基于Skyline的機場三維地下管線信息系統(tǒng)開發(fā)

裴 旭，施 昆

（昆明理工大學，云南 昆明650000）

城市化的迅速發(fā)展對城市的交通提出更高的要求。機場建設是城市交通建設的重要組成部分。地下管線是機場重要的基礎設施，是機場運營、管理、賴以生存和發(fā)展的重要基礎。機場地下管線具有管線種類繁多、管理任務復雜、分析統(tǒng)計工作量大、確保資料歸檔數(shù)據(jù)安全等亟待解決的問題?；诖?，三維可視化管理對于地下管線的管理顯得尤為必要。首先在三維環(huán)境中能夠形象、直觀表現(xiàn)二維平面中交叉在一起、無法區(qū)分平面位置相同而埋深不同的各種管線的空間形態(tài)；其次可以從不同的角度對管線進行分析和輸出平面布置圖，便于已埋管線的管理和新增管線的設計。鑒于地下管線信息管理具有資源的合理調(diào)配、安全管理、提高利用率，并實時地對地下管網(wǎng)更新、查詢的優(yōu)點，本文運用CJHJ開發(fā)語言在Micr osoft．NET平臺上基于Skyline進行機場三維地下管線信息系統(tǒng)的二次開發(fā)。

1 基于skyline的系統(tǒng)開發(fā)方法

1．1 skyline開發(fā)工具應用分析

Skyline軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其他的2D或者3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集層等創(chuàng)建的一個交互式環(huán)境 它允許用戶快速融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實時信息流通訊技術，還能快速和實時地向用戶展現(xiàn)3D地理空間影像。

Skyline軟件家族系列產(chǎn)品為網(wǎng)絡和非網(wǎng)絡環(huán)境提供了一個三維交互的窗口，用戶可以在本地或者網(wǎng)絡環(huán)境下進行基本數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)分析等，產(chǎn)品分3個模塊（Skyline－Globe產(chǎn)品系列技術白皮書），分別為Terra Explorer，TerraBuilder，Terra Gate。TerraExplorer是 基于互聯(lián)網(wǎng)和本地環(huán)境的多元地形模型瀏覽、分析、編輯和發(fā)布工具；TerraBuilder使用航空／衛(wèi)星影像和高程數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維地形模型；Terra Gate是一種強大的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務器技術，用流方式來傳輸和管理三維數(shù)據(jù)的高效可升級的網(wǎng)絡服務器。

Skyline提供了三維管線生成的接口［3］。地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括兩部分，即管線矢量數(shù)據(jù)和管點矢量數(shù)據(jù)。目前管線數(shù)據(jù)在三維中的顯示主要是圓柱體對象，即Cylinder對象，包括管線的屬性數(shù)據(jù)、管線種類、起點X，Y坐標、起點埋深、終點X，Y坐標和終點埋深，根據(jù)接口Creat Cylinder方法，創(chuàng)建三維管線數(shù)據(jù)。管點數(shù)據(jù)主要是模型數(shù)據(jù)，即Model對象。包括井X坐標、井Y坐標、井底深和旋轉角，在skyline軟件中根據(jù)接口Create Model方法，創(chuàng)建三維管點數(shù)據(jù)。

1．2 地下管線信息系統(tǒng)建設流程

地下管線信息系統(tǒng)的開發(fā)是由數(shù)據(jù)體系建設、三維基礎平臺建設、三維應用系統(tǒng)建設3部分組成。

前期準備的數(shù)據(jù)有基礎地形圖、遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、地下管線探測數(shù)據(jù)以及用于三維建模的基礎場景、建筑模型和管網(wǎng)模型。將正射影像文件和DEM數(shù)據(jù)導入到TerraBuilder模塊中制作成Skyline數(shù)據(jù)［4］，并轉換為．mpt格式場景文件，這部分數(shù)據(jù)要和管線數(shù)據(jù)能夠在空間范圍上匹配，并通過Terra Gate發(fā)布，在Terra Expl orer Pr o中，進行二、三維模型的建立。管點管線數(shù)據(jù)通過程序自動生成和裝配，并存儲于工程文件（．fl y）中，按特定目錄結構存放在客戶端程序目錄下，在工程文件中會引用到相應本地目錄下，用Skyline工程文件（．fl y＋xpl2）實現(xiàn)地表模型數(shù)據(jù)制作，包含建筑、道路、綠化帶、行道樹、路燈、信號燈、地面模型等。Skyline無法支持復雜模型的動態(tài)建模，管點是較為復雜的模型，因此管點生成預先在3DMax軟件中制作模型［5－6］，通過軟件縮放、旋轉到三維空間中的位置，用Terra Explorer Pr o模塊創(chuàng)建應用程序，并將三維模型加載到程序中。

