（计算机科学与技术专业论文）城市地下管网空间分析与应急可视化处理.pdf

鸯 一 喈 h 1 i 北京邮电大学硕士学位论文城市地下管网空间分析与应急可视化处理 y 1 7 删5 7 6 1 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的i - q 志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 霉亟丑予日期：2 2 应车芝目8 目 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 2 壁也年互目丝圈 囊 套 北京邮电大学硕士学位论文 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 摘要 随着信息技术的发展和城市经济社会的发展，城市地下管道网络 的规模也逐渐扩大，排水管线、给水管线、燃气管线、电力管线等， 众多管线纵横交错、遍布整个城市，构成一张密织的网。这张网每时 每刻不停地为城市提供能源、信息和水，为经济发展和市民生活提供 了基础和保障。但由于权属单位繁多，单位之间的信息不能及时互通， 加之管辖地域互相重叠，各个单位在管道规划与施工上难免发生冲 突，导致施工延误甚至管段挖断等事故时有发生。因此需要建立一个 统一的城市地下管线可视化信息管理系统来解决上述问题。城市地下 管网可视化信息管理系统是存储、管理、分析管网数据，并三维可视 化显示管网运行状态的信息系统。 本篇论文主要研究并实现管网g i s 空间分析相关功能，并应用相 关功能为应急处理提供决策支持。二维方面包括底图数据的制作、信 息查询、地址匹配渲染、专题图制作和剖面图的制作；三维方面包括 统计分析、连通性分析、缓冲区分析、流向分析、安全距分析和管件 库管理等，并应用以上空间分析功能针对管线事故，给出应急可视化 处理方案：在论文中，首先介绍了相关的理论知识和技术方法。结合 管网的实际需要提取数据，制作供二维展示的道路图层，完成地址匹 配及其渲染技术。在此之后，论文对市政管网应急平台可视化模块进 行了需求分析，提出了模块应该具有的功能，结合空间分析功能给出 详细的设计与开发。最后通过应急处理实例，验证了上述实现的空间 分析功能的可行性和有效性。 论文结束部分基于前面的研究工作，设计并开发了管网可视化系 统，包括二维和三维部分，每部分都展示了各个分析功能，验证了各 个功能的正确性，达到了预期的效果。 关键词：三维g i s ，管网，空间分析，应急处理，可视化 j 一 u r b a nu n d e rp i p e n e t w o r ks p a t i a la n a l y s i s a n dv i su a l i z a t i o ne m e r g e n c y d e a l i n g a b s t r a c t 、m t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n du r b a ne c o n o m i c a n ds o c i a l d e v e l o p m e n t ，u r b a nu n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r kh a s g r a d u a l l ye x p a n d e dt h es i z e ，d r a i n a g en e t w o r k ，w a t e rs u p p l yn e t w o r k ，g a s p i p e l i n en e t w o r k , p o w e rp i p en e t w o r ka n ds oo n t 1 1 e yc r i s s - c r o s sa l lo v e r t h ec i t y , c o n s t i t u t ead e n s ew e a v en e t s t h en e ti sk e p ta ta l lt i m e sf o rt h e c i t yt op r o v i d ee n e r g y , i n f o r m a t i o na n dw a t e rf o re c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n dt h e1 i v e l i h o o do ft h ep e o p l e i tp r o v i d e st h ef o u n d a t i o na n ds e c u r i t y h o w e v e r , m a n yo w n e r s h i pu n i t sc a n n o te x c h a n g et h ei n f o r m a t i o nw i t h e a c ho t h e r t i m e l y , c o u p l e dw i t hg