三维在线市政管线管理审批系统开发

危 威，周京春，朱兰艳

（1．昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明650093；2．武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079；3．昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南 昆明650041）

城市地下管线承担着整个城市的能源供给、信息传输、污水和废水排放等工作，对城市的生存和发展提供基础保障，是城市的“生命线”。在地下管线管理和审批工作中存在着管线种类繁多、管理任务复杂、分析统计工作量大、报批精度低、效率差等问题，并且各大城市的管线系统多为二维系统，难以直观地描述和表达各管线之间、管线与周边地物之间的空间位置关系。基于这种情况，建立一个能辅助管线工程设计规划、报建审批、批后管理的三维在线市政管线审批系统十分必要。

对于管线管理信息系统来讲，目前国内外普遍采用GIS技术、仿真技术，通过建立数学模型进行管线的模拟现实和分析处理，国内外也有3DGIS的软件产品，例如Skyline，Virtual Earth，Arc Globe，EV－Globe，Geo Globe，VRMap，An Geo，World Wind等，各软件有其自身的优点和局限性。此外三维管线建模具有数据量大、精细化表达困难、计算复杂等特点。综合以上难点，本文结合昆明市管线工程辅助规划审批系统的建设实践，把多种创新、先进、成熟、适用的关键技术集成在系统中，建立一个通用的三维在线市政管线管理审批系统，以提高市政管线规划管理的现代化水平。

1 系统设计

1．1 系统运行环境设计

根据昆明市市政管线的电子报批工作以及管线管理的需要，本系统建立基于 Web，具有查询定位、三维测量、数据统计、辅助交通与管线工程的规划审批功能（报件案卷版本管理、审批意见红线批注、辅助审批的分析功能等）以及辅助交通与管线工程批后管理功能（竣工的现状工程与规划条件的比较分析、报表图件输出传递等）的平台。本系统软件主要选用 Windows Server 2003／2008操作系统、Oracle 11g数据库服务器、ESRIArc SDE 10．1空间数据库引擎以及An Geo UNISCOPE三维系统模型平台，并将Arc GIS Ser ver 10．1、IIS作为 Web服务器，同时应用管网三维精细化建模技术、海量三维模型数据可视化技术和SOA等技术进行研发，实现辅助地下管线工程规划审批与管理的高效的工作流程和工作环境。

1．2 系统总体技术架构

系统在技术上坚持数据、管理、服务与应用相分离的架构原则，是一个基于网络的三维地理信息应用系统。系统在技术架构的设计上分为4层结构，如图1所示。

图1 系统总体技术架构

1）数据层：为系统提供基本的数据服务，数据来源于不同系统的数据服务器，包含元数据、基本地形图数据、DEM、DOM、地下管线空间数据、道路红线数据、规划管理所必需的各种数据、3D地面地物和管线设施模型数据、多媒体数据等。

2）业务逻辑层：它处于数据层与应用服务层之间，起到数据交换中承上启下的作用，采用COM，Web Ser vices等技术完成各种业务功能封装。

3）应用服务层：此层部署Internet Infor mation Ser vices，简称IIS，是一个 Worl d Wide Web服务器，此层的主要作用是将业务逻辑层建立的各种业务组件、数据、Web Services、图文报表等发布为网页，供表示层展现给用户。

4）应用表示层：为最终用户，包括各管线权属单位、规划局、建设局、数字城市中其他各类使用者，提供数据和信息的正确语法表示变换方法，采用Silver light技术、AJAX技术提供优秀的用户体验，通过Web浏览器以二、三维联动的展现方式来访问各种数据，进行查询、统计、分析等工作。

1．3 系统功能设计

本文设计实现了二、三维连动功能模块、查询定位功能模块、数据统计功能模块、辅助规划功能模块和辅助批后管理功能模块等，来实现管线的科学管理与分析，具体如图2所示。

图2 功能模块设计

2 系统实现的关键技术

2．1 管网三维精细化建模技术

本系统中地面模型建模是基于地图、图像、点云，采用3D Max软件综合建模；管线3 D模型与地面地物模型相比，有一个重要的不同点就是管件具有几何规则性、规格多样性的特点，无法建立标准的静态模型库进行匹配，所以管线模型建模，根据管网的施工特性，按照管件的形状规则性、位置特征、尺寸结构和拓扑连接关系，形成由属性数据驱动的四类3D模型构建技术和对应的管网实体模型，分别为抽象化的不规则形体的管点实体模型、尺寸结构属性驱动的管点实体模型、拓扑连接关系驱动的管点实体模型和管段实体模型。创新应用结合布尔并集运算的扫描＋网格（Sweep＋Mesh）造型法，即将一条管线看作是整张连续的曲面，而不必对管线表面做拼接处理。生成管线模型时仅需判断连接处的管线数量，区分弯管、三通以上的连接件，而不受连接管径、角度等条件限制，可满足任意连接角度、管线数量、管径大小的情况，简化模型的复杂程度，保证模型的通用性和准确性，实现从二维管线探测数据自动化生成地下管线精细的三维实体模型，造型能力可扩展性强，计算量小，运算速度快，支持管件规格多样性的实际应用需求。图3展示管网精细化三维建模的过程。

