何興富(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

基于云計(jì)算的三維市政設(shè)計(jì)框架研究與應(yīng)用

何興富?
(重慶市勘測(cè)院,重慶 400020)

摘 要:三維技術(shù)在市政規(guī)劃設(shè)計(jì)行業(yè)得到了較快的研究和應(yīng)用,但CAD平臺(tái)本身對(duì)三維數(shù)據(jù)的承載量、分析效率和展示效果支持較弱,制約了三維技術(shù)的深入應(yīng)用。本文引入成熟的三維地理信息技術(shù),結(jié)合云計(jì)算和云存儲(chǔ),構(gòu)建了一個(gè)線上線下一體化設(shè)計(jì)框架。通過整合海量地理空間資源,充分利用云端計(jì)算能力,實(shí)現(xiàn)線上線下交互式設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)成果在線展示,研究成果在重慶多個(gè)開發(fā)園區(qū)開展了示范應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:市政規(guī)劃設(shè)計(jì)；云計(jì)算；云存儲(chǔ)；虛擬地理環(huán)境

1　引 言

三維地理信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展,帶動(dòng)了與之相關(guān)各個(gè)行業(yè)的大量研究。在市政設(shè)計(jì)行業(yè),以國(guó)外的Bentley MicroStation、AutoDesk Civil 3D,國(guó)內(nèi)的緯地HintCAD、鴻業(yè)Roadleader(路立得)等為代表的市政設(shè)計(jì)軟件紛紛加入對(duì)三維設(shè)計(jì)模塊的支持[1～3]。路立得以脫離DWG圖形的獨(dú)立BIM信息為核心,實(shí)現(xiàn)了所見即所得、模擬、優(yōu)化以及不同專業(yè)間的協(xié)調(diào)功能; Civil 3D軟件可用于道路交通和景觀的一體化設(shè)計(jì),它基于AutoCAD平臺(tái),具有道路實(shí)時(shí)三維模擬功能。

但在另一方面,由于當(dāng)前市政設(shè)計(jì)軟件基本上以傳統(tǒng)的CAD平臺(tái)為核心,在面對(duì)大量的三維模型數(shù)據(jù)時(shí)往往需要性能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)支持。以Civil 3D為例,其64位版本最低要求4 GB內(nèi)存,推薦使用8 GB。在實(shí)際工作中,4GB內(nèi)存基本上難以滿足超過2 km的道路模擬。并且,由于CAD平臺(tái)向來重繪圖、輕分析的特性,導(dǎo)致在空間分析方面難以滿足實(shí)際需要。

總體而言,三維技術(shù)應(yīng)用于市政規(guī)劃設(shè)計(jì)是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。但新技術(shù)的應(yīng)用同時(shí)也對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件資源提出了更高的要求,尤其在處理長(zhǎng)達(dá)上百公里的路網(wǎng)或高速公路項(xiàng)目中,使用普通的計(jì)算機(jī)往往難以滿足設(shè)計(jì)工作的需要。本文針對(duì)這一問題,以云計(jì)算為支撐,基于云盤的在線存儲(chǔ)與共享特性設(shè)計(jì)了一種線上線下相結(jié)合的三維市政規(guī)劃設(shè)計(jì)模式,并在重慶市各開發(fā)園區(qū)開展了大量的示范應(yīng)用。

2　市政設(shè)計(jì)云計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)

云計(jì)算是通過網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)、效用計(jì)算(Utility Computing)、服務(wù)計(jì)算(Service Computing)等多種技術(shù)的綜合演化,來提高吞吐量和降低處理時(shí)間,同時(shí)縮小IT服務(wù)成本、提高軟件的可靠性、可用性和靈活性。

云計(jì)算平臺(tái)可根據(jù)用戶的要求開展資源整合工作,提供基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)、在線存儲(chǔ)與分享服務(wù)、在線計(jì)算服務(wù)等[4]。

市政設(shè)計(jì)云計(jì)算服務(wù)將整體架構(gòu)層次自底向上分為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層(IaaS)、數(shù)據(jù)資源服務(wù)層(DaaS)、功能服務(wù)層(SaaS)及用戶應(yīng)用層(包括在線存儲(chǔ)服務(wù)),如圖1所示。

