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基于三維GIS的地下管線信息管理 系統研究與實現
發布時間：2023-01-02 16:43
目錄
摘要 I
Abstract Ill
第1章緒論 1
1.1選題背景 1
1.2 三維 GIS 2
1.2.1三維GIS的發展歷史 2
1.2.2國內外三維GIS平臺介紹 4
1.3國內外研究現狀與存在問題 5
1.3.1國內外研究現狀 5
1.3.2存在的問題 6
第2章開發平臺介紹 8
2. 1 SuperMap 產品簡介 8
2. 2 SuperMap Objects.NET 組成 9
2. 3 SuperMap Objects. NET 類和對象 10
第3章 三維管網模型構建理論研究 13
3.1三維數據類型 13
3.2地下管網空間數據模型 14
3.3地下管網數據結構特點 14
3.4地下三維管網建模 15
第4章 地下管網系統設計 17
4.1系統設計 17
4.2系統框架設計 18
4.3功能模塊設計 19
4.4管網數據庫設計 20
4.4.1管網信息數據存儲形式 20
4.4.2管網空間數據的圖層劃分 21
第5章管網分析關鍵技術研究 24
5.1 橫截面分析 24
5.2縱斷面分析 28
5.3連通性分析 28
5.4地下場景的實現技術 30
5.5三維查詢 32
第6章 系統實現與功能測試 34
6.1系統開發環境 34
6.1.1開發平臺 34
6. 1.2開發語言 34
6. 1.3數據庫 34
6. 1.4運行硬件要求 34
6.2系統實現 35
6. 2.1基礎數據操作模塊 35
6. 2.2信息査詢模塊 37
6. 2.3管網數據管理模塊 38
6. 2.4管線統計模塊 39
6. 2.5管線分析模塊 40
6. 2.6系統管理模塊 41
6. 2.7三維管網模塊 42
6. 2. 8三維爆管分析模塊 42
6.3業務模塊測試分析 43
第7章總結與展望 45
參考文獻 46
致謝 49
攻讀學位期間發表的學術論文目錄 50
第1章緒論
1.1選題背景
城市地下綜合管網是一個極其復雜龐大的系統，包括給排水系統、供電系統、 熱力系統、通信系統、工業管道等，就像城市的生命線一樣，它們肓負著各種物 質的輸送和調配、各種信息的傳輸等工作叭在如今現實的地下管網工作環境中, 由于地下管網的特殊性導致地下管線的種類數量較多；由于施工損壞，管線老化 的原因，導致地下管線的壽命縮短，變化也比較頻繁；并且地下管網在三維空間 中存在層次復雜的特點，對于地下管網的科學管理是一個比較大的挑戰。在當今 城市化進程日益加快的今天，常見的傳統管網管理模式己經越來越不能滿足社會 發展的需要，因此迫切需要引入地理信息系統技術來對大量的地下綜合管線進行 科學、系統的管理。地理信息系統(Geographic Information System, GIS)是在 計算機軟硬件支持下，以采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物體的定位 分布及與之相關的屬性數據，并回答用戶問題等為主要任務的計算機系統。GIS 對于地理空間數據有著強大的展示和分析能力，而且GIS網絡分析等功能是解決 管網維護中遇到問題的利器，將GIS技術尤其是3D GIS技術用于地下綜合管網 的管理是大勢所趨。
地下管網的特點是層次結構錯綜復雜，其空間分布在地下縱橫交錯，參差不 齊。僅僅使用傳統的二維平面GIS技術來建立地下管線信息管理系統，不可避免 地會出現管線在平面上重疊、錯亂等問題，極易造成視覺上的不好分辨，導致管 理工作上的錯誤，給地下管網問題分析、決策也帶來極大的難度図。在二維GIS 技術體系中，僅僅使用二維的平面線數據來描述管網，這與實際應用場景是嚴重 不符的。在當今越來越復雜的城市地下綜合管網中問題更為突出，結果也比較嚴 重。例如大部分管線是沿著道路與街區鋪設的，地下各類管線在空間分布上不方 便確定，如果只是使用顏色，線形等特征來在二維地圖上區分各類管線，不僅數 據的顯示效果極差，而且還會給后續的操作帶來誤差，影響管理系統的正常使用o 如果將不同類型的管線按照一定的分類標準分層顯示，這樣雖然能解決雜亂的問 題，但是各管線之間的空間位置關系、埋設深度又很難形象地展現。這就需要將 地下綜合管線進行三維可視化表達，將二維和三維系統進行有效集成，實現地下
管網系統的二三維一體化，才能對地下綜合管線進行有效、統一的管理。由于三 維GIS技術能夠使人們獲得身臨其境的感覺，更符合現實世界的觀感，所以更能 完整地描述真實世界，這會大大增強系統的可操作性。將三維GIS技術用于管網 管理信息系統建設中，不僅可以使得錯綜復雜的地下管網在顯示層面上變得層次 明確，清晰明了，更能使得非GIS專業的管理人員也能夠輕松上手使用管理系統， 降低了管網管理過程中的人力成本。
城市地下管網管理信息系統對于城市的建設至關重要，它不僅服務于地下的 空間規劃，地下空間的開發與應用，同時也將是智慧城市建設的重要組成部分。 但是從我國城市的基本現狀來看，我國城市綜合管線管理、管線信息化建設滯后 于當前城市的發展，遠遠低于國際上同行業的水平，其混亂無序的狀況，已成為 束縛我國城市建設和地方經濟發展的原因之一⑷。因此，需要建立滿足實際情況、 符合實際工作需求的地下綜合管線管理系統，對各種地下管線進行科學的、規范 的管理，以保障城市“生命線”持續、健康、長久的發展。
維護與管理地下管網信息系統時，對于管網的狀況必須詳細普查，管網信息 必須及時更新。管網的科學管理必須要做到對管網數據庫的實時更新與維護，同 時由于GIS的數據特點，數據的之間的共享也必須要考慮。
由于地下管網信息主要與管網的地理位置、空間分布有關，使用GIS的空間 數據庫可以很好的解決這一問題。GIS的空間數據管理與分析技術是改變目前滯 后的管網信息化管理的根本途徑，是實現管網管理現代化的核心技術，另外三維 GIS以其在管網可視化、三維空間分析上的優勢，成為地下管網管理信息系統建 設時的最優選擇。
1.2三維GIS
1.2.1三維GIS的發展歷史
隨著GIS應用發展的深入,人們發現傳統的二維平面載體已經不能夠完全滿 足人們對于三維空間處理的要求。越來越多的應用場景從二維空間向真三維空間 過度。在一些對于三維管理有著迫切要求的公司或部門率先開展了三維GIS的研 究。來自加拿大的LYNX軟件公司基于三維計算機技術開發了 LYNX軟件。LYNX 被認為第一個具有三維GIS雛形的系統，但是其特性是針對了特定的行業開發， 對于大眾的三維GIS沒有普適性，加之當時三維GIS理論研究才剛剛起步，技術 手段相對來說比較缺乏，對于三維GIS的發展沒有形成好的技術支持。
GIS是一門有關地理、環境、資源、計算機的交叉學科，不僅僅涉及到計算 機技術、空間測繪與定位技術、空間數據庫技術，而且作為3S技術中的支撐平 臺，是政府部門和高校科研機構關注的熱點，它的發展也是方興未艾。傳統的二 維平面GIS始于上個世紀六十年代，在當今社會各個領域內已經得到廣泛的應 用和發展。二維GIS的實質是基于空間中的平面要素的（點、線、面），所以它 并不具備表達三維現實世界中具有的Z維度（高度）。目前對于三維GIS的研究 是當前GIS技術發展的一個新的方向，即如何解決三維信息高效獲取，三維信息 真實表達和支持三維數據的空間分析問題。
目前根據研究領域的不同，三維GIS的發展主要分為兩個方向。第一種是 從地理數據信息可視化的角度出發，即完成事物的三維化表達，完成從傳統二維 到三維的轉變，從可視化的角度出發，這是GIS發展的原點，當時的GIS就是從 桌面化制圖軟件進化而來。三維表達相對于二維來說更加討好我們的眼球，符合 我們人類的認知習慣。當今計算機圖形技術發展飛速，三維技術從硬件和軟件上 都得到了廣泛提升，三維技術會更好的服務于當今社會的生產生活。三維GIS 的還有一個發展方向是以數據結構作為切入點，其核心是研究出更適合三維數據 存儲的數據結構，并由此建立三維數據庫。GIS的核心思想是對地理信息的描述 和分析，一部分學者以空間對象管理方法研究入手，不僅要解決三維數據的存儲 問題，而且發展各種算法來實現三維GIS的空間査詢以及更加復雜的空間分析 功能。常見的如三維空間緩沖分析、三維坡度坡向分析、三維可達性分析等。三 維GIS最重要的功能是實現三維可視化表達與三維空間分析的結合，使得三維 GIS從只能屏幕上看的三維，到真空間三維的轉化。
