城市三维管线可视化技术

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1、张文元武汉大学遥感信息工程学院,城市三维管线可视化技术 以综合管线数据管理系统为例,2008年10月22日,遥感信息工程学院,目 录,管线三维可视化技术,系统功能设计,数据库设计,系统总体设计,系统需求分析,三维管线系统功能演示,遥感信息工程学院,三维管线系统的设计内容,（1）系统需求分析 （2）系统总体设计 （3）系统详细设计 （4）系统功能设计 （5）编码 （6）测试 （7）运行维护,遥感信息工程学院,目 录,管线三维可视化技术,系统功能设计,数据库设计,系统总体设计,系统需求分析,三维管线系统功能演示,遥感信息工程学院,系统需求分析,系统需求分析是在对用户进行深入细致的调查基础上进行的，

2、它是GIS设计的基础。全面深入地了解掌握用户需求是进行优良的系统设计的关键，也是系统生命力的保证，需求分析使GIS开发者可以明确地了解用户对GIS内容和行为的期望和需求。,遥感信息工程学院,需求分析,管线三维可视化意义 系统功能需求 系统数据需求,遥感信息工程学院,管线三维可视化意义,城市地下管网是由纵横交错的给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业管线组成的错综复杂的空间体系，担负着能源输送、信息传输等工作，是城市赖以生存和发展的物质基础。 由于多方面的原因，我国现有地下各类专业管线的资料残缺不全，且有关资料精度不高或与现状不符，造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，造成停水、停气、停

3、暖、通信中断、污水四溢等严重事故。,遥感信息工程学院,管线三维可视化意义,我国现有的地下专业管线在地上、地下立体布设，管线繁多、复杂。已有的管线资料都以图纸、图表等形式记录保存，采用人工方式管理效率低下，资料系统性差。对于变化的区域，管线维护困难，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。 城市地下管线现状资料作为地下工程规划设计、施工和运行管理的基础数据，必须为合理地开发利用地下空间，加强城市地下空间的统一规划管理提供科学依据。,遥感信息工程学院,管线三维可视化意义,目前城市管网系统大多停留在二维的管理基础之上，不能生动地表现具有三维特征的客观实体。而且，管线在地下的

4、分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。 由于三维直观性强，可从不同方位再现物体，具有较强的立体感、逼真感，通过三维可视化可以直观地看到城市地下纵横交错、上下起伏的实际管线。,遥感信息工程学院,管线三维可视化意义,建立城市三维管网系统，有利于全面反映地下管网的分布状况，便于管网的维护、检测，实现管网信息从无序到有序化管理。此外，将管网信息与城市基础地理信息融合在一起，可实现信息共享，为城市的施工建设提供准确、现势的资料，为科学管理提供辅助决策的依据。,遥感信息工程学院,系统功能需求,调查方式： 访谈（个别了解、开座谈会） 索取相关资料 发调查表 软件原型系统的演示,遥感信息工程学院,

5、系统功能需求,系统管理员用例图,遥感信息工程学院,系统功能需求,普通用户用例图,遥感信息工程学院,系统数据需求,数据是地理信息系统的核心。数据的状况对系统目标的影响很大。 在综合管线数据管理系统中，为了在三维场景中显示三维管线和三维地形，系统需要用到的数据包括：含有平面坐标和高程值的各类管线数据、井以及阀门等管点附属设施数据、基础矢量数据、三维地形数据（DEM）、遥感影像数据（DOM）。,遥感信息工程学院,目 录,管线三维可视化技术,系统功能设计,数据库设计,系统总体设计,系统需求分析,三维管线系统功能演示,遥感信息工程学院,系统总体设计,系统的技术路线 系统的层次结构 系统的软件配置,遥感信