三維基礎平臺建設是指構建平臺運行所必須的基礎軟件、硬件和網(wǎng)絡運行環(huán)境。Skyline提供應用接口進行管線管理所需功能開發(fā)和后臺信息數(shù)據(jù)庫開發(fā)。本文系統(tǒng)采用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，選用基于SOA構架的Microsoft．NET 4平臺，接口服務采用Web Services技術。

三維應用系統(tǒng)建設即機場地下管線三維地理信息系統(tǒng)應用功能開發(fā)，通過平臺強大的三維空間信息支撐，實現(xiàn)系統(tǒng)直觀的地理信息三維展示和專業(yè)的空間分析。

2 系統(tǒng)設計

2．1 系統(tǒng)總體框架設計

系統(tǒng)建設自下而上可以劃分為4個層次，即基礎層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層?；A層是系統(tǒng)運行需要的基礎支撐環(huán)境，包括基礎軟件環(huán)境、基礎硬件環(huán)境和網(wǎng)絡環(huán)境。數(shù)據(jù)層為整個平臺的運轉提供數(shù)據(jù)支撐，涵蓋基礎地形數(shù)據(jù)、三維地理信息數(shù)據(jù)庫、管線專題應用數(shù)據(jù)庫和平臺業(yè)務數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)體系，以及在此基礎上形成的數(shù)據(jù)處理、集成、組織、管理、維護和更新的機制。服務層是三維基礎平臺，包括三維基礎軟件、三維基礎地理信息應用數(shù)據(jù)請求服務接口和應用集成，為整個平臺的運轉提供服務支撐。應用層即通過三維基礎平臺構建的應用系統(tǒng)，依靠基礎平臺的空間信息服務，開發(fā)面向機場管線信息管理、現(xiàn)狀成果三維展示、管線搶修應用等功能的應用系統(tǒng)。

2．2 系統(tǒng)功能結構設計

機場三維地下管線信息系統(tǒng)實現(xiàn)對機場的地下管線可視化管理，方便管理人員對管線的空間位置直觀掌握，輔助應對突發(fā)事件或建設規(guī)劃的決策［7－9］。因此，系統(tǒng)功能設計既要考慮用戶使用方便又要滿足用戶的日常業(yè)務管理需求。系統(tǒng)功能設計結構如圖1所示。

1）基礎數(shù)據(jù)管理模塊?；A數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)同外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行交換，提供輸入輸出接口。其可根據(jù)當前的視野位置和范圍，即時發(fā)送到繪圖儀或打印機，打印輸出地圖或即時導出圖片文件；對于符合入庫要求的地下三維管線探測數(shù)據(jù)成果，自動讀取數(shù)據(jù)，三維管線自動建模，整庫三維模型自動更新；對圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)全部或者指定范圍的備份；按照數(shù)據(jù)圖層和數(shù)據(jù)種類進行整片區(qū)數(shù)據(jù)更新；按照元數(shù)據(jù)標準，建立相應的元數(shù)據(jù)表。

圖1 系統(tǒng)功能結構設計

2）三維場景瀏覽模塊。功能有三維場景顯示，即裝載和顯示機場片區(qū)三維地表建筑和三維管線模型；三維瀏覽場景控制，包括視野前后左右控制、縮放控制、旋轉控制、飛行模擬（環(huán)繞、線性、弧線3種方式）。

3）三維交互模塊。主要有三維查詢、三維量測和三維定位功能。選擇空間管線對象查詢其相關信息，包括管線編號、長度、管頂及管底坐標、管線類型、管徑、權屬信息等；實時量測并計算管線水平凈距和垂直凈距，測量管線埋深等位置關系和長度信息；根據(jù)管線的屬性信息、地名進行定位。

4）三維分析模塊。分析模塊的功能包括三維分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、三維實時開挖。根據(jù)地表指定位置上的剖面線，顯示相應橫縱管線剖面，自動跟蹤和動態(tài)顯示管線的延伸方向。實時統(tǒng)計整個片區(qū)或指定范圍內(nèi)的管線類型、長度、權屬等分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以電子表格文檔輸出或者直接打印輸出。三維實時開挖是根據(jù)地表指定的開挖范圍，顯示撥開地表后當?shù)氐墓芫€現(xiàn)狀。