VR-GIS是虛擬現實、三維可視化仿真技術與傳統GIS結合的產物，它不僅 提供給用戶常規的GIS功能，包括數據輸入輸出、數據查詢功能等。最重要的 是它對現實世界的表達是基于三維的視角，這與人們日常生活是一致的，這樣它 在管理空間信息的同時也給用戶真實的感覺。VR-GIS對空間對象還可以進行特 定交互方式的三維空間操作與空間分析。
GIS與虛擬現實的結合大致通過三個階段：數據的結合、數據模型和功能的 統一和虛擬現實與GIS的一體化閡同。虛擬現實技術應用在GIS領域中，使地 理信息在構建的三維虛擬環境中得以逼真的描述，并使得人機交互功能等得到了 淋漓盡致的發揮，用戶不但可以通過鼠鍵等計算機外圍設備完成漫游如視點選 擇、移動、縮放、旋轉等功能，還可以借助虛擬現實設備如立體眼鏡、環幕、投 影等設備將地理信息實體的類型、狀態等空間構成要素映射在屏幕上，使用戶達 到身臨其境的感覺。
VR-GIS的特點可以概括為如下四個方面：（1）地理表達的真實性：虛擬 現實（VR）特點之一為“沉浸感”，當地理環境或空間實體信息表達的越真實， 用戶越容易沉浸在虛擬的三維環境中；（2）空間維、時間維的漫游、查詢：VR-GIS 不但可以實現空間維上的查詢與分析，還可以虛擬過去或者未來的三維空間，實 現時間維上的査詢，即4D-GIS； （3）人機交互功能：人機交互即人與計算機之 間的對話及信息的反饋，通過人機交互界面（計算機屏幕）實現用戶與系統的交 流，并通過計算機外圍設備（鼠標、鍵盤等）對虛擬場景中的對象進行操作；（4） 空間對象信息回：VR-GIS需要的支持較多，不僅需要傳統GIS系統的空間屬性 數據與空間信息數據，而且還必須包括多媒體文件，如高質量的音頻，視頻，圖 片等。隨著軟硬件技術的進步，虛擬現實GIS更是向著增強現實GIS進步。
1.2.2國內外三維GIS平臺介紹
三維GIS平臺起步最早的是美國的幾家IT公司，產品有著名的Google Earth> World Wind> Virtual Eartho ESRI 也推出 了三維 GIS 軟件平臺 ArcGlobe、 ArcSence以及Cityengine。目前在管線行業使用較多的是Skyline,這是一款 基于建模的三維展示平臺。
隨著國內GIS技術的發展，國內平臺廠商也紛紛推出了自家的產品。主要有: 武大吉奧公司的三維平臺GeoGlobe,國遙新天地的EV-Globe,靈圖數碼的VRmap, 適普數碼的IMAGIS,易偉航的EviaEarth,偉景行公司的CityMaker,天下圖 的UGlobe,以及高德地圖的Angeo,中科宇圖的UniGlobe,中地數碼的三維平 臺 MapGIS IGSS 3D 等軟件。
超圖軟件是國內最先提出''二三維一體化”的Realspace真空間技術體系的 國產GIS平臺，其代表產品為面向真三維空間的SuperMap GIS 6R0 SuperMap GIS 6R消除了三維GIS深度應用的障礙，實現了二維與三維在數據管理、符號系統、 分析功能、應用開發等方面真正意義上的無縫整合，除了在視覺效果上提供動畫 模型、粒子系統、水面倒影、太陽陰影、立體顯示等各類三維特效，還實現了夜 景、太空、海底、地下等全方位三維場景，使三維GIS從簡單的視覺表達升華為 面向業務深度應用的真三維空間信息管理系統，同時也大大提升系統部署效率， 降低三維應用成本叫
SuperMap三維GIS平臺由于突出二三維一體化的技術特性，在智慧城市建 設，景觀模擬與展示方面有著較廣的應用，其不但可以管理大量的三維空間數據 與屬性數據，對三維模型和場景的精細程度也有比較好效果。目前SuperMap GIS 6R系列產品，包括了組件、桌面、服務器和客戶端四個產品，覆蓋了從C/S應 用到B/S應用的場景。對于SuperMap GIS 6R系列產品將在第二章作詳細地介紹。
1.3國內外研究現狀與存在問題
1.3.1國內外研究現狀
在信息化程度比較好的城市，地下管網信息管理系統的建設屬于城市重要的 基礎設施建設。城市管理水平的好壞與信息化程度是密切相關的，一個具有科學 管理機制的城市都建設了先進的地下管網管理信息系統，如法國的巴黎，美國的 洛杉磯和日本的東京，都在八九十年代就開始地下管網管理信息系統的建設工作 [8] [9]
o
從國外情況來看，自上個世紀七十年代開始，城市規劃與城市管理中大量地 引入了 GIS技術，大量國外城市的GIS管理系統建設如火如荼，在地下管網管理 方面也建立起了各種規模的地下管網管理信息系統。從運行狀況來看取得了較高 的經濟與社會效益。例如在法國巴黎的舊城區，由于舊城區中地下管網分布錯綜 復雜，傳統方法無法解決及時更新與存儲的問題。得益于地下管線信息系統，可 以明確地查詢到任意一條地下管線以及其相關的信息。日本東京使用GIS技術建 立地下污水管道管理信息系統，可以很方便的對污水管道進行檢查C10]C11\
國內的地下管網信息管理系統由于種種原因起步較晚,相比國際先進水平差 距較大，但是近些年來發展迅猛，取得了不少成果問。北京市在上個世紀九十年 代就開始了地下管網管理信息系統的建設，在全國都有比較大的示范意義。上海, 廣州等城市也積極開展管網管理信息系統建設，上海建成了自來水管理信息系 統，廣州也建成了地下電力管線信息系統。隨著國家對于信息化城市的推進，武 漢，南京，杭州也分別建設了各種地下綜合管網管理信息系統，如燃氣管線信息 系統，電信管線信息系統，目前更是順應智慧城市的大潮，國內一大批城市正在 或準備建設地下管網管理信息系統。地下管網管理信息系統也向著三維化和智能 化前進。
1.3.2存在的問題
綜合國內外地下管網管理信息系統發展的情況開看，大致可總結為四個階 段。
第一階段：管理信息系統建設階段。這一階段主要是使用數據庫管理系統 (DBMS )技術，完成管線、管點的數據錄入與存儲，其特點是基于數據的，以數 據的存儲為核心的。這一階段主要解決的問題是數據的編輯，由于只是基于屬性 數據進行的管理，GIS的圖形管理功能缺失，導致對于管網數據只能查屬性和更 新記錄，缺少空間查詢與空間分析功能。
第二階段：管理信息系統與圖形相結合。這種方法其實很簡單地將圖形數據 與屬性數據一分為二。屬性數據依舊使用數據庫進行管理，而圖形數據使用CAD 等圖形軟件進行管理，但是由于二者是獨立使用，這樣就產生了數據分離的問題, 沒有一體化的管理效果，這也沒有解決問題。
第三階段：連接圖形數據和屬性數據。這一階段使用數據庫屬性數據表中的 字段來存儲對應圖形的索引，實現了圖形與數據的屬性相關聯，這樣就使得圖形 數據有了屬性信息，可以進行一定的空間數據的檢索分析，但是由于這種關聯比 較松散，導致維護關聯關系比較困難，圖形元素與圖形元素之間的關系也不能有 效表達出來，即便可以實現圖形間的拓撲關系管理，效率也非常低下，無法進行 深層次的檢索和空間分析。
第四階段：采用三維GIS來統一管理圖形、屬性、拓撲關系。與綜合管網 相關的地形、環境信息都是地理信息，這些信息數據量大、信息載體多、具有空 間屬性，與傳統的MIS數據模型主要針對簡單對象相比，三維GIS能夠實現空間 數據、屬性數據以及拓撲關系的一體化管理，不僅能夠滿足人們對空間信息的要 求，并且其特有的三維可視化表達和三維空間分析功能，能夠完美地進行各種統 計分析、動態模擬以及輔助決策服務。構建基于三維GIS的地下管線信息管理系 統是目前最合適的選擇。
國內整體來看，各個城市已經建設的地下管網管理信息系統局限性還是比較 大的，例如沒有統一的標準，開發的軟件系統不具備廣泛使用的特點；個別城市 想要開發新的系統，需要面臨資金投入大、建設周期長、數據規模大、技術難度 高等問題。從實際來看，一般中小城市的相關部門無法承受上述問題。大量缺乏 對于管線的各種分析功能，如橫斷面分析，縱斷面分析，連通性分析等，這樣使 得管線施工遇到極大的問題。傳統的二維GIS向三維GIS過渡雖然是大勢所趨， 但是技術細節問題還是存在較多，目前還沒一款完全的三維GIS平臺，在不拋棄 傳統二維GIS的同時，進行三維GIS的研究，從二三維一體化的角度去解決問題 是目前大多數方案的核心。
