《滨海高新区综合管网三维规划管理系统》的研究与实现

孟浩东 ，张炜，王冬，蒋许锋

(1.天津市测绘院，天津 300381;2.天津滨海高新技术产业开发区规划处，天津 300384)

1 引言

城市地下管网的综合规划和管理，正随着地理信息系统产业的发展，越来越受到人们的重视。城市地下管线与人们的生活密切相关，它们的畅通运营是企业安全生产、社会稳定的重要保障。综合考虑、统筹规划、合理使用财力，实现城市地下管网的综合管理已经成为必然。

滨海高新区是首批国家级高新技术产业开发区，被赋予带动区域经济结构调整和跨越发展的使命，被定为滨海新区的领航区。随着滨海高新区的开发开放，地下逐步埋设了大量的管网设施。

天津滨海高新技术产业开发区规划处是为天津市规划局的派出机构，是此区域的城市规划行政主管部门，在滨海科技园成立之日起，就开始了滨海高新区综合管网三维规划管理系统的研发工作。在三维管线规划系统中实现地下管线信息的查询与分析使得三维管线景观不仅仅能为用户提供视觉上的感受，让用户对管线的建设具有感性认识，更使得决策者、规划设计院和用户对管线建设现状和规划设计蓝图有更为生动、客观和理性的了解和认识，从而拓宽了城市地下管线规划、设计和管理人员的视角，使管线的布置、维护和管理更加科学化。

2 研究目标

《滨海高新区综合管网三维规划管理系统》是一个基础性管理类的研究课题，主要实现了以下目标:

(1)滨海高新区管线相关规定和数据标准的制定

制定滨海高新区市政管线工程申请审批相关规定和数据标准，以保证滨海高新区地下管网的统一规划、统一标准、统进统出。

(2)建设管线数据库，实现管线的动态管理、跟踪探测、实时更新

搜集整理滨海高新区各种地理信息资源数据，建立相应数据库，委托专业的管线测量队伍随时测量，实现管线的动态管理、跟踪探测、实时更新。

(3)开发简便实用的三维管线规划管理系统

建立了二三维结合的滨海高新区综合管网三维规划管理系统，在该系统中实现三维可视化，并结合天津市市政工程规划管理流程将市政管线路由行政审批思路融入系统。

(4)建立企业工程竣工验收信用评价机制

在市政管线工程规划管理过程中，引入企业工程竣工验收信用评价机制，督促企业在完成市政管线工程之后，尽快办理竣工验收手续。

3 总体架构

滨海高新区综合管网三维规划管理系统以网络设施为支撑、以滨海高新区地理信息数据为数据基础，利用数据库技术、GIS技术、三维技术、软件开发技术等结合，采用超前开发和滞后开发相结合的策略进行系统建设。其总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

总体框架设计的核心是把滨海高新区的空间信息资源(管线、地形、影像、规划、三维)建立在统一的地理空间架构上，实现海量存储、高效管理与持续更新;将传统管线功能与天津市市政工程规划管理流程有机地结合起来，使本系统同时具有管线规划管理、审批流程管理、工程档案管理的功能。

基础设施层:支持系统运行的硬件与网络设施，包括中心服务器设备与局域网设备等基础设施。

数据服务层:滨海高新区的若干空间信息资源(包括管线、地形、影像、规划、三维等数据)、工程档案数据等。使用Microsoft SQL Server和ArcSDE进行管理，在单机版环境中使用Microsoft SQL Server和 Personal GeoDatabase管理。

核心框架层:选定美国ESRI公司的ArcGIS 9.3系列产品中的ArcEngine 9.3作为传统GIS平台软件;选用天津市测绘院自主开发的VRCity作为三维可视化平台软件。

应用服务层:满足市政管网规划管理的需要建立的应用系统。

标准支撑体系:包括统一的术语标准、参考系统、元数据标准、空间地理信息分类与代码标准、空间地理产品标准以及相关其他标准。保证数据在一致的标准下能够实现共享与交换应用，各类应用系统和信息服务系统开发依据统一的技术规范开展工作。