圖1　市政設(shè)計(jì)云計(jì)算服務(wù)架構(gòu)

(1)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層。負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)設(shè)施資源,并通過虛擬化工具把物理資源層的物理設(shè)備變成全局統(tǒng)一的虛擬資源池,供上層服務(wù)調(diào)用。

(2)數(shù)據(jù)資源服務(wù)層。包括為支撐市政規(guī)劃設(shè)計(jì)所需的各類空間數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù),同時(shí)基于在線存儲(chǔ)服務(wù)構(gòu)建盤網(wǎng),為用戶提供個(gè)人數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

(3)功能服務(wù)層。負(fù)責(zé)提供空間和專題數(shù)據(jù)的發(fā)布、發(fā)現(xiàn),并為市政規(guī)劃提供專門的分析服務(wù),如地形斷面分析、設(shè)計(jì)文件解析、市政設(shè)計(jì)成果自動(dòng)建模、各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算及網(wǎng)盤的數(shù)據(jù)操作服務(wù)。

功能服務(wù)層是整體框架的業(yè)務(wù)邏輯處理層,其面向的不是終端用戶,而是以SOA架構(gòu)的模式,面向業(yè)務(wù)軟件開發(fā)人員提供接口,以充分利用這些開放的數(shù)據(jù)資源和處理接口來定制客戶端系統(tǒng)。這一層主要包括三種功能服務(wù):數(shù)據(jù)共享與發(fā)現(xiàn)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)、市政設(shè)計(jì)服務(wù)等。

數(shù)據(jù)共享與發(fā)現(xiàn)服務(wù)以在線的方式,為市政設(shè)計(jì)用戶提供在線的數(shù)據(jù)資源發(fā)現(xiàn)與使用。用戶通過查詢目錄或搜索的模式,發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目所需的地理空間、規(guī)劃設(shè)計(jì)及其他專題數(shù)據(jù)資源,在線瀏覽或通過WFS、WMS 等OGC服務(wù)引用到設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)以在線數(shù)據(jù)資源為依托,為設(shè)計(jì)工作提供服務(wù)接口,如在道路設(shè)計(jì)過程中最關(guān)注的橫、縱地形斷面信息。同時(shí),這一服務(wù)還包括了對(duì)網(wǎng)盤進(jìn)行操作的接口,如上傳數(shù)據(jù)、下載數(shù)據(jù)等接口,以實(shí)現(xiàn)用戶信息的在線存儲(chǔ)與應(yīng)用。

市政設(shè)計(jì)服務(wù)為用戶提供需要大量計(jì)算和存儲(chǔ)的服務(wù)接口,如設(shè)計(jì)方案三維模擬、土石方計(jì)算、占地分析等,通過這部分接口,客戶可以將市政設(shè)計(jì)過程中計(jì)算量較大的工作交由云端來完成,并直接在云端進(jìn)行三維展示,從而降低三維場(chǎng)景展示對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源的需求。

(4)應(yīng)用服務(wù)層。負(fù)責(zé)為用戶提供各類空間數(shù)據(jù)的瀏覽和分析功能,并基于云盤,在用戶上傳市政設(shè)計(jì)方案后可對(duì)方案進(jìn)行三維模擬、指標(biāo)計(jì)算、成果分享、在線展示等可視化操作。

3　關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3．1基于云計(jì)算的空間信息在線服務(wù)

將云計(jì)算應(yīng)用于空間信息的在線服務(wù)已經(jīng)在各大GIS軟件提供商中得到了大量研究與實(shí)踐,目前,包括Esri公司的ArcGIS Online、SuperMap公司的Super MapSGS等應(yīng)用系統(tǒng)中初步采用,服務(wù)效率良好[5,6]?？傮w而言,采用云計(jì)算技術(shù),可以顯著降低當(dāng)前地理信息服務(wù)項(xiàng)目的重復(fù)投入和維護(hù)成本,提升GIS應(yīng)用搭建和部署的效率。

與傳統(tǒng)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)所采用的技術(shù)類似,基于云計(jì)算的空間信息服務(wù)系統(tǒng)框架也可以劃分為四個(gè)層次:運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。如圖2所示。

