三维可视化地理信息系统在校园地下管线管理中的应用综述.pdf

4 2 北京测绘 2 0 0 6 年第 1 期 三维可视化地理信息系统 在校园地下管线管理中的应用综述 陈靓 赵 冬玲 中国农 业大学信 息与 电气工程 学院 北京1 0 0 0 8 3 摘要 在分析几种三维建模方法 城市地下管线管理的现状及进展的基础上 结合 当前我校校 园地下管 线的管理状况 以校园地下给 排水管线为研究对象 提 出了将三维可视化地理信息系统应用到校园地下管线管 理 中去的研 究思路 关键词 地下管线 三维可视化地理信息系统 三维模型 空间分析 中图分类号 P 2 5 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 3 0 0 0 2 0 0 6 0 1 5 城 市地 下 管线 是城 市 基 础 设 施 的 重 要 组 成 部分 是城市赖以生存 和发展 的物质基础 被称 为城市的生命线f 1 作为校园重要基础设施的地 下管线 包括给水 排水 燃气 热力 电力和电信 管线等六大管线 分别担负着能源输送 污物排 放 信息传输 等工作 是实施校 园建设 的生命线 工程 地下 管 线 的最 大 特点 是 隐蔽 性 大 空 间 位置 信息 的获取较 困难 且精度较低 地下管线纵横 交错 密如蛛网 各类管线间 的空间关 系较 为复 杂 对于这个纵横交错 的巨大网络 我校虽有一 大批 设 计 施 工 与竣 工 资料 和 图表 但 是 由于 多 方面的原 因 这些资料残缺 不全 且有关资料精 度不高或与现状不符 在建设施工时容易发生挖 断或挖 坏地下 管线 造 成停水 通信 中断 污水 四溢等严重事故 另外 我校对这些资料一直采 用传统 的人工方式管理 效率低 下 资料零散 系 统性差 对于变化的区域 手 工绘 图存档几乎不 可能 图纸更 新 慢 管线 维 护 困难 校 园各 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 因此 随着校园规划建设 的发 展 提高地下管线 的管理水平尤为重要 采用 信 息化手段来高效管理地下各类专业管线 满足学 校决策 管理部门和施工单位的需要 已成为当务 之 急 l 数字校园中三维建模方法的研究现状 与进展 1 1 基于 Au t o C A D2 0 0 0的三维建模 A u t o C A D 2 0 0 0是精密制图软件 该软件允许 用户灵活建立点 线 面 体 有强大的点捕捉功 能 可 以方便地实现各对象 的移动 旋转 删除 更改颜色 进行布尔运算 三维视图显示 操作十 分容易 可以输入精确参数进行编辑修改 但是 A u t o C AD 2 0 0 0自身 不能 对模 型进 行 精确 渲染 一 般 要 进 入 3 D S或 3 D S t u d i o Ma x完 成 渲 染 A u t o C A D文 件 在输 入 3 D S时 以层或 颜 色来 区分 实 体 同一层或同一颜色的物体被认为是一个 实 体 容易造成多个物体连接 进行贴 图轴定义时 会遇上麻烦 因而在具体操作中需严格分层或颜 色12 收稿 日期 2 0 0 5 1 2 2 0 作 者简 介 陈靓 1 9 8 3 一 女 安徽五河人 地图学与地理信息系统专业在读硕士 研究方向为地理信 息技术研究 维普资讯 2 0 0 6 年第 1 期 北京测绘 4 3 1 2 基于 3 D S t u d i o Ma x的三维建模 3 D S t u d i o Ma x是 1 9 9 6年 K i n e t i x公 司 在 以 前 3 D S t u d i o的 基础 上 重新 开 发 的一 种 全 新 的可 用 于 P C机 上 的三维 造 型 和动 画软 件 该 软件 通 过大量外挂模块和更多的第三模块可极大地扩 展其功能 3 D S t u d i o Ma x建立三维模型应从计 算机辅助设计软件中导入建模实体的轮廓线 然 后 运行 工 具进 行 三维拉 伸 纹理 贴加 该 系 统在 三维建模 中建筑物表现较为细腻 可引入较为丰 富的光影工具生成各个角度的透视效果 其不足 之处在于模型参数不能精确输入 