e o g r a p h i cj u r i s d i c t i o nl e a d i n gt o c o n s t r u c t i o nd e l a y sa n de v e nt h ee v e n t so fi n c i d e n t so c c u r t h e r e f o r e , w e n e e df o rau n i f i e dv i s u a l i z a t i o no fu r b a n u n d e r g r o u n dp i p e l i n e i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m t oa d d r e s st h ea b o v ei s s u e s v i s u a l i z a t i o no fu r b a n u n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r ki n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mi st os t o r e ，m a n a g ea n da n a l y z ep i p e l i n ed a t a ，a n d t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a ld i s p l a yo ft h es t a t u so f p i p en e t w o r ki n f o r m a t i o n s y s t e m t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e da n di m p l e m e n t e dg i ss p a t i a la n a l y s i so f p i p e n e t w o r k r e l a t e df u n c t i o n s ，a n d a p p l i c a t i o n r e l a t e d f u n c t i o n st o p r o v i d e d e c i s i o n s u p p o r t f o r e m e r g e n c yd e a l i n g t w o d i m e n s i o n a l i n c l u d e sm a pp r o d u c t i o n ，i n f o r m a t i o nq u e r y , t h ea d d r e s sm a t c h e sa n d r e n d e r i n g ，t h e m a t i cm a pp r o d u c t i o na n dt h ep r o d u c t i o np r o f i l e s ；w h i l et h e t h r e e - d i m e n s i o n a l ，i n c l u d i n gs t a t i s t i c a la n a l y s i s ，c o n n e c t i v i t ya n a l y s i s ， b u f f e ra n a l y s i s ，f l o wa n a l y s i s ，s e c u r i t ya n a l y s i s ，a n dp i p ef i t t i n g sf o rt 1 1 e l i b r a r ym a n a g e m e n t ，a n da p p l i c a t i o no ft h e s es p a t i a la n a l y s i sc a p a b i l i t i e s f o rp i p e l i n e a c c i d e n t s ，e m e r g e n c yr e s p o n s ei sg i v e nv i s u a lt r e a t m e n t p r o g r a m i nt h ep a p e r , f i r s t l yii n t r o d u c e dt h e r e l e v a n tt h e o r e t i c a l k n o w l e d g ea n dt e c h n i c a lm e t h o d s p i p en e t w o r kw i t ht h ea c t u a ln e e d so f e x t r a c t i n gd a t at op r o d u c et w o d i m e n s i o n a ld i s p l a yo ft h er o a dl a y e rt o c o m p l e t et h ea d d r e s sm a t c