本文從三維管網管理信息系統的設計到關鍵技術，做了深入地研究，并結合 三維GIS軟件平臺開發一套適用于解決上述問題的原型系統，解決了三維數據在 管網應用中的存儲、表達和分析，對于三維管網信息化管理具有重要的意義。
第2章開發平臺介紹
2.1 SuperMap產品簡介
國內的超圖軟件是比較優秀的GIS平臺軟件，其三維GIS平臺的發展經歷了 以下幾個階段。第一階段2005年，超圖軟件推出了跨平臺的共相式GIS技術體 系；第二階段2007年，推出了面向服務的Service GIS技術體系；第三階段2009 年，提出了基于二三維一體化技術的Real space GIS技術體系［13］［16］0本文使用的 開發平臺是整合這三個體系的GIS平臺產品，SuperMap GIS 6R軟件。
UGC (Universal GIS Class Library)共相式 GIS 內核，基于 C++構建的， 其顯著的特點是平臺產品具有普適性和跨平臺性。超圖軟件基于UGC內核產品打 造出了 SuperMap Universal 系列產品。
SuperMap Universal分別封裝了.NET組件和Java組件。.NET組件是基于 微軟的操作系統和.NET組件技術。Java組件是基于具有跨平臺特性的Java Beans組件技術。主要的產品線為基于桌面的SuperMap Deskpro . NET,和基于 服務的 GIS 平臺 SuperMap iServer。
由于UGC技術的特性，其受到軟件影響的小。就算后來出現新的二次開發語 言，對于平臺的調整也只需要進行相應的封裝和調試，可以快速支持新技術，大 幅度降低技術升遷的代價，也是選擇三維GIS系統選擇UGC技術的主要原因。
真空間技術體系Realspace GIS其核心是基于二三維一體化技術，是保證傳 統二維GIS和三維GIS平臺融合的關鍵。其內容主要包括：1、二維與三維GIS 在數據模型、數據存儲方案、數據管理、可視化和分析功能的一體化；2、使得 海量二維數據能夠直接在三維場景中的高性能可視化；3、傳統二維GIS的分析 功能可以應用于三維場景，并且有針對三維場景的分析功能。［⑷少］。
面向服務的技術體系Service GIS其核心是服務。它是一種采用面向服務體 系架構(S0A)的GIS技術體系，其核心是將GIS的功能以規范的接口進行提供。 這種方式有利于GIS的數據共享與功能應用共享，其實現了不同數據平臺如 ARCGIS數據與SuperMap數據的共享，還實現了不同操作系統中GIS功能的共享, 如在UNIX系統中調用SuperMap服務［17\
i SuperMap iCiient | ； for .NET
■- SuperMap iCiient for Ftex Super Map iCiient for JavaScript/Ajax
■ ：' SuperMap iCiient for RealSpace
2.2 SuperMap Objects. NET 組成
SuperMap Objects . NET 6R屬于超圖的組件式產品線，采用共相式GIS內 核，內核采用標準C++編寫，經過封裝得到GIS組件平臺。SuperMap Objects. NET 屬于.NET組件；支持微軟所有.NET開發語言，例如C#、VB.NET、C卄/CLI等, 并且,.NET組件在實際應用中相比COM組件，更適宜.NET開發人員的編碼習慣。 而SuperMap Objects Java是在共相式GIS內核基礎上，采用Java + JNI的 方式構建的冏。
SuperMap Objects Java/. NET 6R組件的封裝不是使用COM方法，其運行效 率較高，相比一些通過中間件調用COM組件的方式其性能更高。
SuperMap Objects Java/. NET 6R的特點是不僅具有基礎的GIS功能，其三 維GIS模塊功能也比較豐富。基于超圖平臺可以進行三維管網管理系統的開發。 下圖2-2顯示了 SuperMap Objects. NET模塊概況。
Conversiox （數換
I^iocessmg
Top血gy （拓撲模塊）
圖 2-2 SuperMap Objects.NET 模塊概況
2. 3 SuperMap Objects. NET 類和對象
類與類之間主要存在關聯（Association）、繼承（Inheritance）^實例化 （Instantiation）、和組成（Composition）四種關系。入接口封裝了若干屬性 和方法，出接口封裝了事件，即對象支持的觸發事件。下圖2-3顯示了 SuperMap 類庫模塊框架。
類結構簡圖
圖2-3 SuperMap類庫模塊框架圖
在三維GIS開發中使用的核心類庫有Realspace. SpatitalAnalyst, Realspace. NetworkAnalyst, Realspace. Spatial Analyst ° 下圖 2-4 顯示了 Realspace模塊王要對象結構圖。
圖2-4 Realspace模塊主要對象結構圖
第3章 三維管網模型構建理論研究
數據模型則對對象的類型和對象之間的關系進行了描述。在GIS中描述對象 的方法主要基于如下幾個方面：幾何屬性描述、語義描述、空間關系和時間描述。 基于描述含義不同，對象可分為空間對象和非空間對象兩種類型，即空間數據和 屬性數據。三維管網的模型的構建的空間數據包括三維管線的長度、埋藏地點、 埋深等；屬性數據數據包括內容比較多，如管線的設計使用年限、管線的權屬等 等，由空間信息和屬性信息來共同構建三維管網數據模型問。
3.1三維數據類型
空間數據模型是用來描述空間數據組織和進行空間數據庫設計的理論基礎。 常見的模型由概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型三部分構成。對于三 維GIS研究的發展，空間數據庫模型必須經歷由二維向三維的轉化。由于三維數 據結構復雜，數據量很大，較難建立一個有效的三維數據模型呦。
三維數據模型可分為面模型(Surface Graphics ) ＞體模型(Volume Graphics)＞混合模型(mixed model) [21]0面模型數據結構多用于現實世界中對 面對象的描述，例如地表、地質層面，通過表面表示形成3D目標的空間輪廓。 其優點是易于展示，數據結構簡單，缺點是分析和查詢功能較弱，而體模型數據 結構則傾向于現實世界中體結構對象的表達，如地層、礦體、水體、建筑物，3D 空間實體的邊界與內部的整體表示該數據模型空間操作和空間分析能力較強，但 數據占用存儲空間大，對計算機的運算能力要求也比較高，計算起來一般速度較 慢，不適合大量數據的使用。混合模型的目的則是綜合面模型和體模型的優點， 以及綜合規則體元與非規則體元的優點，取長補短。三維數據模型是在二維數據 模型及三維可視化系統基礎上衍生出來的，與二維數據模型類比，三維數據模型 在幾何坐標上增加了垂向三維信息(Z坐標值或H坐標值)，導致了更加復雜 的空間拓撲關系，但同時也豐富了空間對象信息。三維模型可分為基于鑲嵌的數 據模型(TessellatingModel)、基于矢量的數據模型(Vector Model)、混合型數 據模型(Hybrid Model)和分析型數據模型(Analytical Model)四種類型卩習。
3.2地下管網空間數據模型
地下管網空間數據模型是空間數據模型的一類，它為描述地下管網空間幾何 對象及管網可視化等方面提供了基本的方法,在管網數據的可視化描述以及管網 空間分析等方面起著至關重要的作用，是管網信息管理系統的核心和關鍵技術。
在實際的操作時，數據以圖層的形式加載到三維場景中顯示的，根據功能的 不同，圖層可以分為屏幕圖層，地形圖層和普通圖層三類，如圖3-1所示，不同 管線數據圖層組成了管網數據集，同時又包括管線數據集、管點數據集合和附屬 設施數據集［卻0］。
3. 3地下管網數據結構特點