不能进行点的 精确捕捉I 4 1 1 3 基于 I MAGI S C y b e r c i t y的三维建模 I MA G I S C y b e r C i t y是 由武 汉 适 普 公 司开 发 的软 件 分 I MA G I S和 C y b e r C i t y两 大 块 C y b e r C i c y具 有 三维几 何 重 建 屋 顶与 墙 面纹 理 提 取 和 修复功能 I MA G I S以数字正射影像 D O M 数字 地面高程模 D E M 数字线划图 D L G 和数字栅 格图f D R G 1 作为综合处理对象的虚拟现实管理的 G I S 该系统以 D E M为基础 以 D O M 为地表纹 理 利 用 数 码 相 机 获 取 墙 面 纹 理 依 据 数 字摄 影 测量和 C A D数据等进行三维实体的重建 管理 查询分析 属性定义与可视化操作 2 在建模过程 中 D E M 的获取既可以通过武汉 适普公 司的全数字摄影测量 系统 f V i r t u o Z o 像片 处理 匹配编辑 生成 也可通过其它二维 G I S软 件f 如 G e o Wa y等 从地形图获取 生成 I MA G I S可 读 的 D E M 文本文件 在地面情况较为复杂 的情 况下 D E M 的制作需要外业测量高程点作加密与 检核 在实际操作 中 常规建筑物的重建可从航 片和数字化地形 地籍 图获取 异形地面与不规 则建筑物则可利用 I MA G I S的人工建模 2 在地下管线 的三维建模工作 中 可以利用 I MA G I S提供 的 创 建 管线 功 能 根 据 管线 的 一 系 列参数方便快捷地建立或成批创建三维管道 真 实 直 观 地 再 现 地 下 管 道 的 三 维 景 观 同 时 I MA G I S提供了准确的三维管线地理数据 可以 更加快捷 准确 经济地进行设备 的维修 更换 改造等 缺省情况下 I MAG I S建立的三维场景的 属性数据 由 A c c e s s 数据库进行管理 方便地对地 下管线 实体的属性信息进行查询检索 I MA G I S 还设置了强大 的空 间分析菜单 方便用户选 择使 用 并提供 了二次开发接 口 以满足用户更多空 间分析的需求 2 地下管线管理现状 2 1 城市地下管线管理现状 城市地下 管线是城市经济活动和人 民生活 的命脉 任何 时期 城市都极 为重视地下管线的 管理 工作 1 8 0年代前 所有管线的权属部门和城建 部 门都建有完备的档案室 以保存管线的竣工图 和 各种 管 线 的 属 性 卡 片 表 册 但 随 着 城 市 的 发 展 这种手工管理方式远远跟不上城市的需求 矛盾 日益尖锐 2 8 0年代后期至 9 O年代 为了摸清城市地 下 管线 的情 况 我 国开 展 了大 规模 的城 市地 下 管 网普查 并率先使用计算机辅助制图技术 A u t o C A D 绘制管线分布图 使用 D B A S E F O X P R O等 数据库 管理 系统存储管理管线 和管件的属性信 息 由于管线的空间信息和属性信息分别存储于 不同的介质 很难统一利用 和管理 也难 以进行 信息的更新 3 9 0年代初期至中期 随着地理信息系统 软件被广泛应用于一些行业 于是也迅速推广用 于管线空间信息和属性信息的管理 我 国于 9 0 年代初相继使用 国外的 G I S平 台 AR C I NF O I N T E R G R A P H 1 有 的甚 至用 A u t o C A D探索 开 发 管 线信息管理系统 与此同时国产 G I S平台研制成 功f 如 MA P G I S等 用 国产 G I S平 台也开发 出了 地下管线信息系统 如 1 9 9 4年开发成功的南京 炼油 厂综合管线 信息管理系统 和江西南昌 自来 水管网信息系统等 由此城市地下管线信息管理 系统 的发 展进入 一个 新 的 阶段 4 至 9 0年代中期以来 包括广州 常州 上 海 杭州以及一些中小城市 等都开始进行地下管 线普 查 并着手建立城市地下综合管线信息系 统 在管线信息系统的建立上 国内的广州城市 信息研究所 