安全保障体系:建立安全保障体系，通过安全保障技术与安全保密规定等的建立，可以保证系统运行安全、数据保密安全、数据交换安全。

4 系统功能

《滨海高新区综合管网三维规划管理系统》的二维模块和三维模块是结合在一起的，可以互相切换，互联互动。主要界面如图2所示。

图2 系统主界面

4.1 基本功能

本系统基本功能包括:管线图的浏览与显示、图层信息查询、管线分层显示及设置、管线量算功能、管线查询检索功能、管线的统计、标注、打印、编辑等功能。

4.2 典型功能

(1)管线路由审批功能

管线路由审批功能可以供规划处人员审批路由时，根据给出的管线条件，系统结合管网埋设的规范自动计算出指定位置是否可以埋设管线，同时可以将审定的路由条件保存，与验线以后的实际管线进行对比。

图3 管线路由审批

(2)市政管线审批流程功能

办件人员可以使用市政管线审批流程功能，将市政管线审批流程中每一阶段产生的各项数据录入系统，进行对比;进行路由审批;方案对比。如图4所示。

图4 市政管线审批流程

(3)三维功能

三维功能包括三维可视化，信息查询，镜头参数调整，管网透视查看，管网切块查看，管网挖方查看，沿路挖方查看。

图5 管网切块查看

图6 管网透视

5 关键技术

(1)三维场景多线程调度技术

在调度场景时，根据视点的逐步变化，把将要落入到可视区域内、同时内存中暂时没有的数据被读入到内存中，同时将暂时不用的数据所占用的内存空间释放掉。从而减小数据调度粒度，节省系统资源的耗费。整个运行时刻采用双线程的运行机制，主线程负责场景LOD的计算，活动结点的可见性判定，并且将最终需要绘制的模型数据送至GPU去绘制。

(2)三维漫游过程中的实时处理

针对地下管网地理信息系统在漫游过程中实时绘制的这一特殊性，实时加速方法主要通过使用改进的平行投影技术、空间跳跃重采样、相邻帧间的连贯性关系三种方法来实现。

使用光线投射技术，在沿视点投射出的光线上进行重采样时，使用改进的空间跳跃(Space—Leaping)技术可以跳过这些空体素，以加快绘制速度。

基于相邻帧的连贯性，采取两步实时处理技术;将当前帧的处理分成两步:近景和远景的处理。近景的处理利用改进的两阶段光线投射技术，远景的处理利用改进的加速对象投影处理远视点区域，并考虑了相邻帧的连贯性，相邻帧场景变化在一定范围内近视点场景重新计算，其余部分利用上一帧的结果进行处理，然后再重新合成。

(3)大规模地形动态调度技术

系统采用动态简化方法，解决了在存储、传输、和渲染等方面引起的一系列实际问题，比如细节层次之间的过渡、递进传输和有选择性简化等。实时优化适应性网格(ROAM)算法中，采用基于三角形二叉树的数据结构，使用分裂、合并两个优先级队列和基于视点的误差定义公式来动态更新三角形格网，开发了帧间连贯性、视见体裁剪和三角形条带绘制等技术来加速地形的显示。

6 项目的创新点

(1)组件化架构，二三维无缝结合

采用组件化架构模式，二维管线功能采用ArcEngine组件开发，封装为组件。三维内核为C++开发的核心层负责三维绘制，消息处理等核心功能，外壳为．net开发的应用层负责实现应用相关的业务逻辑。一方面应用开发效率更高，结构更合理，扩展能力提高，另一方面二维功能组件和三维功能组件可以无缝结合，为用户提供高效，低成本的三维地理信息系统升级方案。

(2)将市政管线路由行政审批思路融入系统

以往的管网系统主要侧重于市政管线管理方面的功能，本系统除了包含传统的管线管理功能以外，引入了行政审批流程功能，可以在系统中审批管线路由，提供管线的三维预览功能，还可以进行各阶段管线现状图、施工图、放线图、方案图、竣工验收附图的比对。

(3)海量三维数据管理

该系统克服了以往管网系统中三维部分对海量三维数据处理能力弱的缺欠，可以同时管理十余万条三维管线模型及属性数据，同时可以叠加大范围的影像数据。

(4)企业工程竣工验收信用评价机制

在市政管线工程规划管理过程中，引入竣工验收信用评价模型，建立企业工程竣工验收信用评价机制，督促企业在完成市政管线工程之后，尽快办理竣工验收手续。

7 结语

滨海高新区综合管网三维规划管理系统采用Arc-GIS技术和可控开发的VRCity三维平台构建了整个系统，具有很实用的功能和海量三维数据处理的能力，为滨海高新区规划部门提供了管理地下综合管网的现代化手段，也将为未来数字滨海高新区的建设打好基础。

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