图3 管网精细化三维建模过程

2．2 海量三维模型数据可视化技术

实时遮挡裁剪算法的数据裁剪技术：该技术在图形流水线的早期就去掉不可见多边形，以避免对场景中不可见部分不必要的处理。其核心思想是：首先利用若干遮挡物（根据视点移动的先验知识进行选择，比如沿街道漫游就可以将临近街边的建筑作为遮挡物）进行简单的可见性测试，以识别场景的某些区域（空间凸壳范围，也即层次的包围盒）是否被全部或部分遮挡，然后进行所有瞬间视点附近的大型遮挡物识别预处理，最后又反复进行一种层次结构的可见性测试，以保证尽量少的离视点近的动态遮挡目标数组被处理，如图4所示，该方法使用一种KD树来组织多边形数据，充分利用空间的连贯性，同时缓存跨视点的遮挡关系和大型遮挡物，又充分利用视点移动过程中的时间连续性，因此对城市三维景观的实时处理具有较高的效率。

图4 透视显示之数据裁剪

基于四叉树结构的多分辨率LOD技术：采用视相关的LOD简化方法依据视点的位置和方向合理地选择多分辨率的地图表示，视点周围的地形用高细节的层次表示，远离视点的区域用较粗糙的细节表示。提高绘制率可以通过对四叉树的分割来实现，即将地形分割成一个个大小不同的地块，近视点分割的大些，远视点分割的小些。渲染这些大小不同的正方形地块，从而达到LOD不同细节层级渲染的目的，有效简化、控制场景的数据复杂度。采用这种方法时要将原始的地图数据进行处理，经过原始栅格数据—中间成果—包成果数据3个阶段，其中在原始数据生成中间数据的过程中需要设置投影参数和处理级别，进行重采样和建立金字塔；然后，再对中间数据进行修改，主要是勾选，设置背景数据进行融合；最后，再将修改后的中间数据，通过打包生成系统加载的报数据格式，具体处理流程如图5所示。

图5 四叉树结构的LOD技术处理流程

数据动态加载技术：采用基于数据分层、分块以及数据页动态更新的算法，实现多层次、大范围的城市场景实时描绘，同时为消减“延迟”，利用多线程运行机制充分利用计算机的CPU资源，即在横向漫游以及纵向细节层次过渡的过程中，根据视点移动的方向趋势，预先把即将更新的数据从硬盘中读入内存，而其后实际的数据更新则是在内存里实现，如图6所示。

2．3 其它关键技术

本系统集成了Active X、渐进传输、高效数据组织与压缩、下载平衡、多级缓存等基于网络速率的三维数据传输技术，以解决大量几何数据经网络传输到客户端过程中网络宽带的瓶颈。此外，本系统采用基于云计算、瓦片金字塔、空间数据库等技术的真三维数据的快速编译、更新、存储与管理技术，解决传统三维数据编译中的影响以及三维模型数据等的编译发布时间长的问题。最后，系统在SOA架构、微软Sil verlight技术的基础上实现Web GIS和3D GIS的有机整合。

图6 基于分块数据的动态数据页的建立

3 研究效果

辅助规划功能模块和辅助批后管理功能模块是本系统的核心，主要包括报件案卷版本管理、审批意见红线批注、管线垂直净距分析、管线水平净距分析、纵断面分析、横断面分析、爆管分析、追踪分析、连通分析、缓冲区分析、碰撞分析、流向分析、批后管理图件生成、批后结果报表输出等。

3．1 碰撞分析

碰撞分析主要检查管段与周围的管线是否发生冲突，例如GB50242第4．2．5条规定给水管与排水管的水平间距不得小于1 m，室内给水管与排水管平行敷设时净距不得小于0．5 m，交叉敷设时，垂直净距不得小于0．15 m。此功能用于分析指定的管线与这些管线在垂直方向上和水平方向上与周围其他管段最小距离是否满足水平净距标准及垂直净距标准。其效果如图7所示。

图7 碰撞分析

3．2 纵、横断面分析

在场景中绘制线段，生成该线段对应范围的纵、横断面图，为管线规划设计、审批提供依据。其效果如图8、图9所示。

图8 纵断面分析

图9 横断面分析

3．3 沿面开挖分析

沿面开挖功能就是在指定范围已知深度向下开挖，可以直观看到施工区下面的管线情况，并计算土方量，以辅助决策规划，指导施工。其效果如图10所示。

图10 挖方分析

4 结束语

随着全国各地对管线工程的日益重视，随着各个地区电子报批系统的积极建设，运用三维GIS技术实现管线的在线分析管理及规划审批成为一个趋势。本文介绍了三维在线市政管线管理审批系统的建设思路，并主要论述系统中管网三维精细化建模、海量三维模型数据可视化等关键技术，实践证明采用此技术的三维在线市政管线审批系统完成了数据与软件的一体化，改变传统的GIS应用方法和建设模式，提升系统三维可视化的性能，为管线工程的施工建设，更好地利用地下空间资源，为城市环境整治提供直观、可靠的决策基础。

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