h i n ga n di t sr e n d e r i n g a f t e rt h a t ，t h ep a p e ro n m u n i c i p a lp i p en e t w o r kv i s u a l i z a t i o np l a t f o r mf o re m e r g e n c yn e e d s 北京邮电大学硕士学位论文 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 a n a l y s i sm o d u l e ；t h em o d u l es h o u l dc o m b i n ew i t hs p a t i a la n a l y s i s c a p a b i l i t i e sa n dg i v et h ed e t a i l e dd e s i g na n dd e v e l o p m e n t f o l l o w e db y e x a m p l e so fe m e r g e n c yd e a l i n ga n di t v e r i f i e st h e s p a t i a la n a l y s i s f u n c t i o nf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s a tt h ee n do ft h i sp a p e r , b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c hw o r k ，w ed e s i g n a n dd e v e l o p p i p e l i n e n e t w o r kv i s u a l i z a t i o n s y s t e m ，i n c l u d i n gt h e t w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lp a r t s ；e a c hp a r to fa n a l y s i s d i s p l a y st h e i rf e a t u r e sa n dv e r i f i e st h e i rc o r r e c t n e s s i ta c h i e v e st h e d e s i r e dr e s u l t s k e y w o r d s ：3 d g i s ，p i p e n e t w o r k ，v i s u a l i z a t i o n ，s p a t i a la n a l y s i s ， e m e r g e n c y d e a l i n g n i f 一 一 卜 譬 a i 目录 a b s t r a c t i i 目录 图表目录 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 主要研究工作与成果2 1 3 论文结构2 第二章相关理论技术4 2 1a r c g i se n g i n e 介绍4 2 2a r c m a p 技术5 2 3j a v a 3 d 介绍5 2 4 接口相关技术7 2 5 空间分析9 2 5 1g i s 空间分析介绍9 2 5 2g i s 空间分析的主要功能1 0 第三章二维底图制作与空间分析的设计与实现1 1 3 1c a d 道路数据的提取与二维底图的制作。1 1 3 1 1c a d 数据到g i s 数据的转换：1 l 3 1 2 二维底图的制作1 3 3 2 空间信息查询1 4 3 2 1 空间查询的方式1 4 3 2 2 地址匹配与渲染技术1 5 3 3 剖面图分析1 5 3 3 1 剖面图的设计1 6 3 3 2 剖面图的实现1 6 3 4 专题图1 7 3 4 1 专题图设计17 3 4 2 功能结构图1 8 3 4 3 具体实现中的关键技术1 9 第四章三维空间分析的设计与实现。2 2 4 1 三维空间信息查询2 2 4 2 缓冲区分析2 3 4 3 网络分析2 5 4 4 连通性分析2 6 4 4 1 管网图的概念2 6 4 4 2 管网连通性的矩阵分析2 7 4 4 3 管网连通性的遍历理论分析2 8 4 5 流向分析2 8 第五章管网应急可视化处理3 0 5 1 系统外部接口设计与实现3 0 5 2 管件库管理3 3 5 2 1 管件管理模块的设计方案3 4 5 2 2 管件管理模块的实现技术3 5 5 3 应急可视化处理流程展示3 7 5 3 1 针对受灾区域三维展示管网的运行情况3 7 北京邮电大学硕士学位论文 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 5 3 2 应急处理3 8 第六章应用实例4 3 6 1 系统的目标4 3 6 2 系统的经济、社会和环境效益4 3 6 3 系统整体功能结构4 4 6 4系统空间分析功能4 7 6 4 1 专题图制作4 7 6 4 2 剖面图的制作4 9 6 4 3 统计分析5 0 6 4 4 空间量算5 2 6 4 5 安全距分析5 2 6 4 6 缓冲区分析5 3 6 4 7 流向分析。