摘 要:将3DGIS技术应用到市政管线管理中,可以很好地解决二维GIS在表达地下管线垂直层次信息的缺陷,同时又能增强GIS数据接近现实的空间操作和空间分析体验。基于管件构件库思想,利用软件搭建技术开发管线专业三维功能插件,建立市政管线三维GIS系统。系统很好地实现了城市管线及周边环境的三维仿真显示,是一种仿真效果优良、集三维显示和三维操作为一体、可配置的市政管线三维GIS系统解决方案。
关键词:管线;三维GIS;构件库;软件搭建
中图分类号:TP
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)07-0268-02
0 前言
管线是城市的重要基础设施,担负着物资、能源和信息的传输工作,被比拟为城市的“生命线”。应用地理信息系统(geography information system,GIS)技术进行管线的信息化管理已经成为广泛共识。然而传统的二维GIS系统中,在表达管线层次信息(如高程、压力等)时,只是将其作为一个属性值进行处理。这就注定了它在管线管理中存在不可回避的缺陷,即无法满足管线深层次的空间模拟和分析的要求。三维GIS技术应运而生,它能更真实地反映管线的空间位置关系,通过建立三维管线仿真场景,为操作人员提供必要的三维人机交互性和自主性,再提供必要的三维辅助分析及决策工具,即可为城市管线的维护和规划建设提供科学决策、及时、有效的支持。
1 总体结构设计
市政管线三维GIS系统的总体设计采用多层C/S体系结构,分别为数据服务层、数据接口层、组件服务层和三维应用层,每一层分别为其上层提供服务和支持。
图1 系统逻辑结构
数据服务层:利用地理数据库存储经过建模生成的三维空间数据和属性数据。
数据接口层:地理数据(图形、属性信息)通过空间数据引擎从地理数据库中进行获取。空间数据引擎负责处理空间数据模型与关系数据模型之间的映射关系,使关系数据库能存储、管理和快速检索空间数据。
服务组件层:三维平台的基础显示驱动工具、专业建模工具,支持城市管线的三维可视化显示。
三维应用层:针对城市管线信息化管理的业务需求,实现了三维系统的设置,管线编辑、数据查询统计、漫游功能、管线分析功能,用户可以在三维场景下进行交互式实现爆管分析、埋深检测等。
2 关键技术及实现
2.1 构件库技术
2.1.1 基本思想
在进行管线三维建模时,通常的建模方案是将管线分为管段和管点进行分别建模。但由于管点存在多类型、多规格的情况,通用的建模方案无法对管点的实际情况进行准确表达。基于这种情况有学者提出构件库的建模思想。即将城市的各类管线划分直管、连接件、阀门和附属设施四类标准管件。结构简单的直管,通过几何建模实现。对于结构复杂的管件,可以借助专业三维建模工具如3DMax进行设计,建立管线构件库,通过管件与模型的对应关系,对管点进行精细表达。
基于构件库的建模思想,管线三维数据采用三维数据库与管件构件库交互的组织结构,如图2所示:
图2 管线三维数据结构体系
2.1.2 数据组织实现
在管线三维数据库中,每条管段或每个管点看作一个三维要素实体,每个三维要素实体通过几何信息和属性信息进行描述,其数据组织如表1所示。
表1 三维实体核心表结构
标识IDNameTypeTypeIDPipeID…
说明实体编码名称类型构件编码所属管线编码…
实体编码作为三维实体在系统中的唯一识别号;名称用来说明它是哪种实体;类型表示它具体属于什么类型;所属管线是指它归属于哪层管线。以排水阀门为例,其数据结构可为00025,排水阀,PSM,供水管线,PSF056,等。
管线构件库存储了通过专业建模工具所设计、符号化后的各种管件类型,其数据组织表2所示。
表2 管线构件库结构
标识TypeIDNameFTypeFeature
说明构件编码名称父类型规格
构件编码是指模型在构件库中唯一编码;名称是对构件的描述;父类型是针对于一些比较复杂的构件,如三通,四通的父类型可为连接件;规格说明该构件的一些特征信息,如口径等。
从以上两个表可以看出,管线三维数据库与管件构建库中都有共同的字段—构件编码,该字段即建立起了管线三维数据库与管件构件库之间的对应关系,当进行管线三维建模或模型编辑时,系统可以自动搜索出某三维实体所对应的管件模型。
2.1.3 管件耦合实现