城市地下管網包括給水、排水（雨水、污水、雨污合流）、燃氣、熱力、電 信、電力、工業管道等幾大類冏，各類管網在三維空間上相互獨立，假設管線之 間不存在相交的情況。其中，排水管網（污水、雨水、雨污合流）等重力管線屬 于單向樹狀管網，而像燃氣、熱力等壓力管線在設計時考慮到安全因素，多采用 環狀設計，目的是盡量減少緊急狀況（爆管、壓力泄露等）造成的損失。地下 管網數據可以簡化成弧段與節點的集合，節點不但包括管線的變徑點、分支點、 交叉點、拐點，而且還包括網管數據中附屬設施的抽象點，弧段則該數據結構的 優勢是在管網信息管理系統中建立管線拓撲關系時，不用考慮點與面、線與面的 拓撲關系。因此，應對管網進行抽象處理和適當的簡化，即能滿足三維可視化需 求，又能強調管網系統的分析功能畫。
現實世界管網的管線大多數為圓柱或圓臺管道，可以通過快速化建模實現。 為實現快速建模，將管線部分作為標準圓管進行簡化，其空間幾何屬性包括地面 坐標、埋深、管徑、長度等參數，根據參數實現自動建模。
管段中心線（軸線）兩端點的空間位置決定管段的空間位置，管段截面的形 狀和大小決定管段的幾何形狀。根據地下管網的特點，圓形截面（管道）的管線 可以用半徑作為其幾何形狀的主要參算數據，矩形截面（方溝）則以邊長作為其 幾何形狀的主要參算數據，如存在不規則截面管段，通過計算截面特征點來計算 其幾何形狀。
3. 4地下三維管網建模
三維建模的基礎是使用CAD圖紙轉化為DXF開放式矢量數據格式，然后將管 線數據存入三維GIS數據庫中。DXF （Drawing Interchange Format）是CAD數 據文件的文本格式，是一種開放的矢量數據格式，本研究選擇的方法為讀取基于 ASCII編碼的DXF格式文件中的圖元坐標信息，應用圖形匹配算法生成三維管 網信息數據庫，實現由二維CAD向三維地下管網的數據轉換M[28] =
本研究中地下管線的數據同時使用SuperMap的網絡數據集和三維數據集 （包括三維線數據集與三維點數據集）進行組織。網絡數據集既包含管網的線數 據（包括流向等信息），又包括管點的點數據，三維數據集主要針對三維建模與 空間表達。通過網絡數據集可以實現對于管網系統的分析功能如連通性分析與爆 管分析。在三維場景中，網絡數據集也可以和三維線數據互相轉換測。
由于地下三維管網是一個比較復雜的系統，對于管線與管點的模型必須要分 開建立。管點建模主要是針對可以點狀表示的設施如管道井，管線閥門等；管線 建模主要是針對線狀表示的管網設施如各類別的管線、管段以及管塊。
管網建模技術重要有兩種，一種是使用超圖軟件自帶的二維三維轉化工具自 動建模，另外一種就是局域3DS MAX手動建模然后倒入應用場景。兩種方法各有 優缺點，3DS MAX手動建模的優點是模型精細程度高，三維展示效果好；缺點是 由于手動建模，其難度較高、制作效率較低，像城市地下管網這種大數據量的應 用中很難實現，并且手動建模更改麻煩后期模型數據維護更新十分困難。自動建 模雖然精細度不如手動建模，但是其優點是制作效率高，后期更新起來方便強。 為了揚長避短，各取所需，在地下管網模型構建過程中，大部分數據采用三維管 線自動生成方法，還有一些需要精確建模的采用3DS MAX精細建模的方式進行模
型數據的生產。
管線模型以管線起止點坐標、埋深、管徑等信息為數據基礎自動生成三維模 型。管點模型如管井、管閥等其標準統一，可采用3DSMAX軟件制作精細的管點 模型，構建管點模型符號庫，以管點坐標、高程、管點類別信息判別，自動加載 各類管點符號模型。建模過程如圖3-2所示。
圖3-2地下管網三維場景構建流程
管線的三維化使用Autodesk 3ds Max制作三維符號。分別制作了水、電、 暖、通信等各類管點和管線的符號。三維點符號只需要通過導入三維模型來構建。 制作三維符號時，首先需要設置模型，導入管線的3ds和Sgm模型文件。Sgm是 SuperMap提供的一種三維模型存儲格式，在SuperMap中可以將3ds格式轉化為 sgm格式。通過統一渲染，得到結果如圖3-3所示。SuperMap也提供了 3D符號 庫，包括三維管線符號庫文件和三維管點符號庫文件，方便快速建模。
圖3-3三維管網模型效果圖
第4章地下管網系統設計
這一章主要從總體設計和數據庫設計角度來介紹地下管網系統的構建，內容 包括系統的總體設計概述，提出了地下管網管理系統的總體框架。系統設計遵循 以下四個原則：實用性原則：系統完全從方便人們出行的角度進行開發，實用性 是主要的目標。先進性原則：系統設計、運行平臺、開發技術、硬件設備都具有 先進性、前瞻性。友好性原則：系統界面友好，風格統一，方便掌握和使用。可 靠性原則：系統健壯性好，安全可靠畫。
4.1系統設計
三維地下管網管理信息系統以探測繪制的管網地形圖為基礎，以管線空間信 息與屬性信息數據為核心，以三維GIS技術作為實現手段。管網管理信息系統可 實現對管網設施屬性和圖形數據輸入、修改、查詢檢索、顯示、統計、分析和輸 出，實現數據的交換和共享，為管網的管理、發展預測、規劃決策提供可靠依據。 系統設計特點如下描述兇：
1、 基于三維GIS平臺：基于三維GIS平臺可以最大限度降低開發的成本， 利用三維GIS平臺提供的接口功能，可以較為輕松實現三維GIS的展示功能，以 及一些面向三維空間的查詢與分析功能。系統基于超圖真空間技術，不但實現了 二三維一體化，而且在地面建筑的三維化上也實現了不錯的效果，是基于三維 GIS智慧城市建設的一次嘗試。
2、 管網數據管理專業數據庫：由于管網數據的特殊性，在進行數據庫管理 時，必須定制特殊的空間數據庫與屬性數據庫，方便二、三維數據的入庫與管理。 目前三維GIS發展的一大阻礙就是三維模型數據不便管理，不易維護，三維地下 管網管理信息系統依據對管網數據特點的研究，管網建模的研究，實現了三維管 網自動生成、二三維管線數據的轉化，管網數據庫的更新與存儲，使得三維管網 的實時更新成為可能，極大地提升了三維管網技術的應用效率。
3、 插件架構：本系統采用靈活的.NET插件架構，方便系統模塊化開發，使 得系統功能更新、維護、擴展更加方便。
系統設計主要經歷了以下四個階段：資料準備階段，項目規劃階段，項目開 發階段，項目試運行階段，具體工作如圖4-1所示。
資料準備階段I——> 項目規劃階段 I——> 項目開岌階段|——> 頃目試運行階段
圖4-1系統設計的四個階段
4.2系統框架設計
三維地下管網管理信息系統的系統總體流程圖如圖4-2所示。主要分為三 塊：基礎數據，SDX+空間數據庫引擎，不同的子系統與功能模塊汽
圖4-2系統總體設計流程
基礎數據包括：基礎地理信息數據，模型數據（地表三維模型），管線數據 （地下三維模型），資源數據。
SDX+空間數據庫引擎：基于大型關系型數據庫的客戶端軟件，也被稱為中間 件軟件，它的存在相當于在空間圖形數據和大型關系型數據庫中，建立起了一道 橋梁。使得大型關系型數據庫能夠支持超大型三維數據集高性能的空間數據提
取，并且具有完整靈活的安全控制機制。SDX+空間數據庫引擎是子系統操作基礎 數據的中間紐帶。
業務子系統：二三維一體化展示，業務綜合管理與信息查詢，數字資源管理, 數據更新，包括場景、符號配置、數據源管理等。
4.3功能模塊設計
模塊化設計思想是將產品的某些要素組合在一起，構成一個具有特定功能的 子系統，將這個子系統作為通用性的模塊與其他產品要素進行多種組合，構成新 的系統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品泗。
模塊是模塊化設計和制造的功能單元，具有三大特征：
1、 相對獨立性，可以對模塊單獨進行設計、制造、調試、修改和存儲；
2、 互換性，模塊接口部位的參數標準化，容易實現模塊間的互換；
3、 通用性，有利于實現橫系列、縱系列產品間的模塊的通用，實現跨系列 產品間的模塊的通用。
針對三維地下管網管理信息系統的特點，設計時采用模塊化的設計思路，設 計了七大功能模塊，如圖4-3所示。
功能模塊設計
圖4-3功能模塊設計
各功能模塊具體描述如下：
1、 信息查詢模塊：本模塊主要是為了快速的查詢地物和管線信息而設計的。 包括屬性查詢、SQL查詢、量算（面積、距離、角度）、管網查詢、管線材料查 詢；