5 6 第七章结束语。5 7 7 1 总结5 7 7 2 下一步工作展望5 7 参考文献5 9 致谢6 1 攻读学位期间发表的学术论文目录。6 2 v 图表目录 图2 1j a v a 3 d 虚拟场景结构刚巧j 7 图3 1 道路信息提取的程序流程图1 2 图3 2 多次存储的道路信息1 3 图3 3 带有道路信息的管网二维底图1 4 图3 - 4 查询类型1 5 图3 5 点线查询1 5 图3 6 专题图服务的功能结构图1 8 图3 7f e a t u r e r e r d e r e r 系列模块对象模型图2 0 图3 8 专题图模块类图2 l 图4 1 缓冲区重叠处理2 4 图4 - 2 简单管网图2 7 图4 3 管网邻接矩阵2 7 图4 - 4 管网流向分析图2 9 图5 1 应急数据传送方式3 l 图5 2x m l 格式存储应急管件属性数据3 1 图5 3 管件应急属性数据存储文件示例。3 2 图5 _ 4 应急信息定位1 3 2 图5 5 应急信息定位2 ：3 3 图5 - 6 管件管理顺序图3 4 图5 7 管件属性数据：用户视图3 5 图5 8 管件属性数据：存储格式3 5 图5 - 9 管件属性数据存储文件示例- 3 6 图5 1 0 应急模块功能结构图3 9 图5 1 1 应急处理模块流程图4 l 图6 1 系统整体功能结构图：4 5 图6 - 2 供水管网的独立值图和放大后的效果：4 7 图6 3 统计图一柱状图4 8 图6 - 4 三维场景中的独立值图4 8 图6 5 横剖面图的查询与显示4 9 图6 - 6 纵剖面的生成5 0 图6 7 纵剖面的打印输出功能5 0 图6 8 查询污水管网管点的数量5 l 图6 9 管网统计分析5l 图6 1 0 管线空间量算5 2 图6 1l 安全距分析：5 3 图6 1 2 管点缓冲区分析5 4 图6 1 3 管段缓冲区分析5 5 图6 1 4 管网缓冲区分析5 5 图6 1 5 出现爆管后的流向分析示例5 6 v i 一 _ 北京邮电大学硕士学位论文 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 1 1 研究背景 第一章绪论 管网系统作为城市市政管理的一个重要组成部分，目前已经开始采用g i s 技术进行管理，利用g i s 特有的空间分析功能，可实现对已有管线资料的信息 挖掘，并以可视化的方式提供给用户，从而可方便直观地为市政部门提供辅助分 析与辅助决策等服务u 】。 空间分析是基于地理对象和形态的空间数据分析技术，其目的在于提取和传 输空间信息。空间分析是地理信息系统的主要特征，是地理信息系统区别于一般 信息系统的主要方面，也是评价一个地理信息系统成功与否的一个主要指标。地 理信息系统的目的不仅是为了绘图，也主要是为了分析空间数据，提供空间决策 支持信息。因此空间分析是地理信息系统的主要功能是核心，是灵魂。空间分析 能力在二维g i s 中就比较薄弱，目前大多数的g i s 都不能做到决策层次上来， 只能作为一个大的空问数据库，满足简单的编辑、管理、查询和显示要求，不能 为决策者直接提供决策方案。其中很大一个原因就是在现有的g i s 中，空间分析 的种类及数量都很岁2 1 。在三维g i s 中，同样面临着这个问题。因此，研究开发 g i s 的基本空间分析，并利用空间分析功能，为应急处理提供可视化决策支持， 是三维g i s 发展的一个重要方面p j 。 城市市政管网信息管理系统及可视化动态管理系统依托于“十一五国家科 技支撑计划项目，“城市市政管网规划建设与运营管理关键技术研究与示范”。系 统的目标是基于g i s 的空间分析技术、可视化技术，开发一个满足市政管线管 理实际需求的可视化系统。系统采用二维和三维相结合来实现对市政管网的可视 化显示。本文通过分析地下管线的二维特征，总结出地下管线三维空间分析应具 有如下功能：三维空间查询、三维空间量测、三维缓冲区分析、三维流向分析分 析、剖面图分析、三维统计分析等。管网应急调度是当前复杂智能网络研究领域 中的一个前沿和热点问题。由于历史原因和技术局限，造成地下管线的缺漏、偏 差和滞后，造成调度、指挥、决策迟缓，从而发生管线损坏事故【训。应用管网空 间分析功能可以使维修人员快速做出决策。针对受灾区域三维展示管网的运行情 况，分析出现事故的管件周围网络拓扑结构，从而进行空间分析和应急处理。 因此，设计开发城市地下管网可视化信息管理系统，应当包含g i s 特有的空 间分析功能，利用空间分析功能，直观、快速的展示管网运行状态，给出事故处 理方案，减少事故造成的灾难并控制事故的蔓延。 1 2 主要研究工作与成果 城市地下管网可视化综合信息管理系统实现对管网静态信息和动态信息的 三维可视化，使得用户通过本系统能够直观的查看管网的信息及运行情况。为了 能够快速直观地应用空间分析功能实现应急处理的可视化。