2．3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺設計

采用數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一管理思想、數(shù)據(jù)統(tǒng)一分類編碼原則，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件選用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)系統(tǒng)的體系結構如圖2所示。入庫的管線數(shù)據(jù)為標準的Access格式數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)更新時，整個機場片區(qū)所有的數(shù)據(jù)都包含在一個文件數(shù)據(jù)庫中，一次性導入系統(tǒng)。二維管線數(shù)據(jù)入庫后，根據(jù)算法自動生成三維模型。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3．1 系統(tǒng)的功能設計實現(xiàn)

根據(jù)以上系統(tǒng)開發(fā)方法和系統(tǒng)設計，實現(xiàn)設計功能，如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)系統(tǒng)結構體系

3．2 系統(tǒng)的關鍵技術實現(xiàn)

3．2．1 三維數(shù)據(jù)獲取技術

人們越來越關注三維模型數(shù)據(jù)的準確性、逼真性和有用性。獲取三維數(shù)據(jù)在追求模型逼真和準確的時候，帶來數(shù)據(jù)生產(chǎn)的高投入。本系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)獲取采用先進的ALS50－II機載激光雷達系統(tǒng)、RCD105數(shù)碼系統(tǒng)同步獲取三維數(shù)據(jù)和建筑物正面影像、4個側面的紋理，解決大型三維GIS系統(tǒng)建設的生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)安全和有效存儲與管理等問題。

3．2．2 空間數(shù)據(jù)的多時態(tài)管理技術

技術主要是實現(xiàn)空間歷史數(shù)據(jù)的管理。實際應用中不但需要瀏覽現(xiàn)勢數(shù)據(jù)，也要回放過去某一時刻某一地理區(qū)域當時的情況。這就需要考慮數(shù)據(jù)的時間序列問題。在數(shù)據(jù)庫設計中以實體為單位建立時間索引，數(shù)據(jù)的變更以實體的變化為事件觸發(fā)。數(shù)據(jù)庫將實體的變化全部存儲起來，用戶可以在時間軸上的時間段過濾空間數(shù)據(jù)，做到任意時間數(shù)據(jù)快速回放。

圖3 系統(tǒng)部分界面

3．2．3 海量三維數(shù)據(jù)管理及調(diào)用

逼真的三維表示不僅具有多種細節(jié)層次的幾何表達，還要有表面描述，如逼真的紋理以及其他相關的屬性信息。本系統(tǒng)優(yōu)化設計了現(xiàn)有各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在保留現(xiàn)有的對象關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS）優(yōu)點的同時，采用面向對象數(shù)據(jù)庫設計的某些原理，具有將結構性的數(shù)據(jù)組織成特定數(shù)據(jù)類型的機制，這時數(shù)據(jù)庫不僅能夠處理三維數(shù)據(jù)的復雜關系，也能在邏輯上以整體對待的數(shù)據(jù)組織成一個對象。

3．2．4 三維地下管線自動生成技術

正如在本文2．1部分提到，Skyline提供了三維管線生成的接口。在管線場景生成時，讀取每個管點的坐標、埋深、管段的管徑等信息，自動生成管線三維模型，再對管網(wǎng)接頭、變徑進行二次自動模型化處理和裝配，根據(jù)材質(zhì)和管段類型裝配材質(zhì)和顏色，生成與現(xiàn)實情況接近的三維管線模型，最后將管線的各種屬性信息與模型建立關聯(lián)。管點數(shù)據(jù)生成較復雜，對于三通、四通，通過相連的管線圓柱自然形成。對于變徑管線點，通過圓錐來模擬生成［9］。在3DMax軟件中事先制作成Skyline的xp12格式管點模型，再將模型進行適當?shù)目s放和旋轉變換，放置在場景中適當位置。

4 結束語

本文介紹采用Skyline開發(fā)機場三維地下管線信息系統(tǒng)的基本過程和方法。采用三維建模和三維可視化開發(fā)等手段，建設地下管線管理系統(tǒng)，界面美觀友好，功能使用方便，而且還具有量測管線水平凈距和垂直凈距、地名定位、顯示橫縱管線剖面、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實時開挖等特色功能。該系統(tǒng)將管線資料整理歸檔，使管線標準統(tǒng)一，便于機場的內(nèi)部管理及相關部門信息共享。目前，本系統(tǒng)在昆明長水國際機場建設過程中成功應用，效果良好，能夠達到昆明新機場管線管理工作規(guī)范化、系統(tǒng)化和信息化的要求，對相關機場GIS管線系統(tǒng)的設計與開發(fā)具有參考價值。

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