武汉中地和吉奥公司等都基于不 同 的平 台开发建立 了应用于不 同城市 的管线信息 系统 为地下设施 建立空间数据档案 并取得 了 很好的效果口 1 5 传统 的地理信息系统 2 D G I S 基于二维 图形 平 台 采 用 关 系 数 据库 管理 系统 对 数 据 的 维护 更新 恢复是很有效 的 但现代数据管理不 得不处理更复杂的需求和维护更复杂的数据 而 虚拟现实技术发展以后 新的基于三维图形平 台 维普资讯 北京测绘 2 0 0 6 年第 1 期 的可视化地理信息系统 I MA G I S采用面向对象的 数据管理系统 可以更 加真实 直观地处理越来 越复杂的三维数据 通过 I MA GI S系统平 台可以 建立一个三维可视 的地理信息系统 能够为数据 的管理 基建 维修 扩建和决策等提供最新的地 上 地下信息 是进一步提高城市管理效益 管理 水平 的新途径 而利用系统生成 的三维漫游影 像 可以更好得起到宣传城市作用 2 2 我校地下管线管理现状 1 我校于 1 9 0 5年建校以来 走过了风风雨 雨 的 1 0 0年 由于 历史 原 因造 成 我 校现 有 的地 下 各类专 业管线 资料残缺不全 资料大多以图纸 图表等形式记录保存 在过去由于种种原 因 造 成部分老地下管线资料精度不高 点位误差大与 现状不符 2 资料 以图纸 图表形式记录保存 采用人 工方式管理 效率低下 一旦作为 活地 图 的老 工人退休 就要花费大量的人力 财力对新人员 进 行 培训 3 我校地下管 网比较繁多复杂 不仅仅包 括给水 排水管线 还有 电力 燃气 热力等管线 管线 资料零散 整体性 系统性差 大量 图片汗牛 充栋 查 找 困难 4 随着校园进一步规划 管网变动频繁 手 工绘 图存档几乎不可能 管 网数据得不到更新 不利 于校 园 的进一 步规 划 建设 5 上述 四点原因的存在 导致 了在建设施工 中时 常 发生 挖 断或 挖 坏地 下 管 线 造 成停 水 停 暖 通信 中断 污水 四溢等严重事故 而管线的资 料的不准确 和残缺不全 造成了维修 的不 及时和 繁琐 3三维可 视化 地 理信 息 系统 在数 字校 园 和校园地下管线管理中的应用 三维 可 视 化 技 术 作 为 数 字 校 园 的关 键 技 术 之 一 是 一 种 动 态 的可 视 化 技 术 它 为 校 园 的 规 划 建设 与 管 理提 供 了一 种 全 新 的辅 助技 术 手 段 和方法 实现在虚拟场 景 中观察校园建筑的风 貌 审美规划布局和空间设计 地下管线信息和 管线相关的地形 环境信息从根本上讲是地理信 息 具有 区域分布性f 具有空间定位的特点 数据 量巨大 信息载体多样等特殊性质 并 且经常需 要 实施 与 空间 和拓 扑 相 关 的查 询 和分 析 所 以必 须运用地理信息系统技术 将地理信息相关 的空 间位置 属性特征及时域特征进行统一管理 以 便有效地分析和投入生产 3 1 具体应用思路 希 望 通过 武 汉适 普 公 司 的 V i u o Z o A A T V i u o Z o N T及 I MA G I S和 国 际 知 名 平 差 软 件 P A T B进行校园地下给水 排水管线 三维实体的 重建和管理 查询分析 属性定义 可视化操作 管线相关数据库的建立 重点是实现基于模型和 数据库的给 排水管线空间分析 3 1 1 调查和资料的收集 了解校园地下给 排水管线的管理现状 收 集校区 1 1 0 0 0 0的航空影像 1 1 6 0 0近期规划图 校 区 1 2 0 0 0地形 图 校 区 1 1 0 0 0地下 管 线 平 面 图等必要 图件资料 收集各实体模型的属性信 息 确保后期进行查询 检索 分析等操作时资料 的 正确 与完 整 性 由于 学 校 正 处 于 规 划 发 展 时 期 有些图件可能存在更新不及时 点位误差大 的 问题 这 些 需 要通 过实 地 调 查 获 得 验 证 一 旦 有上述问题存在 需要进行实地调查和测量获取 最新 数据 3 1 2 将收集的资料分类连带属性数据入库 对点 线要素进行分类连带属性数据入库 I MA G I S本身具有属性管理菜单命令 可以简单 