6、息工程学院,系统的技术路线,体系结构C/S 数据库管理系统Oracle 10g GIS平台软件ArcGIS 系统开发的方法面向对象,遥感信息工程学院,系统的层次结构,考虑业务与功能的紧密结合，并根据应用需 求和设计原则，将系统总体结构进行层次划 分： 数据采集层 数据库层 通用组件层 应用层 用户层,遥感信息工程学院,系统软件配置,数据库软件Oracle GIS平台软件ArcGIS 系统开发组件ArcGIS Engine、 系统开发工具.Net,遥感信息工程学院,系统架构图,基于.net的综合管线系统架构,遥感信息工程学院,目 录,管线三维可视化技术,系统功能设计,数据库设计,系统总体设计,系

7、统需求分析,三维管线系统功能演示,遥感信息工程学院,数据库设计,数据库内容 数据库设计原则 概念模型设计 逻辑模型设计 物理模型设计,遥感信息工程学院,数据库内容,数据库内容是指数据库中将要存储和组织的数据。 综合管线数据库：各类管线以及附属设施数据。 管点数据：井、出水口、阀门、闸和消防栓等 管段数据：排水、电力、通信、工业、燃气管线等 图纸数据：设计图、施工图、竣工图等。 在三维管线系统中，管线数据还必须具有准确的平面坐标和高程信息。,遥感信息工程学院,数据库设计原则,冗余小 标准化 并发性 实用性 开放性 可扩展性 现势性 稳定高效性 安全性,遥感信息工程学院,数据库概念模型设计,把用户

8、的需求加以解释，并用概念模型表达出来。 概念模型是现实世界到信息世界的抽象，具有独立于具体的数据库实现的优点，它是用户和数据库设计人员之间进行交流的语言。,遥感信息工程学院,数据库概念模型设计,综合管线数据库的概念模型描述了综合管线数据库中包含的各类实体以及各类实体间的相互关系，包括： 基础矢量要素实体 DOM、DEM栅格实体 管点要素实体 管线要素实体 工程数据实体 每种实体还可以扩展为三种类型的实体：工作实体、现势实体和历史实体。,遥感信息工程学院,数据库逻辑模型设计,逻辑模型设计把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，并用数

9、据描述语言表达出来。逻辑设计又称为数据模型映射，它是直接依赖于概念模型数据库管理系统来选择的。,遥感信息工程学院,逻辑模型设计实例,综合管线数据库的逻辑模型设计根据ArcSDE提供的GeoDatabase数据模型、参考数据集DataSet、数据类FeatureClass和属性表Table的数据组织特点，把概念模型中的实体和关系映射为ArcSDE实体对象：库中空间数据映射为一个矢量数据集；各类空间数据根据类别不同分别映射到相应要素类（FeatureClass）存放在矢量数据集中；非空间数据映射为一个属性表存放在数据库中。,遥感信息工程学院,物理模型设计,数据库的物理设计指数据库存储结构和存储路径

10、的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的物理数据库。数据库物理设计主要解决以下三个问题：恰当的分配存储空间、决定数据的物理表示、确定存储结构。,遥感信息工程学院,物理模型设计,以综合管线数据库为例：数据的存储、组织方式管线要素的编码规则图层的命名规则数据的访问方式数据索引的建立,遥感信息工程学院,目 录,管线三维可视化技术,系统功能设计,数据库设计,系统总体设计,系统需求分析,三维管线系统功能演示,遥感信息工程学院,系统功能设计,系统技术架构 系统功能结构 系统功能描述,遥感信息工程学院,系统技术架构,综合管线数据管理系统利用ArcGIS Engi

11、ne组件提供的接口进行功能模块的开发；通过空间数据引擎ArcSDE访问后台的空间数据库；非GIS功能采用VB.NET来开发，并通过ADO.NET来访问属性数据库。,遥感信息工程学院,系统架构图,遥感信息工程学院,系统功能结构,遥感信息工程学院,空间分析模块,遥感信息工程学院,空间分析模块,缓冲区分析：根据选定的管线设施与设定的影响范围，生成影响区域； 断面分析：通过显示管线的纵横剖面图来分析管线空间位置关系。从图中显示出地面的高度、管线的埋深、用相应的颜色显示管线的等级、标注管径； 连通分析：通过任意选择两根管段，判断它们是否连通； 追踪分析：对一定范围内单条管线的网络追踪，确定该管线所经过的

