基于MapGIS-TDE的城市地下三维信息系统研究

２０１０年第１５期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏ　ＩＴ论坛。　科技信息　基于ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ的城市地下　三维信息系统研究　崔新友　李东亮　（１．中国人民解放军武汉军械士官学校弹药导弹系　湖北武汉４３００７５；２．焦作大学信息工程学院河南焦作４５４００３）　【摘要】研究了在ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ三维地理信息系统平台上开发城市地下三维信息系统的相关技术。介绍了在ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ平台下，采　用基于插件的层次体系结构，进行二次开发的一般方法。针对城市地下三维信息系统，开发了三维建模插件和三维分析插件。并给出了三维分　析的实例。　【关键词】ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ；地下三维信息系统　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｕｒｂａｎ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　３Ｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭａｐＧＩＳ．．ＴＤＥ　ＣＵＩⅪｎ—ｙｏｕ　ＬＩ　Ｄｏｎｇ—ｌｉａｎｇ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＡｍｍｕｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｉｓｓｉｌｅ；Ｗｕｈａｎ　Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｎ．Ｃ．Ｏ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＰＬＡ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ，４３００７５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｏｚｕｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ　Ｈｅｎａｎ，４５４００３，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　３Ｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｖｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ　３ＤＧＩＳ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｌｕｇ—ｉｎ　ａｎｄ　ｈｉｅｒａｃｈｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ａｉｍ　ａｔ　ｕｒｂａｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　３Ｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｐｌｕｇ－ｉｎ　ａｎｄ　３Ｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｌｕｇ—ｉｎ，ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｓａｍｅ　ｅｘａｍｐｌｅｓ　ｏｆ　３Ｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ；Ｕｒｂａｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　３Ｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｏ　引言　１．３功能开发框架　功能开发框架是ＴＤＥ平台的最主要二次开发层．它是在“插件＋　ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ是中地公司推出的以ＭａｐＧＩＳ核心模块作为基础　对象”的基础上构建应用系统的。ＴＤＥ框架的主体为数据管理、可视　数据支持的三维引擎（ＴＤＥ，Ｔｈｒｅｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅ）开发平台，其二　化、交互、编辑等几个主要部分。框架通过消息，共享变量等手段，协调　次开发框架体系，面向专业领域、主题型三维应用系统，具有良好构架　每个部分之间的关系，提供相互协作的模式，各部分之间数据的传输、　的开放性和功能构件的可动态扩展性。用户可针对专业领域应用，开　状态的切换等。ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ提供的各种组件工具都是基于功能开发　发具有针对性的快速建模与分析插件，动态扩展平台功能模块　框架进行实现的　在ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ三维开发平台下建立城市地下三维信息系统，能　有效地提高系统开发效率。城市地下三维信息系统具备３ＤＧＩＳ的核心　功能，包括空间数据的输入、管理、分析以及表现，之外还提供了针对　地下三维信息系统应用的三维建模、三维分析等功能。三维建模功能　主要包括：钻孔建模、地质建模、地下管线建模和三维标注建模。三维　空间分析功能主要包括：物体浏览、路径漫游、模型编辑、属性操作、距　离量算、面积体积量算、隧道模拟、模型动态剖切、模型爆炸显示等功　能　界面框架　１　系统架构　城市地下三维信息系统在ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ框架体系下开发．采用了　基于插件开发的层次体系结构，在对空间数据统一管理的基础上．设　计或直接采用了平台提供的三维建模插件和三维空间分析插件，搭建　了方便的使用界面．其架构如图１所示　在界面框架以下，系统架构分为三个层次，分别为：功能开发框　架、ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ基础平台和ＭａｐＧＩＳ核心模块。　１．１　ＭａｐＧＩＳ核心模块　ＭａｐＧＩＳ核心　块　图１　系统架构图　２　ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ插件开发　ＭａｐＧＩＳ核心模块是开发ＧＩＳ系统的基本模块，提供了ＭａｐＧＩＳ数　２．１　ＴＤＥ框架基本工作原理　据处理的全部功能，对图形处理（包括数字测图、图形编辑、文件转换、　ＴＤＥ框架的工作十分灵活有效，它基本上所有的工作都有　输出、升级等功能）、空间分析（包括基本空间分析、ＤＴＭ分析、网络编　Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ来完成的。Ｗｏｒｋｓａｐｃｅ管理着各级管理器，应用程序可以通　辑和网络分析）、图像处理（包括图像分析、电子沙盘和高程库管理）、　过它来获得各类管理器，它还负责管理视图应用框架，消息分发器，纹　库管理（包括数据库管理、属性库管理、地图库管理和影像库管理）和　理管理器。应用程序可以拥有多个不同类的视图，Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ会为每个　地图浏览、投影变换、误差校正、图形裁剪、集成网络分析等多种使用　视图生成一个视图应用框架，并将窗口注册到一个全局的消息分发器　服务进行了封装，提供了方便调用的ＡＰＩ函数或类库。　中，由消息分发器负责向下传递由视图传来的各类窗口消息。　１．２　ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ基础平台　Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ会根据配置文件装载插件库，插件库负责向对应的插　ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ基础平台是一个三维ＧＩＳ平台，它是在ＭａｐＧＩＳ核　件管理器中添加插件对象。对于每一类插件，只允许有一个实例，不同　心模块基础之上开发的，主要包括ＴＤＥ数据存储和三维渲染引擎两　的视图应用框架共享一个插件实例　大部分。ＴＤＥ数据存储支持本地和网络一体化数据存储，网络数据库　２．２插件开发　支持Ｏｒａｃｌｅ数据库。ＴＤＥ数据存储按照“空间数据库——数据集——　按照操作对象来分，插件可分为数据插件、功能插件、交互插件和　类”这几个层次组织数据，可以满足不同应用领域对不同专题数据的　渲染插件。数据插件主要是针对二维和三维数据层进行相应的操作与　组织和管理需要。其三维渲染引擎采用面向对象思想，提供统一的渲　管理。这一类插件根据数据层继承关系的不同，分别对不同的数据进　染接口，同时支持ＯｐｅｎＧＬ和Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ三维渲染引擎．提供多种显示　行响应。功能插件则是侧重于实体模型的操作与管理。交互插件处理　接口及特效。　可视化窗口的鼠标、键盘等外部控制设备的响应。渲染插件可提供一　科技信息　０　ＩＴ论坛０　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１０年第１５期　些特殊的渲染效果以丰富系统渲染效果。　下面以数据插件的编写为　模型属性。三维标注可使用公告板技术来表示。　例，说明插件的编写步骤：　（１）新建ＭＦＣ　ＤＩＪＩ　工程ＳａｍｐＤｔＰｌｕｇｉｎ；　４三维分析　城市地下三维信息系统比较实用的三维分析功能包括：模型拾　（２）实现相应抽象类ＣＳａｍｐＤｔＰｌｕｇｉｎ的所有接口；　（３）新建．ｃｐｐ文件，并在其中实现ｄｌｌＳｔａｒｔＰｌｕｇｉｎ　０和ｄｌｌＳｔｏｐＰｌｕｇｉｎ０　取、三维交互定位、模型切割、隧道模拟等。　两个函数：　ｌｏｎｇ　ＷＩＮＡＰＩ　ｄｌｌＳｔａｒｔＰｌｕｇｉｎ（ｖｏｉｄ１启用插件。　ｌｏｎｇ　ＷＩＮＡＰＩ　ｄｌｌＳｔ０ｐＰｌｕｇｉｎ（ｖ０ｉｄ）停用插件。　