàn)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(bào)表圖件輸出傳遞等）的平臺(tái)。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(kù)服務(wù)器、ESRIArc SDE 10．1空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎以及An Geo UNISCOPE三維系統(tǒng)模型平臺(tái)，并將Arc GIS Ser ver 10．1、IIS作為 Web服務(wù)器，同時(shí)應(yīng)用管網(wǎng)三維精細(xì)化建模技術(shù)、海量三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和SOA等技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，實(shí)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(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)在技術(shù)上堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)、管理、服務(wù)與應(yīng)用相分離的架構(gòu)原則，是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的三維地理信息應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)在技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)上分為4層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)層：為系統(tǒng)提供基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)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(shè)施模型數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等。

2）業(yè)務(wù)邏輯層：它處于數(shù)據(jù)層與應(yīng)用服務(wù)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(shù)完成各種業(yè)務(wù)功能封裝。

3）應(yīng)用服務(wù)層：此層部署Internet Infor mation Ser vices，簡(jiǎn)稱IIS，是一個(gè) Worl d Wide Web服務(wù)器，此層的主要作用是將業(yè)務(wù)邏輯層建立的各種業(yè)務(wù)組件、數(shù)據(jù)、Web Services、圖文報(bào)表等發(fā)布為網(wǎng)頁(yè)，供表示層展現(xiàn)給用戶。

4）應(yīng)用表示層：為最終用戶，包括各管線權(quán)屬單位、規(guī)劃局、建設(shè)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(yǔ)法表示變換方法，采用Silver light技術(shù)、AJAX技術(shù)提供優(yōu)秀的用戶體驗(yàn)，通過(guò)Web瀏覽器以二、三維聯(lián)動(dòng)的展現(xiàn)方式來(lái)訪問(wèn)各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等工作。

1．3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了二、三維連動(dòng)功能模塊、查詢定位功能模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)管線的科學(xué)管理與分析，具體如圖2所示。

圖2 功能模塊設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2．1 管網(wǎng)三維精細(xì)化建模技術(shù)

本系統(tǒng)中地面模型建模是基于地圖、圖像、點(diǎn)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(gè)重要的不同點(diǎn)就是管件具有幾何規(guī)則性、規(guī)格多樣性的特點(diǎn)，無(wú)法建立標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)模型庫(kù)進(jìn)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(jié)構(gòu)和拓?fù)溥B接關(guān)系，形成由屬性數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的四類3D模型構(gòu)建技術(shù)和對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)實(shí)體模型，分別為抽象化的不規(guī)則形體的管點(diǎn)實(shí)體模型、尺寸結(jié)構(gòu)屬性驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)實(shí)體模型、拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)實(shí)體模型和管段實(shí)體模型。創(chuàng)新應(yīng)用結(jié)合布爾并集運(yùn)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(duì)管線表面做拼接處理。生成管線模型時(shí)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(jiǎn)化模型的復(fù)雜程度，保證模型的通用性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)從二維管線探測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化生成地下管線精細(xì)的三維實(shí)體模型，造型能力可擴(kuò)展性強(qiáng)，計(jì)算量小，運(yùn)算速度快，支持管件規(guī)格多樣性的實(shí)際應(yīng)用需求。圖3展示管網(wǎng)精細(xì)化三維建模的過(guò)程。

圖3 管網(wǎng)精細(xì)化三維建模過(guò)程

2．2 海量三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

實(shí)時(shí)遮擋裁剪算法的數(shù)據(jù)裁剪技術(shù)：該技術(shù)在圖形流水線的早期就去掉不可見(jiàn)多邊形，以避免對(duì)場(chǎng)景中不可見(jiàn)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(diǎn)移動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)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(jìn)行簡(jiǎn)單的可見(jiàn)性測(cè)試，以識(shí)別場(chǎng)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(jìn)行所有瞬間視點(diǎn)附近的大型遮擋物識(shí)別預(yù)處理，最后又反復(fù)進(jìn)行一種層次結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)性測(cè)試，以保證盡量少的離視點(diǎn)近的動(dòng)態(tài)遮擋目標(biāo)數(shù)組被處理，如圖4所示，該方法使用一種KD樹來(lái)組織多邊形數(shù)據(jù)，充分利用空間的連貫性，同時(shí)緩存跨視點(diǎn)的遮擋關(guān)系和大型遮擋物，又充分利用視點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中的時(shí)間連續(xù)性，因此對(duì)城市三維景觀的實(shí)時(shí)處理具有較高的效率。