圖2　空間信息服務(wù)體系

支撐層負(fù)責(zé)管理來自資源池的資源,構(gòu)建虛擬節(jié)點(diǎn)以供上層服務(wù)使用;數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施資源池上存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)資源;服務(wù)層主要負(fù)責(zé)將空間信息服務(wù)組件按照Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝,并能通過工作流引擎進(jìn)行業(yè)務(wù)流程建模;應(yīng)用層負(fù)責(zé)對(duì)外提供服務(wù),可以通過一站式的門戶直接使用系統(tǒng)提供的服務(wù),也可以通過資源目錄和交換體系進(jìn)行數(shù)據(jù)注冊(cè)、發(fā)布、交換和服務(wù)調(diào)用。

3．2云盤系統(tǒng)

云盤服務(wù)可以為用戶提供一個(gè)容量動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間,通過多終端接入,可方便快捷地上傳、下載和分享個(gè)人文件數(shù)據(jù)。當(dāng)前,以Google網(wǎng)盤、百度網(wǎng)盤等為代表的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)盤就是云盤的典型代表。在開源社區(qū)中,以Seafile、ownCloud、miniyun等為代表的開源云盤也得到較多研究者的關(guān)注。

綜合考慮功能需求、成本及軟件成熟度等因素,本文基于較為成熟的ownCloud系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用部署。ownCloud采用PHP語言開發(fā),可運(yùn)行在Windows、Linux環(huán)境下。本文選用Windows環(huán)境,結(jié)合MySQL、Apache等建設(shè)[7],架構(gòu)如圖3所示。

圖3　基于ownCloud的云盤架構(gòu)

ownCloud的安裝部署較為簡(jiǎn)單,但為了支持與應(yīng)用系統(tǒng)的銜接,實(shí)現(xiàn)線上線下一體化市政設(shè)計(jì),本文以該云盤為基礎(chǔ),通過調(diào)用其API,封裝了基于Web服務(wù)的文件操作接口,供市政設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)調(diào)用。

3．3線上線下交互設(shè)計(jì)接口封裝

基于Web服務(wù)的交互接口是本文所述框架能夠得以順利運(yùn)行的關(guān)鍵。云服務(wù)框架以接口的方式,通過網(wǎng)絡(luò)向外提供了三類接口:數(shù)據(jù)訪問接口、云盤操作接口和市政設(shè)計(jì)分析接口。通過這些接口,可以對(duì)現(xiàn)有的市政設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開發(fā),以充分利用云服務(wù)框架提供的數(shù)據(jù)資源、存儲(chǔ)資源和運(yùn)算資源?；谠朴?jì)算的線上線下交互式設(shè)計(jì)模式如圖4所示。

圖4　線上線下交互設(shè)計(jì)模式

要支撐這一設(shè)計(jì)模式,本文對(duì)三類接口進(jìn)行了Web服務(wù)封裝,主要接口如表1所示。

線上線下交互接口 表1

上述接口中,數(shù)據(jù)訪問接口遵循OGC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),云盤操作和市政設(shè)計(jì)分析使用自定義的Web Service接口,并以XML文件進(jìn)行交互,能夠廣泛適應(yīng)各平臺(tái)對(duì)二次開發(fā)的需求。市政工程三維建模結(jié)果以兩種格式保存到網(wǎng)盤中,一種是依賴于三維平臺(tái)的格式,目前支持OSG/ IVE,另一種是自定義的純文本交換格式,分別對(duì)空間面和紋理等信息進(jìn)行規(guī)定,可以在二次開發(fā)中進(jìn)行解析和重建。

4　系統(tǒng)建設(shè)與示范應(yīng)用

4．1云平臺(tái)建設(shè)