12、管点和管段信息； 爆管分析：当综合管线在某一位置出现故障时，系统能够通过网络分析查询到事故点周围需要紧急关闭的各类阀门，确定所影响的用户，能打印相关通知单。,遥感信息工程学院,符号库管理模块,遥感信息工程学院,三维浏览模块,导航：左键任意角度查看、右键缩放、中键漫游 缩放：固定比例缩放、拉框缩放 目标居中 目标放大 设置观察点 漫游 全图 飞行 场景旋转,遥感信息工程学院,三维查询,三维空间查询三维属性查询,遥感信息工程学院,二三维切换,同一批综合管线数据既可以在二维平面视图中显示，同时又可以对其进行三维建模，在三维视图下显示，两种视图能够实时切换。,遥感信息工程学院,目 录,管线三维可视化技

13、术,系统功能设计,数据库设计,系统总体设计,系统需求分析,三维管线系统功能演示,遥感信息工程学院,管线三维可视化技术,ArcGIS 3D功能简介 ArcGIS Engine 3D开发简介 直管三维建模 弯管三维建模 管点三维建模,遥感信息工程学院,ArcGIS三维软件,遥感信息工程学院,3D数据转换功能,遥感信息工程学院,数据拉伸,遥感信息工程学院,三维场景渲染,分层设色,遥感信息工程学院,遥感信息工程学院,遥感信息工程学院,ArcGIS Engine介绍,ArcGIS Engine是用于构建定制应用的一个完整的嵌入式GIS组件库。 开发者能将ArcGIS功能集成到一些应用软件，还可以为用户提

14、供针对GIS解决方案的定制应用。 ArcGIS Engine Developer Kit ArcGIS Engine Runtime,遥感信息工程学院,ArcGIS Engine简介,ArcGIS Engine可以在没有安装任何ArcGIS桌面软件的环境下提供所有GIS功能，是一组设定良好的跨平台、跨语言部件。它可以运行在Windows、UNIX和Linux平台上，并支持C+、VB、.NET、Java等一系列应用软件开发环境。 ArcGIS Engine提供各种控件、对象和工具，支持扩展模块GeoDatabase 编辑、Raster和3D分析和可视化功能，提供多种开放的API函数，具有跨平台的

15、特性。,遥感信息工程学院,ArcGIS Engine Developer Kit,创建自定义的GIS和制图应用的工具包 包括了支持开发任务所需要的所有开发资源 Components Engine libraries ArcGIS controls APIs COM, .NET, Java, and C+Tools ArcGIS Developer Kit Documentation Developer utilities,遥感信息工程学院,AE开发和配置,遥感信息工程学院,ArcGIS Engine 3D开发简介,ArcGIS Engine提供两种用于三维显示的空间容器： SceneContr

16、ol GlobeControl在这些控件中动态加载矢量数据、DOM和DEM数据，即可生成丰富的三维场景。,遥感信息工程学院,Scene控件,遥感信息工程学院,Scene相关接口,Scene组件类是一个矢量、栅格和图形数据显示与处理的容器。 SceneGraph组件类是一个记录在Scene中出现的数据 和事件的容器。,遥感信息工程学院,SceneControl,遥感信息工程学院,GlobeControl控件,遥感信息工程学院,GlobeControl命令,遥感信息工程学院,工具集,Scene,Globe,标准,遥感信息工程学院,Scene 和 Globe,遥感信息工程学院,SceneGraph 和 GlobeDisplay,遥感信息工程学院,SceneViewer和GlobeViewer,遥感信息工程学院,Camera 和 GlobeCamera,遥感信息工程学院,ArcGIS Engine 3D模型,ArcGIS Engine除了提供基本的点、线、面等几何模型外，还提供了3D模型。 3D模型可以包括两种：矢量模型和表面模型。其中，表面模型又包括TIN和Raster两种，主要适用于具有高低起伏的地形数据三维表示；3D矢量模型包括所有含有Z值的几何对象：点、线、面，以及多片（MultiPatch）。,