主要在以下方面进行 研究和实现。 1 ) 研究a r c m a p 技术，从c a d 图纸中提取道路信息，并制作适合管网的多 图层底图、提取道路名称信息，完成了地址匹配和渲染功能。研究a r c g i s e n g i n e 技术，二次开发满足管网要求的专题图，将隐藏在管网中的数据， 根据用户的喜好，直观的显示出来。 2 ) 研究g i s 空间分析功能，完成二三维空间分析功能，包括空间查询、剖 面图分析、统计分析、缓冲区分析、连通性分析、流向分析和管件库管 理。 3 ) 应用以上研究方开发的空间分析功能，完成了应急处理可视化功能模块 的开发，为事故提供决策支持。主要包括应急接口的设计、管件库管理 的实现和应急处理的流程展示。经验证，利用空间分析功能可以快速、 直观、有效的给出应急可视化处理方案。 4 ) 最后结合整个系统，展示了各个分析功能，验证了各个功能的正确性和 可行性。 1 3 论文结构 本文共分为七章，首先在第一章绪论中给出了本文的研究背景，总结了文章 的主要研究内容和研究成果，并给出了全文的组织结构。其次，针对本课题相关 的理论和技术，本文在第二章的相关理论与研究中研究制作地下管网二维底图和 相关空间分析理论和技术。包括a r c g i se n g i n e 介绍、a r c m a p 技术研究、j a v a 3 d 、 空间分析和可视化系统接口相关技术。针对上述相关的理论和技术，本文选择了 几个关键部分进行详细研究，并结合本课题的项目特点进行设计。其中包括第三 章的二维管网底图制作和二维空间分析功能、第四章的管网三维空间分析和第五 章的管网应急可视化处理相关技术。 2 北京邮电大学硕士学位论文城市地下管网空间分析与应急可视化处理 在研究了相关技术并针对本课题的特点进行设计实现后，本文在第六章管网 可视化系统集成中介绍了基于前面提到的二维空间分析、管网三维空间分析和管 网应急可视化 间分析功能对 总结，并指出 第二章相关理论技术 2 1a r c g i se n g i n e 介绍 a r c g i s 是构建地理信息系统的一个平台化产品，开发人员通过a r c g i s 不仅 能实现客户端应用的开发，同时能够进行服务器功能的开发。开发人员可以通过 a r c g i s 配置定制a r c g i s 应用产品、扩展a r c g i s 构架和数据模型、在其它的应 用中嵌入地图和g i s 功能、构建和部署定制的桌面应用、构建w e b 服务和应用 垒垒嘲 可o a r c g i s 是在a r c o b j e c t s 组件基础之上构建和扩展的系统的。其中，a r c o b j e c t s 是一组本地c + + 组件，为a r c g i s 提供了强大的g i s 功能。在a r c g i s9 中，所 有的产品( e n g i n e ，s e r v e r 和桌面产品) 具有共同的开发环境e n 百n e 开发包， 这个开发包主要定位于通过a r c o b j e c t s 构建和部署定制的应用。a r c g i se n g i n e 这个新产品为开发人员提供了一种新的部署策略和资源，它是由一组核心 a r e o b j e e t s 包组成，其对象是平台无关的，能够在各种编程接口中调用，开发人 员能够通过它提供的强大的工具构建定制的g i s 和制图应用。 a r c g i se n g i n e 开发包 a r c g i se n g i n e 开发包是给开发人员二次开发使用的。开发人员通过a r c g i s e n g i n e 开发应用，然后提供给最终用户。a r c g i se n g i n e 的一个重要的特色是： 地图可以是你程序中的一个偶然的或中心化的元素。这个特色使得a r c g i s e n g i n e 能够很好地适应纵向市场应用。例如，如果你的应用定位于商业信息数据 库，e n g i n e 能够将从数据库中查询到的感兴趣商业位置在表格中显示的同时，在 地图上高亮显示出来【6 j 。 a r c g i se n g i n e 开发包不仅提供了a r c o b j e c t s 集合包，也提供了几个开发控 件，用来创建高质量的地图用户界面。e n g i n e 开发包中包括下面这些可视化的组 件：m a p c o n t r o l 、p a g e l a y o u t 控件、t o o l b a r c o n t r o l 、r e a d e r c o n t r o l 、t a b l eo f c o n t e n t s 控件。e n g i n e 开发控件可以和其它的控件和组件组合在一起创建定制的 用户应用。标准的e n g i n e 运行库中提供了对多种不同数据格式的操作功能。 e n g i n e 能够显示和制作地图、通过执行各种空间查询和属性查询来查看数据，同 时提供了基本的制图、数据编辑和g i s 空间分析功甜7 1 。空间分析提供了强大的 查询和分析功能。