依據(jù)上述設(shè)計(jì),本文依托重慶市智慧空間信息服務(wù)云計(jì)算平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目,初步建成了云平臺(tái)的原型,市政設(shè)計(jì)云作為該原型的一個(gè)組成部分,與空間信息服務(wù)、云盤等組成一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng)。云平臺(tái)原型硬件包括3臺(tái)IBM X3690 X5服務(wù)器、3臺(tái)普通PC機(jī)、2臺(tái) 1 000 M交換機(jī)等。對(duì)服務(wù)器資源,使用EXSI進(jìn)行虛擬化管理,形成統(tǒng)一的資源池,并虛擬出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)器、云存儲(chǔ)服務(wù)器、云計(jì)算服務(wù)器和門戶網(wǎng)站服務(wù)器;對(duì)普通PC機(jī),部署域控服務(wù)器、vCenter服務(wù)器和View Connection服務(wù)器。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　云計(jì)算平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)

空間數(shù)據(jù)服務(wù)器使用4TB存儲(chǔ)空間,發(fā)布了重慶主城區(qū)3 000 km2的高精度大地形模型和主城區(qū)精細(xì)三維城市模型及主城控規(guī)、工程地質(zhì)等專題信息,可以提供40個(gè)用戶的并發(fā)訪問量。

云存儲(chǔ)服務(wù)器可以提供12 TB存儲(chǔ)空間,部署了基于ownCloud進(jìn)行二次開發(fā)形成的云盤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)用戶文件的云端存取,并支持對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行三維模擬等定制化操作。

云計(jì)算服務(wù)器可提供24個(gè)CPU運(yùn)算資源和32GB內(nèi)存資源,可滿足小規(guī)模計(jì)算需求,后文對(duì)其應(yīng)用性能進(jìn)行了量化。

上述數(shù)據(jù)服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)和計(jì)算服務(wù)資源通過云門戶進(jìn)行發(fā)布和管理,用戶連接到門戶網(wǎng)站后,可以直接依托這些數(shù)據(jù)和服務(wù)開展市政項(xiàng)目設(shè)計(jì)和成果優(yōu)化、展示工作。門戶界面如圖6所示。

圖6　三維地理信息門戶與云盤界面

4．2市政設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)

在云端系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上,還需要對(duì)市政設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā),使之能使用云平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)資源、存儲(chǔ)資源與運(yùn)算資源。本文以國(guó)內(nèi)較為流行的EI市政設(shè)計(jì)軟件為示范,基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā),增加對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)調(diào)用的支持。并在市政設(shè)計(jì)模塊中開發(fā)了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、三維模擬等工具,在保存工程文件時(shí),可以保存到云端。云端根據(jù)設(shè)計(jì)成果,自動(dòng)進(jìn)行三維建模與各類計(jì)算,并生成三維模型的服務(wù)鏈接和3ds模型文件。三維模型可以直接在門戶網(wǎng)站中進(jìn)行三維展示,也可以通過二次開發(fā)的數(shù)據(jù)集成模塊在CAD場(chǎng)景中進(jìn)行展示。如圖7所示。

圖7　CAD場(chǎng)景中的三維模型展示

4．3應(yīng)用效果

本文的建設(shè)成果已經(jīng)在重慶市各大工業(yè)園區(qū)中得到了廣泛的應(yīng)用,2014年完成項(xiàng)目數(shù)量超過40項(xiàng),總設(shè)計(jì)道路市政設(shè)計(jì)項(xiàng)目范圍達(dá)到170 km2,市政道路長(zhǎng)度超過435 km,場(chǎng)平面積超過19 000畝?；谠贫说挠?jì)算效率,顯著提升了三維模型構(gòu)建的效率,結(jié)合重慶市三維數(shù)字城市建設(shè)成果,對(duì)市政道路的設(shè)計(jì)方案研究與評(píng)審提供了良好的支撐。本文以在重慶市保稅港I、J分區(qū)路網(wǎng)優(yōu)化與場(chǎng)平土石方量概算工作為例,基于一臺(tái)高性能PC機(jī)和云端進(jìn)行三維模擬和土石方量計(jì)算,性能對(duì)比如表2所示。

道路建模與場(chǎng)平土石方計(jì)算時(shí)間對(duì)比 表2

其中,道路長(zhǎng)度為67 km,場(chǎng)平面積9 340畝。

另一方面,工作用的普通PC機(jī)受內(nèi)存、硬盤效率等條件的限制,隨著道路長(zhǎng)度的增加,進(jìn)行三維建模的時(shí)間也急劇增長(zhǎng),而云平臺(tái)由于可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)硬件資源,受道路長(zhǎng)度的影響較小,本文以一些典型的長(zhǎng)度道路工程為例,對(duì)性能較好的PC機(jī)和云平臺(tái)原型的三維道路建模效率進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。