2、 二維地圖操作模塊：本模塊主要是對二維地圖進行操作的。包括選擇（圓 形選擇、多邊形選擇）、放大、縮小、自由縮放、漫游、全幅顯示、刷新、撤銷、 恢復；
3、 管線分析模塊：本模塊主要是二維的管線分析。包括上游追蹤、下游追 蹤、連通性分析；
4、 管線統計模塊：本模塊主要是統計管線的各項指標。包括管點鋪設日期 統計、管線鋪設日期統計、管線壽命統計、管線維修統計；
5、 三維管網模塊：本模塊主要是環境和管網三維化。包括加載模型、三維 選擇、三維漫游、刷新、場景恢復、飛行、加載管網數據、地下漫游；
6、 管網事故處理模塊：本模塊是管網事故的檢測和處理。包括開啟事故監 測、顯示故障點、關閉監測、打開三維監測、事故加載、維修、停止檢測；
7、 管網建設模塊：本模塊主要是管網數據的更新。包括添加管點、管點屬 性編輯、添加管線、管線屬性編輯、刪除管線。
4.4管網數據庫設計
地下管網主要是由管線和管點所組成。建立管網數據庫不僅要關注管線、管 點的空間位置而且屬性數據的收集與入庫也至關重要。
屬性數據是建立管線數據庫的基礎，基于管網屬性數據來進行查詢、統計、 空間分析等操作。
地下管網三維模型數據包括空間數據和屬性數據兩種。對于空間數據的研究 以及三維管網建模技術在第三章已經做了詳細的說明。.本節研究側重點主要體現 在地下管網信息管理系統中，管網的屬性數據庫數據結構與建庫上。
4.4.1管網信息數據存儲形式
管網空間數據包括管網的空間地理位置及其對象之間的空間拓撲關系，主要 包括地下的管線、管點、地上的附屬設施點（井蓋，消防栓）的空間坐標信息及 空間拓撲關系網。管線數據則主要涉及其種類、使用信息、附屬信息等。對于管 網數據的存儲，一般采用空間數據和屬性數據分別存儲的形式，管理起來使用一 體化的技術進行管理，既能有效區分不同的數據便于數據存儲，又不破壞其空間 與屬性特征。在SuperMap軟件中使用矢量數據集進行管理，把數據分為點、線、 面，給點、線、面數據基礎上加上高程信息，就完成了二維到三維的一體化。
4.4.2管網空間數據的圖層劃分
三維地下管網管理信息系統中使用的管網數據不但數據海量，而且因為管 線、管點的種類不同，其結構也相對復雜。
為了使系統在運行時就要比較高的效率，以及方便以后的更新維護，在系統 設計的過程中必須要對管網數據做進一步的分類，以圖層的方式來區分不同的管 線與管點閃。
管網圖層的分類原則是：將不同類別、不同級別的圖元數據分層存放，每一 層包含一類數據信息或一種專題。根據用戶需求和相關標準將一些一致性的圖元 要素組合在一個圖層中，它表示管網地理特征和這些特征相關屬性的邏輯意義上 的幾何冋。在相同圖層內，數據通常是相同的類別，具有相同的屬性特征旳。
在系統設計中分為四大類圖層。
第一類圖層是地表基礎地形圖。地形圖作為最基本的數據源主要是用來確定 地面的空間坐標與相關位置，在建立的系統中，地形圖是空間參考的主要確定方 式。第二類圖層是地表上建筑圖層，該圖層主要用來針對地表事物的三維描述。 第三類是平面圖層，該圖層主要用來在屏幕上顯示特點的信息，不隨著刷新操作 而改變，一般用于Logo顯示等固定信息的顯示。第四類圖層是管網圖層，地下 管網共分為給水、排水（雨水、污水、雨污合流）、燃氣、熱力、電信、電力、 工業管道七個類型，對每類管線按照屬性不同又可以細分為多個子類型。例如， 給水可分為市政給水、加壓給水、中水、加熱給水、加壓加熱給水等；排水可分 為雨水、污水、雨污合流；電力可分為低壓線、高壓線等等。
根據系統設計的需求和參照《城市地下管線探測技術規程》按照管線性質的 不同，可將管網圖層劃分為給水管網層；排水管網層；燃氣管網層；熱力管網層; 工業管網層；電力管網層;電信管網層。對每一類型圖層，又可劃分為若干子圖 層。以給水管網層為例，可分解為如下幾個圖層：給水管線圖層：給水管線數
據（包含線段兩端節點坐標數據）；給水閥門圖層：包含所有管線上的閥門，如 閥門（一級閥、二級閥）、排氣閥、排污閥等；水表圖層：包含所有管線上的水 表；工井圖層：包含給水管線所涉及的工井，如檢修井、閥門井等。
依據《城市地下管線探測技術規程》標準中“地下管線及其附屬物的分類編 碼”說明，對所描述的管線數據進行定性的標識，如表4-1所示。
表4-1管線層標識碼
序號 管線類型 管線標識碼
1 給水管線 JS
2 排水管線 PS
3 燃氣管線 RQ
4 熱力管線 RL
5 工業管線 GY
6 電力管線 DL
7 電信管線 DX
在每類管網層中，又可分為多個子類型的管線。以給水管線為例，列舉出管
線子類型的標識，如表4-2所示。
表4-2管線子類型標識碼
序號 管線子類型名稱 編碼 代碼
1 上水管線 100 SS
2 配水管線 110 PS
3 循環水管線 120 XS
4 專用消防管線 130 XF
5 綠化水管線 140 LH
根據管網數據結構，針對管線數據與管點數據分別設計了屬性數據庫。管線 數據庫的設計如下圖4-4所示，主要字段有編號、前后節點，類型，埋深，埋設 日期等；管點數據庫的設計如下圖4-5所示，主要字段有類型，材質所屬管線、 埋深，埋設日期等。
:里深 埋深 4 j 口
ms號 站型 8 1 s
餉節點 8 1 港
t8g.fcfc.-jy
后n點 8 1 番
8 1
畫徑 W 4 養
1-te 4 3PS
材質 村質 8 I a
好型 20 j 否
使用壽命 啊度 4 =F
堆修次數 4 i 平
量設日期 謹設日期 is j pS*
堆雉曰期 錐修日期 .si 12
圖4-4管線的數據結構
節蒯 節翩號 滋型 & 否
所屬驗 所醱段1 處型 8 A
S 沓
加欝 8 S
LLltLl!£*t_
所覆4 所硼4 xta 8 香
特征 文本型 ' ”'
8 EK3
附鷹物 PM ttg § 3F
1—4
管!^ 誹型 8 否
材質 橢 殊型 8 否
權鮮也 殊型 g
StSM 輕日期 財型 12 否
圖4-5管點的數據結構
第5章管網分析關鍵技術研究
5.1橫截面分析
地下管線橫截面分析原理，是根據分析需求,在管線區域畫一條橫截面線，使 其與地下管線相交，再依據相交的情況分析橫截面上的地下管線分布情況，并標 識出管線的截面尺寸、種類、高程、管線間的間距等屬性信息能夠反映出管線之 間的空間位置關系何。
進行管網橫截面分析時，首先建立坐標原點，一般選擇所劃線的起點，以當 前場景中的高度作為空間參考。橫截面分析的橫軸是所劃得線，以平行于橫截面 且過橫截面線起點的線作為縱軸。
橫截面分析主要是需要計算出橫截面線與管線相交之處的截面數據。其原理 是先在區域中查找與橫截面相交的管線要素,然后計算管線與橫截面線的交點二 維坐標，最后使用關聯檢索出相交管線的起止點埋深信息。
如下圖5-1所示，起始點二維坐標為(xO, yO),終止點二維坐標為(xt, yt), 起始埋深(高程)與終止埋深(高程)分別為H0與Ht,橫截面與管線相交的交點為 (xi, yi) □
圖5-1線性內插后橫截面圖
D1為起始點至終止點的距離：
6 = V(xe - xQ)2 + (yt - y0)2 (5-1)
D2為起始點至交點的距離：
久=V（zi - x0）2 + （y；- >70）2 （ 5-2 ）
交點埋深Hi為：
Z.T 一 TT 3 f KT r.T — TJT I V （空廠笑』詈（第—％） Z TT • EJ 每 f = C、
線一 ％ +瓦&廠如）_耳+、心廠*也_屏0廠扯》（5-3） 根據以上公式得出橫截面與管線相交交點位置信息，在橫截面坐標系中顯示 出來,并展示各個管線的相關信息，生成地下管線橫截面圖。
橫斷面分析的實現流程：首先査詢橫斷面下相關管線，具體流程為（1）初 如化記錄、數據集等相關結構體變量，記錄當前所選擇節點名稱，根據名稱設置 査詢字符串，從橫斷面下數據源獲取“LineL”列數據集，并將該數據集轉化為 SuperMablib. SoDataSetVector類型變量，利用該類中Query函數查詢相關記錄 并保存至Objrecordst變量中；（2）將相關管線記錄添加至列表變量中，以列表 形式顯示出來；（3）結束列表變量更新，釋放相關數據結構。具體流程圖如圖 5-2所示。其次，查詢出來符合管線之后需要調用C#中的繪圖函數，將其繪制到 界面上，編寫繪制函數draw。，具體流程為（1）創建400500 Bitmap對象用來 保存繪制管線圖片；（2）創建graphics類對象，并設置字體、畫筆等參數；（3） 打印截面分析圖形，具體做法：遍歷this, frmain. ObjRS記錄集，以（90, 200） 坐標點開始以記錄中“Smlength”長度值為遞增畫管線；（3）將管線圖片保存圖 片對象中，具體流程圖如圖5-3所示。