在e n g i n e 中通过空间分析扩展可以从已有数据派生新的信息、 明确空间关系、查找最佳位置，以及计算两点之间的间距等。 4 北京邮电大学硕士学位论文 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 a r c g i se n g i n e 的应用 经过研究发现，开发人员可以通过e n g i n e 开发包实现以下的功能：多图层 ( 例如道路、排水管网、给水管网、燃气管网、热力管网) 显示地图、地图的漫 游和缩放、点击查看地图要素、查询和搜索要素、通过字段标注文本、编辑显示 图形要素( 点、线、圆和多边形等) 、绘制描述性文本、通过线选择要素，或者 通过面等选择在其内的要素、通过指定距离选择要素、通过s q l 表达式选择和 查找要素、通过专题图方法渲染要素，比如按值渲染、分类渲染以及点密度渲染 等、动态显示实时数据和时间序列的数据、通过提供的街道地址和交叉口来定位、 空间运算生成缓冲区、计算差异，或者查找相交部分、联合或反选相交部分等、 操纵地图的形状或角度、编辑地理要素和属性数据、a r c g i se n g i n e 即适合构建 基本的制图应用，也可以构建高级的g i s 应用【8 】【9 】。 基于以上几点，项目组决定基于a r c g i se n g i n e 二次开发实现所有二维可视 化相关功能。 2 2 a r c m a p 技术 a r c m a p 是a r c g i sd e s k t o p 中一个主要而复杂的制作地图的应用程序，具有 基于地图的所有功能，包括制图、地图分析和编辑。a r c m a p 提供两种类型的地 图视图：地理数据视图和地图布局视图。在地理数据视图中，你能对地理图层进 行符号化显示、分析和编辑g i s 数据集。内容表界面( t a b l eo f c o n t e n t s ) 帮助 你组织和控制数据框中g i s 数据图层的显示属性。数据视图是任何一个数据集在 选定的一个区域内的地理显示窗e l i l u j 【l 。 在地图布局窗口中，你可以处理地图的页面，包括地理数据视图和其他地图 元素，比如比例尺，图例，指北针和参照地图等。通常，a r c m a p 可以将地图组 成页面，以便打印和印刷。项目组的管线数据是从c a d 图纸中提取底图制作。 2 3j a v a 3 d 介绍 j a v a3 d 是s u n 公司开发的，适用于i n t e r n e t 环境的跨平台三维图形开发 工具包，与j a v a 3 d 相类似的技术有微软公司的d i r e c t 3 d 、开放的三维图形库 o p e n g l 和v r m l 。d i r e c t 3 d 主要用于三维游戏编程，并且只能应用在w i n d o w s 操作系统上面。o p e n g l 可以用来编写复杂的三维应用程序，但它和d i r e c t 3 d 一 样都是底层的函数库，编写难度比较大，编写应用程序时需要编程人员自己完成 各种复杂的设置、处理各种复杂问题【l2 1 。v r m l 是一个描述性的计算机语言， 5 主要用在网页上显示三维动画，能用来编写出一些简单的三维交互式应用程序， 但难以编写复杂的三维应用程序。j a v a 3 d 对底层的图形库o p e n g l 和d i r e c t 3 d 进行了封装。它的低层图形构造函数不仅综合了低层a p i ( o p e n g l 、d i r e c t 3 d ) 最好的绘图思想，而且它的高层图形绘制还综合了基于场景图的思想。j a v a 3 d 的本质是一个交互式三维图形应用编程接口，它可以和普通的j a v a 2 d 、s w i n g 、 a w t 等很好地结合。它用于实现三维图形显示和基于w e b 的3 d 小应用程序 ( a p p l e t ) 的j a v a 编程接1 ：1 ，具备了从网络设备编程到三维几何图形编程等各个 方面的功能。在效率方面，j a v a 3 d 也是出色的：它能并行着色，自动进行着 色过程的优化，拥有高效的流水线方式，自动利用硬件的加速功能，还能对场景 进行预编译以提高效率。( 基于j a v a 3 d 的三维专题信息可视化研究) 【l 引。 j a v a 3 d 继承了j a v a 语言的优良特性，为虚拟现实技术的发展开辟了新的路 径。它可应用在三维动画、三维游戏、机械设计、地理信息、医学三维重建、计 算机三维辅助教学等多个领域。它的跨平台性、面向对象性与当前网络技术相结 合，为虚拟现实技术的发展起到了巨大的推动作用。 j a v a 3 d 是通过场景图( s c e n eg r a ph ) 来管理场景中的各种图形元素。j a v a 3 d 的场景图类似于一棵大树，上面有很多分支。它的最底层的节点是v i r t u a l u n i v e r s e ，每一个场景图只能有一个v i r t u a lu n i v e r s e ，好似一棵大树的树根。 