圖4 透視顯示之?dāng)?shù)據(jù)裁剪

基于四叉樹結(jié)構(gòu)的多分辨率LOD技術(shù)：采用視相關(guān)的LOD簡(jiǎn)化方法依據(jù)視點(diǎn)的位置和方向合理地選擇多分辨率的地圖表示，視點(diǎn)周圍的地形用高細(xì)節(jié)的層次表示，遠(yuǎn)離視點(diǎn)的區(qū)域用較粗糙的細(xì)節(jié)表示。提高繪制率可以通過(guò)對(duì)四叉樹的分割來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將地形分割成一個(gè)個(gè)大小不同的地塊，近視點(diǎn)分割的大些，遠(yuǎn)視點(diǎn)分割的小些。渲染這些大小不同的正方形地塊，從而達(dá)到LOD不同細(xì)節(jié)層級(jí)渲染的目的，有效簡(jiǎn)化、控制場(chǎng)景的數(shù)據(jù)復(fù)雜度。采用這種方法時(shí)要將原始的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)原始柵格數(shù)據(jù)—中間成果—包成果數(shù)據(jù)3個(gè)階段，其中在原始數(shù)據(jù)生成中間數(shù)據(jù)的過(guò)程中需要設(shè)置投影參數(shù)和處理級(jí)別，進(jìn)行重采樣和建立金字塔；然后，再對(duì)中間數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，主要是勾選，設(shè)置背景數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；最后，再將修改后的中間數(shù)據(jù)，通過(guò)打包生成系統(tǒng)加載的報(bào)數(shù)據(jù)格式，具體處理流程如圖5所示。

圖5 四叉樹結(jié)構(gòu)的LOD技術(shù)處理流程

數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載技術(shù)：采用基于數(shù)據(jù)分層、分塊以及數(shù)據(jù)頁(yè)動(dòng)態(tài)更新的算法，實(shí)現(xiàn)多層次、大范圍的城市場(chǎng)景實(shí)時(shí)描繪，同時(shí)為消減“延遲”，利用多線程運(yùn)行機(jī)制充分利用計(jì)算機(jī)的CPU資源，即在橫向漫游以及縱向細(xì)節(jié)層次過(guò)渡的過(guò)程中，根據(jù)視點(diǎn)移動(dòng)的方向趨勢(shì)，預(yù)先把即將更新的數(shù)據(jù)從硬盤中讀入內(nèi)存，而其后實(shí)際的數(shù)據(jù)更新則是在內(nèi)存里實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

2．3 其它關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)集成了Active X、漸進(jìn)傳輸、高效數(shù)據(jù)組織與壓縮、下載平衡、多級(jí)緩存等基于網(wǎng)絡(luò)速率的三維數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以解決大量幾何數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇蛻舳诉^(guò)程中網(wǎng)絡(luò)寬帶的瓶頸。此外，本系統(tǒng)采用基于云計(jì)算、瓦片金字塔、空間數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的真三維數(shù)據(jù)的快速編譯、更新、存儲(chǔ)與管理技術(shù)，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(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。最后，系統(tǒng)在SOA架構(gòu)、微軟Sil verlight技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)Web GIS和3D GIS的有機(jī)整合。

圖6 基于分塊數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)頁(yè)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(bào)件案卷版本管理、審批意見(jiàn)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(jié)果報(bào)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(shè)時(shí)凈距不得小于0．5 m，交叉敷設(shè)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)及垂直凈距標(biāo)準(zhǔn)。其效果如圖7所示。

圖7 碰撞分析

3．2 縱、橫斷面分析

在場(chǎng)景中繪制線段，生成該線段對(duì)應(yīng)范圍的縱、橫斷面圖，為管線規(guī)劃設(shè)計(jì)、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(kāi)挖分析

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

圖10 挖方分析

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著全國(guó)各地對(duì)管線工程的日益重視，隨著各個(gè)地區(qū)電子報(bào)批系統(tǒng)的積極建設(shè)，運(yùn)用三維GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)管線的在線分析管理及規(guī)劃審批成為一個(gè)趨勢(shì)。本文介紹了三維在線市政管線管理審批系統(tǒng)的建設(shè)思路，并主要論述系統(tǒng)中管網(wǎng)三維精細(xì)化建模、海量三維模型數(shù)據(jù)可視化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)踐證明采用此技術(shù)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(yīng)用方法和建設(shè)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(shè)，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(chǔ)。

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