5.2縱斷面分析
地下管線縱斷面分析的目的是為了了解某個位置若干條地下管線的地下埋 設狀況，并表示出沿線各個管點的位置和各管線段的埋深，自動產生管線縱截面 所對應的屬性數據和線上各管點的屬性數據，從而了解管線的地下分布情況，為 管線規劃和管線維護提供參考與依據畫=
進行管網縱截面分析時，首先建立坐標原點，一般選擇管線起始點的垂直下 方定高位置點，以當前場景中的高度作為空間參考。橫截面分析的橫軸是在管線 所在豎直平面過原點的水平線，以在管線所在豎直平面與橫軸垂直線作為縱軸。
橫截面分析是獲取橫截面線與地下管線相交處的截面幾何數據。橫斷面分析 原理是先在區域中查找與橫截面相交的管線要素，然后計算管線與橫截面線的交 點二維坐標，最后使用關聯檢索出相交管線的起止點埋深信息。
縱截面分析與橫斷面分析不同，它不是以線截取的方式。我們在進行縱截面 分析時一般使用點選的方式直接選取所需的管線進行分析。在地下管線選取分析 時,需要獲取被選取管線的起始點空間坐標及埋深、終止點二維坐標及埋深、管 線長度等數據信息。
根據縱截面分析的坐標系統的建立方法，以X作為橫軸坐標,y作為縱軸坐 標,L表示管線長度,K表示橫縱坐標比例系數,H表示埋深高度,i表示管線的段數 計數值。其管點坐標計算方式如下：
yn = % （5-5）
根據計算結果與管線信息,在縱截面坐標系中顯示出來，形成地下管線縱截 面圖。
5.3連通性分析
地下管線連接了各個管點，地面設施，其形態已經是網絡數據集的形式。 網絡線段上必定具有資源和要素流動方向，而網絡中的資源要素的流動前提是網 絡的連通的。
實現網絡連通性分析的原理是從確定的網絡流流向，以此來尋求網絡路線與
區域。最短路徑分析就是根據網絡連通性和相應的權重，利用一定路徑童艮蹤原理 獲取權重向最短路徑。管網的連通性分析主要是基于圖論的遍歷理論搜索出管網 的連通分支數。由于算法的優化給岀了各連通分支的搜索起始點節點連通性分 析，具體工作流程：首先初始化各管點權重值為0. 001；設置連通性分析變量， 裝載該分析變量，如成功，則查找管點，連通性值為真的服務區域，并顯示結果, 具體流程圖如圖5-4所示。
5. 4地下場景的實現技術
地下場景的控制主要包括三個方面:第一，開啟或者關閉地下場景，這是實 現地下場景操作的開關，開啟地下場景后，才能瀏覽到地下場景的數據。這是出 于性能的考慮，開啟地下模式后地上地下三維一體化顯示，對計算機的要求較高。 第二，對地表進行透明度設置，在開始了地下場景后，設置地表的透明程度可以 很好地實現，三維場景下的地上地下一體化操作。第三進行地表開挖操作，地表 開挖操作是對地表指定區域進行某一深度的地下挖掘，能夠直觀觀察該區域的地 下管網數據。
地下場景控制所需要的主要接口如表5-1：
表5-1地下場景主要接口表
SceneControl? Scene 獲取場景控件中的三維場景對象
Scene? Underground 獲取地下場景對象
Underground. IsVisible 獲取或設置地下場景是否可見
Underground? Depth 獲取或設置進入地下時所處的深度
Scene. GlobalImage 獲取全球底圖
GlobalImage? Transparency 獲取或設置全球底圖的透明度
GlobalImage? Excavation-
RegionCount 獲取挖方區域幾何對象的總數
GlobalImage. AddExcavat- 添加挖方區域集合對象，添加成功后，該對象所處
ionRegion 范圍將透明顯示
GlobalImage? ClearExcav-
ationRegions 清除所有挖方區域幾何對象
Scene? TrackingLayer 獲取三維跟蹤圖層對象
TrackingLayer. Add() 向三維跟蹤圖層中添加一個幾何對象
TrackingLayer. Remove () 向三維跟蹤圖層中刪去指定的幾何對象
TrackingLayer?IndexOf() 向三維跟蹤圖層中添加一個幾何對象
Scene? GetAltitude () 獲取地面上某點的海拔高度
Scene? GlobeToPixel () 將三維點對象轉換成二維點對象
代碼實現,新建一個三維場景操作類，SceneAction. cs。在SceneAction. cs 中定義實現地下場景控制所需的成員變量，代碼如下：
private GeoStyle3D m_style3d;
//定義存儲字符串的變量
private readonly String m_squareMeter =="平方米 private readonly String m_area ="挖方面積：n ；
//標示填挖方的區域
private Int32 m._index = -1;
private GlobalImageTextureDlg m_globallmageTex丄g;
在SceneAction. cs中編寫Underground屬性的get和set方法，用來實現 開啟地下場景功能。設置高度模式為地下高度模式，開啟地下場景，代碼如下：
//獲取或設置地下模式的可見性
public Boolean Underground
{
get { return m^sceneControl.Scene?Undergroxind.IsVisible; }
set
{
m_style3d = new GeoStyle3D();
if (value)
{
//相對地下髙度模式
in^style3d.AltitudeMode = AltitudeMode.RelativeToUnderground;
//設置進入地下時所處的深度
in_scen.eControl .Scene .Underground ? Dep th = 200;
}
else
{
//相對地面高度模式 m_style3d.AltitudeMode = AltitudeMode.RelativeToGround;
}
m_sceneContro 1? Scene .Underground ?TsV±sib]_e = value;
}
設置地表透明度，有利于看清楚地下管網的分布情況，實現代碼如下:
public 工nt32 Transparency
{
get { return m_sceneControl.Scene?Globsl工mage.Transparency; } set { in^sceneControl.Scene?GJ_obalI：inage.Transparency = value; } }
實現地表開挖操作，編寫兩個函數AddExcavationRegion0添加地表開挖和 RemoveExcavat i onRegi on ()清除地表開挖，代碼如下：
//構造填挖方區域
public void AddExcavationRegion()
{
try
{
m_sceneContro丄.Action = Action3D.MeasureArea;
m_sceneControl.Tracking += new
Tracking3DEventHandler(m_sceneControl_Tracking);
m_sceneControl.Tracked += new
Tracked3DEventHandler(m_sceneControl_Tracked);
}
catch (Exception ex)
{
Trace.WriteLine(ex.Message);
}
}
//清除填挖方區域
public void RemoveExcavationRegion()
{