v i r t u a lu n i v e r s e 的上面是l o c a l e 节点，每个程序可以有一个或多个l o c a l e ，但同 时只能有一个l o c a l e 处于显示状态。每个l o c a l e 上面拥有一个到多个b r a n c h g r o u p 节点。要想建立三维应用环境，必须定义所需要的形体( s h a p e ) ，给出形 体的外观( a p p e a r a n c e ) 及几何信息( g e o m e t r y ) ，再把它们摆放在合适的位置。这些 形体及位置都是由相应的节点给出的，它们必须摆放在b r a n c hg r o u p 节点上， 摆放的具体位置由节点t r a n s f o r mg r o u p 设定。另外，摆放好三维形体之后，还 需要设定具体的观测位置及观测参数，完成了这些工作，就算完成了三维场景图 的建立1 1 4 】。其具体结构如图所示： 6 北京邮电大学硕士学位论文城市地下管网空间分析与应急可视化处理 图2 - 1j a v a 3 d 虚拟场景结构酣b l 基于以上几点考虑，本系统采用j a v a 3 d 对地下管网进行三维建模，因为 j a v a 3 d 可以用来生成简单或复杂的三维形体，如管点、管段、三通、四通等管 件，使形体具有颜色、透明和贴图效果，可以在三维环境中添加键盘、鼠标等事 件，并生成背景和声音等，使形体任意角度灵活地平移、旋转和缩放。j a v a 3 d 语言高效的建模优点，从高层次为开发者提供对三维实体的创建、操纵，使开发 工作变得较为简单。 2 4 接口相关技术 软件接口技术是指不同类型的软件在同一运行环境下彼此之间进行的程序 模块调用、参数传递、数据共享、功能相互支持与补充的方式与技术，接口技术 包括接口方式、接口安全技术、事务处理技术、性能优化技术和容错处理技术【i 州。 接口安全技术主要包括接口认证、数据安全等技术。接口认证技术又包括调 用认证和业务用户认证。虽然接口双方都是存在于地下管网系统中，但是仍不能 排除接口服务被攻击、恶意调用以及非法调用等。所以从接口调用上，必须考虑 7 调用的认证安全问题。另一方面，由于接口涉及地下各类管网工程中的各个不同 的业务，所以建立一套业务的用户认证机制是必须的。不同的用户所具备的授权 不一样，所能执行的业务也不一样。同时，业务用户认证中的用户信息也是记录 接口日志中的重要组成部分。数据安全技术是指如何保证数据在网络传输过程中 不会被截获并被解析其中的内容而引起信息泄露与如何保证数据在传输的过程 中的数据的完整性两个方面。为防止数据内容泄露需要采用数据加密技术，因此 也就涉及到加密的密钥问题。目前，可视化系统与应急平台等其他系统的接口上 有业务类型还不确定，到底是每种类型的业务采用不同的密钥，还是按分组来采 用同一种密钥的方式，还是所有的业务全部采用同一种的密钥的方式，按照需求 可以选择不同的技术，需要进一步与其他项目组协商决定。为保证数据的完整性 可以采用数据签名【l 刀。 在接口设计的时候就应该考虑性能上面的问题，不要在事后再加入性能。同 时，在项目的开发过程要反复进行测试，可以从机器的吞吐量和响应时间两个基 本的指标来衡量接口的性能。接口上面的性能考虑主要从下面几个方面来优化： 使用一次连接，多次调用，优化连接资源。 对于并行的接口调用使用异步的调用方式。 优化线程池减少竞争。 基于消息的编程而不是远程过程调用( r p c ) 。 尽量使用原始数据类型参数。 客户端向服务端发送数据，服务端解析数据，反馈信息给客户端，这中间的 环节只要某一个环节出现问题，都会造成接口的失败。按照失败产生的环节分类， 可以从三个方面来处理接口的失败【1 8 】： 网络连接失败：考虑采用发送端方记录发送日志，按照一定的时间间隔 重试发送。如果一直发生网络不通的情况，该发送日志被保存下来，待 后手工发送。 反馈错误信息：需要发送方应当能够捕捉异常信息，然后反馈给接收方。 接收方在接受到这类的错误信息之后，应当进行日志记录，能够自动或 手工分析异常的信息。 网络连接正常，但是无信息反馈：这种情况下，一般是发送方出现了异 常，但是又没有捕捉到。这种情况下，客户端把这种错误当作“网络连 接失败 来处理。发送方应能够实现相同数据包重新发送过来的处理机 制。 接口方式是指可视化系统与应急平台、运行监测数据库系统、城市管线查询 数据库系统等其他系统进行业务数据交互的方式，例如可以采用w c bs e r v i c e 接 8 北京邮电大学硕士学位论文 城市地下管网空间分析与应急可视化处理 口形式，接口数据传输采用x m l 数据交换格式，u t f 8 编码。可视化系统与应 急平台、运行监测数据库系统、城市管线查询数据库系统等其他系统是处于同一 大系统之上的分布式接口，使用的是分布式事务，因此可考虑启用分布式事务。 项目组对主要的接口技术进行了初步的研究，主要采取定时对应急平台获取应急 数据的方式。 2 5 空间分析 空间分析( s p a t i a la n a l y s i s ) 是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据 分析技术，其目的在于提取和传输空间