圖8　高性能PC機(jī)和云平臺(tái)原型三維模擬效率對(duì)比圖

當(dāng)?shù)缆烽L(zhǎng)度較小時(shí),由于云平臺(tái)是任務(wù)觸發(fā)機(jī)制,接收到任務(wù)才啟動(dòng)服務(wù)進(jìn)程(采用局域網(wǎng)千兆網(wǎng)絡(luò),忽略數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間),故高性能PC機(jī)本地模擬效率較高,但隨著道路長(zhǎng)度的增加,本地模擬時(shí)間呈指數(shù)型增長(zhǎng),而云端模擬效率則基本呈線性增長(zhǎng),表明模擬效率受道路長(zhǎng)度的影響較小。

5　結(jié) 論

近年,各大市政設(shè)計(jì)平臺(tái)基于CAD的三維模擬模塊開發(fā)了實(shí)時(shí)建模功用,以提升市政設(shè)計(jì)項(xiàng)目的效率和科學(xué)性。但受限于平臺(tái)及普通工作電腦的效率問題,三維模擬始終只能停留在小范圍層面,實(shí)際使用效果不理想,阻礙了三維技術(shù)在市政設(shè)計(jì)領(lǐng)域的推廣。

本文以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ),配合三維地理信息技術(shù),開發(fā)了云平臺(tái)和云存儲(chǔ)系統(tǒng),并在市政設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)和云存儲(chǔ)的整合應(yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明,使用云計(jì)算技術(shù),不僅顯著提高了市政設(shè)計(jì)成果的三維模擬和土石方量計(jì)算效率,還可以促進(jìn)市政設(shè)計(jì)成果的在線展示與共享,提升市政設(shè)計(jì)的公眾參與程度?；谌S地理信息技術(shù),還可以在后期出效果圖、動(dòng)畫展示等工作中節(jié)省大量的工作時(shí)間和成本,對(duì)三維市政設(shè)計(jì)的推廣具有積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李俊超,李樓．AutoCAD Civil 3D和3ds Max Design在道路建模中的應(yīng)用[J]．測(cè)繪通報(bào),2013(2):91～94．

[2] 趙錦．基于緯地(HintCAD)互通式立交設(shè)計(jì)軟件的輔助設(shè)計(jì)功能開發(fā)[D]．西安:長(zhǎng)安大學(xué),2013．

[3] 康俊鋒．云計(jì)算環(huán)境下高分辨率遙感影像存儲(chǔ)與高效管理技術(shù)研究[D]．杭州:浙江大學(xué),2011．

[4] 甄福全．基于公有云平臺(tái)ArcgisOnline的WebGIS實(shí)現(xiàn)[J]．哈爾濱師范大學(xué)·自然科學(xué)學(xué)報(bào),2015(3):76～78．

[5] 帥菲,肖根如,揭志強(qiáng)．Google Earth在地學(xué)研究中的應(yīng)用[J]．東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版,2011(3):48～50．

[6] 李元璋．私有云Android客戶端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．北京:北京交通大學(xué),2014．

Research and Application of 3D Municipal Design Framework Based on Cloud Computing

He Xingfu
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

Abstract:Three dimensional technology has a rapid research and application in municipal planning and design,but the CAD platform has weak on loading capacity,analysis efficiency and presentation effects for three-dimensional data, which become a restrict for wide application of 3D technology．This paper construct an online/ offline design framework for municipal design,based on three-dimensional geographic information technology,cloud computing and cloud storage．By integrating massive online geospatial resources,fully using of online computing capacity,this framework realizes interactive design of online/ offline,online presentation．At last,carried out a demonstration application in some development parks of Chongqing．

Key words:municipal planning and design;cloud computing;cloud storage;virtual geographic environments

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-39-05中圖分類號(hào):P208．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—07—20

作者簡(jiǎn)介:何興富(1982—),男,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。

基金項(xiàng)目:重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014yykfB40004)