虽然,城市管线种类多,各类管线上的附属设施又不尽相同。但是由于各类管线及其设施都是按照国家规定进行制造,如三通、四通的口径都有对应的、有限规格。所以构件库可以充分利用这一特点。当要给某两条、或三条管线进行节点模型配置时,系统通过以下步骤来实现:
(1)用户首先选中要耦合的几条管线,系统自动读取其管径信息;
(2)通过交互对话框,用户指定要选取的构件类型,如排水阀;
(3)系统自动从构件库中搜索出属于排水阀,端口口径与所选管段一致的管件;
(4)搜索出的管件自动耦合到管段上,再根据实际需要在保证管径耦合的情况下,进行一定的位姿调整。
2.2 软件搭建技术
2.2.1 搭建式开发思想
软件搭建技术是一种先进的软件开发模式,即“平台”+“插件”模式。其实质是插件技术的应用,确切地说,它是对插件技术的一种升级和演化。“平台”内部提供了平台和插件之间、插件和插件之间的消息机制,各种插件通过定义的标准接口实现访问,利用可视化的插件配置界面搭建应用系统。当利用这种开发模式进行GIS软件研发时,开发人员只需要将专业功能划分为若干插件,每个插件完成不同的功能。把各种专业功能插件搭建到平台中,此时,系统既拥有原来的基础功能,又有了扩展功能,即形成了专业的应用系统。这样的开发模式有效的减少开发人员的工作量,还保证了系统的高伸缩性和可扩展性。
2.2.2 配置式系统设计
市政管线三维系统设计器是实现快速构建应用系统的主要工具。用户依靠系统设计器提供的可视化配置工具配置完成系统界面设计,如系统的菜单、工具条、状态栏、热键、交互以及各种系统视图的位置;在数据中心的权限模块定义配置角色实现权限系统的设计;配置工作流的流程实现功能的设计;数据中心通过数据目录的配置实现数据管理的设计。如图3所示。这些系统的设计都是依赖于系统设计器提供的配置工具,不需要用户编码。
图3 市政管线三维GIS系统设计器
其中,在进行菜单设计时,系统配置人员只要从插件库中将功能插件自由“拖拽”到相应菜单的功能场景中,系统启动后,就可以顺利地使用菜单功能。
市政管线三维GIS系统针对城市管线管理业务的需要,划分为三维数据管理、三维通用显示、系统设置以及专业功能四大功能模块,各功能模块再进行细化为多个小插件,最后通过平台的插件配置行为,将功能集成起来形成最终应用系统。
3 应用实例
MapGIS7开发平台是基于最新的数据中心思想,采用“平台”+“插件”的开发模式建立的插件搭建式GIS平台,其三维开发平台MapGIS—TDE基于同样的设计思想。
市政管线三维GIS系统,通过建立管件构件库,对通用的管点三维仿真效果进行优化。并基于MapGIS搭建式平台在实现城市管线三维仿真的同时,充分挖掘三维场景下的管线的业务管理作用,提供了三维环境下的管线编辑、查询统计、管线分析、管线漫游等功能,为城市管线维护和规划提供更为科学、有效的支持。
图4 系统界面
4 结论
构件库技术成功运用到管线三维系统中,实现了管线设施的分门别类管理。在三维场景中可以根据实际情况将管线模型成功匹配到所需位置上,增强了管线三维仿真效果。先进的软件搭建技术运用GIS系统开发中,在已有的三维管线通用功能基础上扩展三维空间分析和三维操作功能,减少了开发人员的工作量,并以其扩展性好、定制灵活的特点,深受软件开发人员和管线管理部门的青睐。
不过,构件库的建模思想、搭建式的开发模式,仅是实现管线三维GIS系统的进一步尝试。相信随着三维GIS理论研究的深入,以及软件架构技术的发展,真正的管线三维时代会很快到来,会更加快速、科学、有效的服务于管线的日常维护和管理。
参考文献
[1]简季,吴剑,杨武年等.基于OpenGL的三维地下管线信息系统的设计与实现[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(10):1466-1468.
[2]胡圣武,李鲲鹏.三维GIS关键技术的研究[J].地理空间信息,2008,6(3):9-12.
[3]崔阳,王华.基于GIS的城市地下管线数据结构设计[J].计算机工程与应用,2005,(36):230-232.
[4]吴亮,杨凌云,尹艳斌.基于插件技术的GIS应用框架的研究与实现[J].地球科学—中国地质大学学报,2006,31(5):659-614.
[5]吴信才.数据中心集成开发技术:新一代GIS架构技术与开发模式[J].地球科学—中国地质大学学报,2009,34,(3):540-546.