地对管线的相关属性信息进行管理分类 如果仅 以校园给 排水管线为研究对象 数据量不是非 常庞大 而 A C C E S S数据库简单宜用 移植性能 好 可 以很 好 地 将 A C C E S S数 据 库 导 入 S Q L S e re r 或 者 O r a c l e中 去 故 可 同时 初 步采 用 A C C E S S对管 线 所有 属 性 数据 进 行 管理 查询 分 析 等 数据可简单分类如下 道 路 中心线 道 路 编 号 道 路 名称 路 宽 道 路 长度 道路边线 道路编号 道路名称 管线点 管点编号 X坐标 Y坐标 管点特 征 管点地 面高程 埋设时间 管线段 管线编号 管线种类 管径 材质 起 点 管顶 高 起点地面 高 终点管顶高 终 点地 面 高 埋设时间 管理单位 地 区 流向 附属设施 附属物编号 管段号 地面高程 埋 深 3 1 3 实景三维模型的制作 对所获得 的校 区 1 1 0 0 0 0的航空影像利用 V i m u o Z O A A T M进行空 中三角测量 并使用国际 维普资讯 2 0 0 6 年第 1 期 北京测绘 4 5 知 名 平 差 软 件 P A T B进 行 粗 差 检 测 和 高 精 度 的 平差计算 然后利用 V i r t u o Z O N T生成核线影像 进行 匹配 处 理 建 立 D T M D E M 自动制 作 正射 影 像 自动生成等高线 获得带有等高线 的正射影 像图 利用 I MA G I S中的各种方便快捷 的三维建 模 工具 可 以严 格 按 照 设 计 尺 寸 制 作 管 线 和 路 面 的三 维模 型 并 对 路 面 和绿 地添 加 相应 的纹 理 使模型更加真实 3 1 4 在 I MA GI S平台上进行二次开发 对地 下给 排水 管线 进行 空 间分 析 通 过 实地 调查 了解 在 校 园地 下 管 线 基 建 管 理 维 修 中下 列 分析很 重要 3 1 4 1 纵 断面 分析 纵 断 面 坐 标 系 以 沿 管 线 走 向投 影 到 路 面 的 长度作为横坐标 以管线的埋深作为纵坐标建立 纵断面图 目的是 了解某一条管线的沿中线方向 的地势 起 伏情 况 并 表 示 出沿 线 各 管 点 的位 置 和 各 个 管线 段 的埋 深 自动 产生 该 管线 纵 断 面对 应 的属性 数 据 和线 上各 管点 的属 性 数 据 包 括 管线 种类 管径 材质 管顶高 地面高等 从而全 面了 解该管线的地下分布情况 为管线的紧急维修 和 管线规划提供依据 希望根据建立 的管线纵断 面 道 路纵 断 面及 管井 断 面 的计 算 模 型 选 择 管 线 断 面 道 路 断 面 以及 管 井 断面 数 据 生 成 断 面 图 1 O O 图 1 纵 断面 图 3 1 4 2 横 断 面分 析 横断 面 分析 同纵 断 面图 相似 也应 首 先确 定 坐标 系统 便 于分 析 结 果 的表 示 以横 断 面线 作 为 横坐 标轴 横 断 面线 的起 点 作 为 原点 以管线 的埋 深作 为纵 坐标 建立 横 断 面图 的坐标 系 能 够 分析 垂直于地下管线 中线方 向的分布情况 标示 出管 线 的断 面尺 寸 种类 高程 管线 间距等属性 正 确 反 映 管线 与建 筑 物 之 间 管线 与管 线 之 间 的空 间位置关系等 希望通过建立各个管线与横断面 线 的分析 模 型 能计 算 与横 断 面相 交 的各 个 管 线 数 据 生 成 图 形 根 据 管 线 属 性 赋 予 不 同 的 符 号 并 标 注相应 的注记 和道 路路 面情 况 图 2 横断面坐标图 图上 厶为第 i 条与横 断面线相交 的管线 M 为横 断 面 4 1 4 3 关阀搜索分析 管线 发 生 事故 时 用 户 指定 事 故发 生 地 系 统 如何及 时搜索到最近 的阀门等控制设施及事 故 影 响用 户 并 了解 设 施 的情 况 以尽 快 提 供 事 故 解 决方 案及 通知 影响 用户 范 围 4 1 4 4 事故发生地分析 根据 用 户报 修 如 何快 速 找 到影 响 用 户正 常 使用的事故发生地 并紧急维修 