if (m_sceneControl? Scene ? Globallmage ? ExcavationRegionCount > 0)
{
m_sceneControl? Scene ? Globallmage ? ClearExcavationRegions();
}
}
5. 5三維查詢
三維查詢是通過SQL關系表達式或者屬性信息從三維場景中檢索出目標物 體。三維查詢主要分為兩部分：
1、 從屬性信息通過SQL關系表達式查詢對象，也稱作“屬性查圖”。
2、 通過點擊場景中待查地物，顯示地物的屬性信息，也稱作“圖査屬性”。
三維查詢的實現流程：首先通過訪問圖層控件來獲取圖層控件相關聯的場 景，從場景中得到三維圖層的集合3D-Layers；從三維圖層集合中檢索出數據集 所在的圖層；調用Selection函數，獲取圖層的選擇及3D-Selection；將查詢 到的記錄集添加到選擇集調用Selection3D. Add方法,最后更新渲染査詢出的數 據，使用UpdateData接口，部分代碼如下：
if (queryDlg.ShowDialog() == DialogResult?0K)
{
if (m_filter != null)
{
//定義查詢條件信息
QueryParameter queryParameter = new QueryParameter();
queryParameter ? AttriloirteFi 丄 ter = m_f ilter; queryParameter.CursorType = CursorType.Static; //通過査詢條件對矢量數據集迪行查詢
Recordset recordset = datasetVector.Query (queryPa:raineter);
//獲取選擇集對象
Selection3D selection = layer.Selection;
if (recordset•RecordCount > 0)
{
//遍歷記錄集
while (!recordset ?IsEOF)
{
//將查詢出的記錄集逐一添加到選擇集中 selection.Add(recordset-GetID()); recordset ?MoveNext();
}
//釋放記錄集 recordset ? Dispose ();
}
第6章系統實現與功能測試
根據系統功能設計，基于SuperMap三維GIS技術研制了一套三維地下管網 管理信息系統的原型系統。系統經過測試，各項指標均達到三維管網的設計要求, 對于三維地下管網信息管理系統和智慧城市的建設有一定的參考意義。
6.1系統開發環境
6.1.1開發平臺
原型系統釆用Microsoft Visual Studio 2008開發環境，基于SuperMap Objects. Net組件進行開發。
6.1. 2開發語言
原型系統開發過程中使用到的語言包括：C#, FleXo C#實現桌面端的功能實 現，Flex技術實現在線瀏覽與業務處理的功能。
6.1.3數據庫
原型系統使用超圖軟件SuperMap GIS空間數據庫引擎技術（SuperMap SDX+） 作為數據庫引擎，使用文件型的數據來分別儲存管網數據和地表數據。使用SQL 數據庫作為非空間數據庫，包括管理業務數據庫，用戶數據庫。
6.1.4運行硬件要求
由于采用了最新的三維GIS技術，對計算機的軟硬件都有一定的性能要求， 為了保證系統的流暢度建議使用o
最低硬件要求：
處理器；單核2. 00 GHz主頻
內存：256MB
硬盤：10 GB
顯卡：128M或以上顯存（安裝顯示適配器驅動），OpenGL版本：1. 5
推薦硬件要求：
處理器：單核3. 00 GHz/雙核2. 00 GHz主頻
內存：4 GB或以上
硬盤：40 GB或以上
顯卡：1G或以上顯存（安裝顯示適配器驅動），OpenGL版本：2.0或以上
軟件要求
操作系統要求：
Microsoft Windows Vista 系列
Microsoft Windows 7 系列
Microsoft Windows Server 2008 系列
其它軟件要求：
Microsoft .NET Framework 4. 0
對數據庫的支持：
SQL Server 2000/2005/2008
Oracle 9i/10g/llg
6.2系統實現
原型系統釆用模塊化的程序設計思想。主要包括八大功能模塊：基礎數據操 作、信息查詢模塊、二維地圖操作模塊、管線分析模塊、管線統計模塊、三維管 網顯示模塊、管網事故處置模塊、管網數據管理模塊。
6. 2.1基礎數據操作模塊
1、 打開工程文件
本功能實現對工作空間的管理。單擊“文件”菜單下的“打開工程文件"按 鈕，在彈出的對話框中，輸入地圖名稱或在下拉列表中選擇已有的地圖名稱，單 擊確定，即可打開所選地圖場景。
2、 保存工程文件
在完成對地圖的一系列操作之后，需要對地圖進行保存，此時單擊文件按鈕 下的“保存工程文件”按鈕，即可實現對地圖的保存，隨后單擊確定。
3、 基礎工具
'石一蚪茫一*鼻 逬嗽髒落 冬曙 叫 誓犖 昨 、諺初
文件 信息査詢 地圖操作 菅網分析 管網統計分析 三維管網 管我維護 -Hl
圖6-1基礎工具欄
（1） 打開工作空間：單擊工具欄上的“打開”按鈕，在彈出的對話框中， 輸入地圖名稱或在下拉列表中選擇已有的地圖名稱，單擊確定，即可打開所選地 圖。
（2） 保存工作空間：在完成對地圖的一系列操作之后，需要對地圖進行保 存，單擊工具欄上的“保存”按鈕，即可實現對地圖的保存。選擇：單擊工具欄 上的“選擇”按鈕，再將鼠標移動到地圖窗口，鼠標單擊一對象，則實現對對象 的選擇。
（3）圓形選擇：單擊工具欄上的“圓形選擇”按鈕，再將鼠標移動到地圖 窗口，此時在地圖窗口畫圓，即可實現對數據的畫圓選擇。多邊形選擇：單擊工 具欄上的“多邊形選擇”按鈕，再將鼠標移動到地圖窗口，此時在地圖窗口畫任 意多邊形，即可實現對數據的多邊形選擇。長度測量：單擊工具欄上的“長度測 量”按鈕，再將鼠標移動到地圖窗口，此時在地圖窗口畫任意折線，即可實現對 折線的測量。
（4） 面積測量：單擊工具欄上的“面積測量”按鈕，再將鼠標移動到地圖 窗口，此時在地圖窗口畫任意多邊形，即可實現對多邊形的面積測量。
（5） 設置比例尺：單擊“地圖操作"菜單下的“設定比例尺”按鈕，在打 開的窗體中輸入比例尺后“確定”，地圖窗口將以自定義比例尺顯示地圖。
（6） 地圖放大：單擊“地圖操作”菜單下的“放大”按鈕，再將鼠標移動 到地圖窗口，此時鼠標的形狀變成帶“ + ”放大鏡，此時左鍵單擊地圖上所要放 大的區域，即可實現對地圖的放大查看，單擊右鍵取消放大鏡功能。
（7） 地圖縮小：單擊“地圖操作”菜單下的“縮小”按鈕，再將鼠標移動 到地圖窗口，此時鼠標的形狀變成帶“-”放大鏡，此時左鍵單擊地圖上所要縮 小的區域，即可實現對地圖的縮小，單擊右鍵取消縮小鏡功能。
（8） 自由縮放：單擊“地圖操作”菜單下的“自由縮放"按鈕，再將鼠標 移動到地圖窗口，此時鼠標的形狀變成帶“土”放大鏡，隨后按住左鍵，經鼠標 上下拉動，即可實現地圖的放大和縮小，或直接滾動鼠標滾輪，也可實現此功能。
（9） 漫游：單擊“地圖操作”菜單下的“漫游”按鈕，將鼠標移動到地圖 窗口，此時鼠標的形狀變成一只小手，此時按住鼠標左鍵并拖動鼠標，地圖將會 沿鼠標移動方向發生位移，便于地圖局部的查看和編輯，打擊右鍵取消漫游。全 幅顯示：單擊“地圖操作”菜單下的“全幅顯示”按鈕，則在地圖窗口中，會顯 示小比例尺的全幅地圖，直觀的査看整張地圖。
6. 2.2信息查詢模塊
1、 點擊“地物査詢”，然后在地圖上點選一個地理實體，查詢其屬性數據。
2、 點擊“空間查詢”，在打開的空間查詢對話框中，設置好各個參數，點擊 “確定"（見圖6-2）,在地圖上畫線（點、多邊形），進行空間査詢，查詢出來 的結果數據將以表格形式顯示，點擊表格中的任意一條記錄，地圖將以這條記錄 對應的幾何對象為中心顯示，并高亮顯示這個幾何對象。
圖6-2周邊查詢結果
