城市三维管线可视化技术

城市三维管线可视化技术

——以综合管线数据管理系统为例

付仲良张文元

目录

1 系统需求分析 (2)

1.1 管线三维可视化意义 (2)

1.2 管线系统功能需求 (3)

1.3 管线数据需求 (4)

2 系统总体设计 (5)

2.1 系统的技术路线 (5)

2.2 系统的层次结构 (5)

2.3 系统的软件配置 (6)

3 数据库设计 (8)

3.1 数据库内容 (8)

3.2 概念模型设计 (8)

3.3 逻辑模型设计 (8)

3.4 物理模型设计 (9)

4 系统功能设计 (10)

4.1 系统技术架构 (10)

4.2 系统功能结构 (10)

4.3 系统功能描述 (11)

5 管线三维可视化技术介绍 (13)

5.1 ArcGIS Engine 3D开发简介 (13)

5.2 三维管线几何建模原理 (14)

5.3 三维管线几何建模算法 (16)

5.4 管点三维建模 (22)

5.5 三维管线系统功能界面 (23)

1系统需求分析

系统需求分析是在对用户进行深入细致的调查基础上进行的，它是GIS设计的基础，是通过与系统潜在用户进行书面或口头交流，将收集的信息根据系统软件设计的要求归纳整理后，得到对系统概略的描述和可行性分析的论证文件。全面深入地了解掌握用户需求是进行优良的系统设计的关键，也是系统生命力的保证，需求分析使GIS开发者可以明确地了解用户对GIS内容和行为的期望和需求。

1.1管线三维可视化意义

城市地下管网是由纵横交错的给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业管线组成的错综复杂的空间体系，担负着能源输送、信息传输等工作，是城市赖以生存和发展的物质基础。但由于多方面的原因，我国现有地下各类专业管线的资料残缺不全，且有关资料精度不高或与现状不符，造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，造成停水、停气、停暖、通信中断、污水四溢等严重事故。另一方面，我国现有的地下专业管线在地上、地下立体布设，管线繁多、复杂。已有的管线资料都以图纸、图表等形式记录保存，采用人工方式管理效率低下，资料系统性差。对于变化的区域，管线维护困难，各部门也存在为了建设方便重复收集资料、标准不统一、管理混乱等情况。而城市地下管线现状资料作为地下工程规划设计、施工和运行管理的基础数据，必须为合理地开发利用地下空间，加强城市地下空间的统一规划管理提供科学依据。

目前城市管网系统大多停留在二维的管理基础之上，不能生动地表现具有三维特征的客观实体。而且，管线在地下的分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。由于三维直观性强，可从不同方位再现物体，具有较强的立体感、逼真感，通过三维可视化可以直观地看到城市地下纵横交错、上下起伏的实际管线。所以建立城市三维管网系统，有利于全面反映地下管网的分布状况，便于管网的维护、检测，实现管网信息从无序到有序化管理。此外，将管网信息与城市基础地理信息融合在一起，可实现信息共享，为城市的施工建设提供准确、现势的资料，为科学管理提供辅助决策的依据。

1.2管线系统功能需求

需求分析阶段最重要的就是了解系统的功能需求。只有系统功能需求明确，才能给后面的系统开发确定明确的目标。

以综合管线测绘数据管理系统为例，通过多次和用户的沟通交流，确定系统的功能需求如下（以系统用户用例图来表示）：

图1 综合管线测绘数据管理员用例图

图2综合管线测绘数据普通用户用例图

从上面两个用例图可以看出，综合管线数据库系统管理员拥有最高权限，可以对综合管线数据进行入库管理、视图管理、查询统计、编辑、符号库管理、制图输出、三维浏览、二三维视图切换等各种操作；而该系统的一般用户则只能对综合管线数据进行视图管理、查询统计、三维浏览和二三维视图切换等基本操作。

1.3管线数据需求

数据是地理信息系统的核心。数据的状况对系统目标的影响很大。在考虑系统目标时，需要对数据进行评估、分类和登记。在需求阶段，需要对用户单位现有的数据源进行调查，包括能获得哪些数据；这些数据可划分为几个类型；它们之间有何联系；哪些是基础数据，哪些是可以由基础数据生成的合成数据和综合数据。

在综合管线数据管理系统中，为了在三维场景中显示三维管线和三维地形，系统需要用到的数据包括：含有平面坐标和高程值的各类管线数据、以及井等管点附属设施矢量数据、基础矢量数据、三维地形数据（DEM）、遥感影像数据（DOM）。

2系统总体设计

2.1系统的技术路线

（1）考虑到系统对于空间数据交互较为频繁和GIS空间分析要求较强，可采用客户机／服务器（C/S）的体系架构。

（2）数据库管理系统采用当前国际上先进成熟的关系型数据库管理系统Oracle存储海量数据，实现对空间数据的集中统一管理和分布式应用。

(3) 采用美国ESRI公司的ArcGIS系列产品作为GIS平台，空间数据库引擎使用ArcSDE，支持Windows平台和UNIX平台。通过空间数据与属性数据的相互关联，以网络技术、C/S技术为基础，进行系统集成。

(4) 系统建设与开发采用面向对象的软件工程方法，包括面向对象的分析方法、面向对象的建模技术、面向对象的编程技术。严格按照软件工程的要求进行系统建设的规划、管理、开发、风险跟进及规避。

2.2系统的层次结构

系统设计充分考虑业务与功能的紧密结合，并根据应用需求和设计原则，将系统总体结构划分为五层，分别是数据采集层、数据库层、通用组件层、应用层及用户层。

1、数据采集层

主要完成综合管线数据的采集、基础地形数据的获取与处理等。

2、数据库层

数据库层由基础地理信息矢量数据库、栅格数据库、综合管线测绘数据库、三维景观模型数据库和系统维护管理数据库组成。各种数据库可以分布式存储在用户单位的数据交换中心。它为该单位各相关部门的应用提供数据支持。

3、通用组件层

它是所有应用系统的基础。在各个子系统的基础上，抽取类似功能构建通用组件，避免功能重复开发，达到业务变更时组件修改即可满足全部系统修改的要求。

4、应用层