4 2 将三维可视化地理信息系统 引入校园地下 管线管理的意义 从整 个 校 园地 下管 线 建设 的角 度来 看 将 三 维 可 视化 地 理 信 息 系统 引 入 管 线 信 息 管 理 有 深 远意 义 归纳起 来有 以下几 点 1 有利于实现各类专业管线信息的输入管 理 能用 电子 数 字产 品全 面地 反 映地 下 管 网 的现 状 包括各类管线 的空间位置 分 仇及其相互关 系 2 能够 实 现较 为 真 实 的 三维 景 观 模拟 将 先 进 的 一维 可 视现 实 和虚 拟 现实 进 行 集成 真 正 做 到 了所 见 即所得 3 有利于管线信息的有序化管理 可快速 准确地进行管线信息的检索和查询 进行各种统 计 分析和空 间分析 为管理 规划 设计 施工等 部 门提供准确 可靠的地下管线 的分布 走 向 埋 深等状态信息及各类专业属性信息 4 提 高数据的更新周期 有利于管线信息 的维 护 变动修 测 和更新 5 提 高信息的共享程度 各个部 门进行建 设施 工时可 以通过查询获得地下管线等公共设 维普资讯 4 6 北京测绘 2 0 0 6 年第 1 期 施的分布情况 以避免事故的发生 6 有利于紧急事故的处理 如煤气泄漏 给 水管破裂 供 电线发生火灾以及其它意外灾害造 成对地下管线的破坏 通过信息的快速查询和空 间分析功能 动态显示受影响的范围 快速制定 抢救方案 5 结束 语 综上所述 将三维可视化地理信息系统引入 校园地下管线的管理中 可以从根本上改变 目前 无序 的人工管理状态 节省大量的人力 物力 为 管理 设计 决策快速准确地提供各种所需 的图 文 声 像并茂的资料 保证校 园生命线工程的有 序化运行 对于提高校园规划建设 质量 早 日实 现全面数字校园等都具有极其重要的意义 2 参考文献 城市地下 管线探测 技术书册 编 写委员会 城 市地 下管线 探测 技术 书册 M 北京 中国建筑 工业 出版 社 1 9 9 8 杨剑 张云青 潘伯 鸣 面 向城市规划 的三维建模 技术 探 讨 A 江 苏省 测绘 学 会 2 0 0 3学术 年会 专 辑 2 0 o 3 1 2 2 1 2 3 3 刘春 姚连璧 雷伟 刚 城市地下综合管线信息系统 的 空间分析应 用 J 测绘科学 2 0 0 3 2 8 4 5 5 5 7 4 曾文 建立供水管 网信息 系统 的若干指导思想 Z w w W s up r e s o fi c o m c a 5 田应 中 张正 禄 杨旭 地 下管 线 网探 测 与信息 管理 M1 测绘 出版社 北京 1 9 9 7 8 6 孙 敏 马蔼乃 陈军 三维城市模 型的研 究现状评述 J 1 遥感学报 2 0 0 2 6 2 1 5 5 1 5 9 7 曾文 张德 津 面 向可持 续发展 的城市供水 管 网信息 系统 J 计算机工程与设计 2 0 0 4 2 5 4 4 9 0 4 9 2 8 杨伯 刚 龙 家恒 刘志祥 北京 市综合管网信息系统 的 建立 J 北 京测绘 2 0 0 4 2 4 7 9 贾文锋 地下管线管 理信息系统 的开发 与应用 J 测 绘与空间地理信息 2 0 0 4 2 7 2 4 1 43 1 0 胡卓玮 杨 国东等 3 D G I S中 3 D S数据模型的可视化研 究 J 吉林大学学报 信息科学版 2 0 0 4 2 2 1 8 7 9 0 1 1 韩 勇 陈戈 李海 涛 基于 G I S的城市地 下管线空间分 析模 型 的建 立与实 现 J 中国海洋 大学学报 2 0 0 4 3 4 3 5 0 6 5 1 2 Ap p l i c a t i o n Au t o l i n e s o f 3 D Vi s u a l GI S i n Ca mp u s Un de r g r o un d Pi pe l i n e M a na g e me nt CHEN L i a n g ZHAO Do n g l i n g c o l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d E l e c t ri c a l E n g i