3、 點擊“周邊查詢”，在打開的“周邊查詢”的窗口中，選擇查詢圖層，和 輸入搜索的緩沖半徑以及平滑度，點擊“確定”，在地圖上畫線，進行周邊查詢, 查詢出來的結果數據將以表格形式顯示，點擊表格中的任意一條記錄，地圖將以 這條記錄對應的幾何對象為中心顯示，并高亮顯示這個幾何對象。
4、 點擊“模糊査詢”，在打開的“模糊查詢”的窗口中，選擇查詢圖層，和 輸入搜索關健字，點擊“確定”，查詢出來的結果數據將以表格形式顯示，點擊 表格中的任意一條記錄，地圖將以這條記錄對應的幾何對象為中心顯示，并高亮 顯示這個幾何對象。
5、 點擊“地圖定位”，在打開的“地圖定位”的窗口中，選擇“道路定位”、 “建筑物定位”和“坐標定位”。雙擊列表中的單元格，地圖將跳到以單元格的
地物為中心顯示。其中道路定位和建筑物定位關健字僅匹配名稱前面的字。
6.2.3管網數據管理模塊
1、添加管線
點擊“數據管理”菜單下的“添加管線”，在打開的“編輯”工具條中選擇 要添加管線的圖層，點擊畫線工具，在地圖上畫線（見圖6-3）。
圖6-3管線與管點數據編輯
2、添加管線屬性
添加完管線或管點后，在地圖上選擇管線或管點，點擊“數據管理”菜單下 的“添加管線屬性”，在打開的窗體中，輸入相應的屬性值，按"確定”完成屬 性數據的錄入（見圖6-4）。
圖6-4管線與管點數據入庫
3、刪除管線
在地圖上選擇管線或管點等地理實體，點擊“數據管理”菜單下的“刪除管 線”，對選中的管線或管點進行刪除。點擊“數據管理”菜單下的“添加網絡數 據集”，在打開窗口中，選擇要添加的數據集，點擊“確定”，進行數據集的添加。
“數據管理”菜單下的“添加網絡數據集”，在打開窗口中，選擇要刪除的數據 集，點擊“確定”，進行數據集的刪除。
6. 2.4管線統計模塊
點擊“管線統計”，選擇管線、統計量和統計方式（自選區域統計是在地圖 上畫多邊形區域，只統計區域內的數據），結果以柱狀圖顯示。
點擊“管點統計”，選擇管點、統計量和統計方式（自選區域統計是在地圖
上畫多邊形區域，只統計區域內的數據），結果以統計圖顯示（見圖6-5）0
圖6-5管線統計與管點統計
該功能實現了對管線和管點的信息統計，以便了解管網總體運行情況。可以 統計:管點的數量、管線的鋪設日期、管線壽命低于10年的管線數量、管線的維 修次數的統計（見圖6-6）o
圖6-6管線與管點査詢結果
6. 2. 5管線分析模塊
管線的橫斷面圖，就是用戶可以通過畫直線段的方法，在畫線位置由天空向 地面方向進行垂直切面所展示的情況，具體操作：點擊“橫斷面分析”菜單，在 地圖上畫出一條垂直于某條道路的直線。系統會自動計算并彈出窗體，顯示橫斷 面圖和相關管線信息。
連通性分析是在網絡數據集中任意選擇兩個結點，判斷兩個結點之間是否連 通，若連通則計算出其最短路徑，將路徑在地圖上高亮顯示，并計算出在路徑上 的各條管線的信息。
具體操作：打開“管網”網絡數據集，在進行連通性分析前，首先要進行網 絡分析環境的設置。點擊“連通性分析”下的“網絡分析環境設置”，在打開的 窗口中，設置好各個參數。
點擊“連通性分析”下的“兩點連通性分析”，在地圖上任意選擇兩個網絡 中的管點。系統會自動計算并高亮顯示最短路徑，彈出窗體，顯示路徑上每條管 線的信息，主要用來分析管線的連通性。
爆管分析是在網絡數據集中，某一條管線出現爆破現象。系統根據這條管線 自動查找出下游受到影響的管線和上游的閥門。
具體操作：打開“管網”網絡數據集。點擊“管線分析”菜單下的“爆管分
析”，在地圖上選擇爆破的管線，系統將自動搜尋和計算，并給出報告（包括爆 破管線的信息和上游需要關閉的閥門的信息）（見圖6-7）o
圖6-7爆管分析界面
6. 2. 6系統管理模塊
用戶管理：用戶管理提供添加和刪除用戶功能，此功能僅限于系統管理員。 點擊“系統管理”菜單下的“用戶信息修改”，在打開的窗體中（見圖6-8）選 擇要刪除的用戶進行刪除，或者添加用戶。角色管理：角色管理提供修改用戶角 色功能，此功能僅限于系統管理員。點擊"系統管理”菜單下的“角色管理”， 在打開的窗體中選擇要更改角色的用戶和要目標角色，按''修改角色”進行用 戶的角色修改，用戶角色改變后，系統功能的使用權限也隨之更改。用戶信息修 改點擊“系統管理”菜單下的“用戶信息修改”，各個用戶可以修改自己的密碼。
6. 2.7三維管網模塊
本模塊同時實現了對地面建筑物的三維建模和地下管線的三維建模，使三 維表達效果好。具有模擬飛行巡視功能、三維管線實景巡視功能、地下三維管線 查詢功能。
如圖6-9所示，地上精細的模型建立使得三維場景十分美觀逼真，讓用戶有 著身臨其境的感覺。對于地下管網的使用者來說也有利于定位管網的位置，這樣
也實現了地上地下一體化建模，如圖6-10所示。
圖6-9地表精細的模型構建
圖6-10地上地下一體化瀏覽
6. 2. 8三維爆管分析模塊
監督員上報管線破損信息后，系統進入事故處理模塊。經過事故報警，事故 定位，事故處理，解決事故。當然也包括三維爆管分析，查詢事故點一定范圍內 受到影響的區域6-11所示。
6. 3業務模塊測試分析
系統測試是對新建成的GIS系統進行從上到下的全面測試與檢測，看其是否 滿足GIS系統分析階段所規定的功能要求，及時發現GIS系統中的錯誤，保證GIS 系統的穩定性與可靠性創。
對于系統測試，目前主要有兩種辦法即黑盒測試法和白盒測試法闔。
黑盒測試也稱功能測試或數據驅動測試，它是在已知產品所應具有的功能， 通過測試來檢測每個功能是否都能正常使用。黑盒測試法在進行測試時，不考慮 程序內部結構，只關心程序功能是否按照需求規格說明書的規定正常使用。
白盒測試也稱結構測試或邏輯驅動測試，它是知道產品內部工作過程，可通 過測試來檢測產品內部動作是否按照規格說明書的規定正常進行,按照程序內部 的結構測試程序，檢驗程序中的每條通路是否都有能按預定要求正確工作，而不 顧它的功能。
從實際需求出發，本文中的軟件測試方法，采取黑盒測試方法。其功能測試 表如下表6-1所示。
表6-1系統功能測試表
功能模塊 功能點
信息査詢 地物查詢 鼠標點擊地物查詢地物屬性 V
空間查詢 通過選擇圖層，選擇地物，設定查 詢條件，可查詢地物信息 V
周邊查詢 通過設定緩沖區半徑及平滑度，鼠 標點擊點狀地物，單擊右鍵可獲得緩沖 區內地物的各項屬性；線狀地物可點擊 兩個端點來獲得；鼠標隨意點擊兩點可 生成緩沖區獲得地物屬性。 V
模糊查詢 輸入地物的模糊字段名，或是某相 關相屬性模糊字段，可查詢地物詳細屬 性信息 V
地圖定位 輸入地物編號，可查詢地物屬性， 同時在地圖上高亮顯不 V
數據管理 添加管線 可向地圖中添加管線 V
添加管線屬性 向地圖中添加管線屬性信息
刪除管線 刪除管線和屬性信息
網絡數據維護 創建網絡，添加網絡數據集，刪除 網絡 V
第7章總結與展望
傳統的二維管網GIS系統已經不再滿足現今社會經濟發展的需要，本文從二 維管網GIS技術向三維管網GIS技術過渡角度出發，詳細介紹了 SuperMap Objects Java/. NET 6R平臺。探討了三維地下綜合管線管理系統建設中的若干 關鍵技術:地上、地下同步瀏覽、二三維聯動分析、三維管線分析等三個方面。 探討了三維地下綜合管線管理系統建設的關鍵技術后，采用軟件工程的相關思 想，對地下管線系統進行了系統總體設計、功能設計、數據庫設計等。將討論的 關鍵技術加以實現，并進行了系統測試。
希望能夠在以下幾個方面做更深入的探索：
1、 管線、管點的建模優化；目前對管線、管點的建模是基于管線和管點模 型庫的。需要進一步豐富數據庫中的模型。優化模型的三維表達，使得模型展示 時更加流暢。建立完善的模型自動匹配機制，減少人工編輯模型的工作量。
2、 優化三維管網的空間分析功能：對于三維管網的空間分析功能，本文雖 然實現了三維場景中的部分分析功能，但是在三維空間分析上，還需要深入研究 與完善。
3、 系統平臺與移動平臺交互：通過移動端進行管線的巡查，上報管線發生 故障的位置與情況，并由平臺系統及時處置，發布信息，增強管網系統的時效性。
4、 與智慧城市地結合：推進智慧城市的建設是未來的GIS發展方向之一， 地下管網的三維化表達不局限于展示形式上，更要側重分析上，與物聯網技術聯 合，打造智慧管網。
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