（４）导出ｄｌｌＳｔａｒｔＰｌｕｇｉｎ和ｄｌｌＳｔｏｐＨｕｇｉｎ函数；　（５）编译工程，将插件动态库导出到插件目录中。　３地下三维建模　３．１　３Ｄ构模方法　三维构模方法有很多种，总的来说可分为三种：面构模法、体构模　法和面体混合构模法三大类　。系统中涉及到的三维几何模型主要包　括：钻孔、地层、地下构筑物、地下管线等比较适合采用基于面表示的　面构模法。基于面的表示模型，可采用多面形面片、不规则三角形网、　边界表示、线框模型、规则格网等，为充分利用平台特性，提高渲染速　度．统一采用三角形面片的方法表示几何模型。　３．２模型存储　和普通三维建模和三维渲染软件不同的是，三维ＧＩＳ软件除了要　对场景进行渲染之外，还具备三维分析功能。为了在三维场景中直接　进行分析，需要在三维几何模型的基础上，叠加属性信息。三维模型要　素类是ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ对空间数据进行管理的有效手段，它解决了三维　模型的　示和数据库存储、属性数据的存储及其与三维模型的关联。　在三维模型要素类的基础上，将三维模型数据和属性数据相融合。　３３地下三维建模方法　针对系统城市地下具体应用特点，三维建模功能模块提供了以钻　孔数据为核心的三维钻孔建模和地质体建模。钻孔数据是最具有代表　性的一种数据．通常钻孔的信息数据是以钻孔的柱状图的形式汇总　的，它包括钻孔的位置、钻进方向、取样结果以及地层、岩性等所有钻　进获得的信息　。建模时根据钻孔的孔口信息（包括钻孔编码、ｘ坐标、　Ｙ坐标、钻孔标高、钻孔深度、钻孔类型、孔位、开孔日期、专业ＩＤ等字　段信息）、钻孔测斜信息（包括测点位置，方位，倾角）、岩性信息以及取　样信息分段建立其几何模型．建立钻孔的几何模型时，首先按照分层　信息，从钻　Ｌ中心线处进行坐标变换，圆形由多边形代替，逐段建立每　段的表面模型．段与段之间无缝连接．其所有的属性信息定义为三维　钻孔模型要素类的数据段。　地质体是在钻　Ｌ数据的基础上分层进行表面建模的。由于岩土介　质空问分布的不连续性、不均匀性和不确定性，地层之间相互交叉侵　蚀，地质实体之间的关系错综复杂，所以，应进行地层的划分　。分层建　模时可根据钻孔原始数据的特性．可使用一个或多个数学函数对其进　行模拟。一般可采用格网和三角网的方法进行建模。其中格网结构简　单，数据具有规则性，运算速度快，可采用的插值方法包括样条有限　元，距离反比法．克里金法、趋势面分析法等多种，实现可视化很方便，　但格网结构也有很大的局限性，它不能用来表达倒转褶皱、逆断层、陡　峭斜坡等复杂地质情况。三角网法可从不规则分布的离散点数据生成　连续的表面．其分辨率可变．能有效的减少数据量，对断裂线、构造线　等突变部位能够很好的照顾到．比较适合构造地质表面、矿体、地形、　地下水等。本研究采用三角网法构造地质表面。采用三角网法构造地　质表面时需要进行三角剖分，在这里使用Ｄｅｌａｕａｎｙ三角剖分。　Ｄｅｌａｕａｎｙ三角剖分的特点是剖分结果的每个三角形都尽可能接近等　边三角形，使得三角网比较匀称。　城市地下管线大致可分为给水、排水、燃气、热力、工业、电力和电　信管线７大类　］。各种管线还可以进一步细分，比如给水管线，可分为　工业给水、生活给水和消防给水　】。管线的基本几何数据可归纳为管线　端点、结合点、变径点与附属设施特征点。管线形状多为树枝状、环状　或辐射状，每一条管线呵以根据交叉点和变径点分解成若干条管线　段，交叉点处模拟现实情况，以三通、四通、阀门或变径接头等附属设　施相连接。管线段由相应管点数据连接，组成一条不间断的管线段。建　模时．每一条管线可以看作由管线段和附属设施组成。　其它的三维模型包括地下构筑物、三维标注等。地下构筑物可事　先用３ＤＭａｘ、Ｍａｙａ等三维几何建模软件进行建模，然后导出为．ｏｂｊ文　件，在系统里编写ＯＢＪ模型读人插件，将模型导入到系统中，然后添加　模型拾取是指通过鼠标单击的方法查询钻孔、地层等三维模型的　属性信息．图２所示为查询地层属性。三维交互定位是指通过鼠标单　击的方法对三维模型进行定位。　模型切割，如图３、图４所示，是指通过类似切割的方法，按照一　定的路径对三维模型进行剖切显示。支持对各类地质体进行平面剖　切、水平剖切、斜切、折线垂直剖切及组合剖切等多种剖切方式。通过　鼠标输入线、对话框输入坐标、读取ＭａｐＧＩＳ线文件等方式生成剖切　路径，然后沿着切割路径进行切割操作，最后对切割的模型也提供了　保存模型的功能，也可将切割后的模型保存到数据库中，供下次使用。　隧道模拟，如图５所示，是基于三维地质模型切割的三维分析方　法，按照用户任意设定的路径和隧道截面（矩形、圆形、拱形）参数生成　隧道模型，通过隧道与地质体的切割，将隧道内地质体挖掉，只保留壁　上带有岩性的隧道空腔。完成切割后，可在隧道中进行飞行漫游查看　隧道内地层分布变化情况或地层的属性。　其它的三维分析功能包括物体浏览、路径漫游、模型编辑、距离量　算、面积体积量算、模型动态剖切、模型爆炸显示等，不再一一介绍。　图２查询地层属性　图３模型折线剖切　图４模型栅状剖切　图５隧道模拟　５结论　在ＭａｐＧＩＳ—ＴＤＥ平台进行二次开发，建立城市地下三维信息系　统，可充分利用平台特性，系统结构清晰，减少代码量，可将全部的精　力集中到系统功能开发和数据组织上，是一个比较好的选择。系统开　发完成后，成功地应用到多个城市地下三维信息管理，取得了良好的　经济效益和社会效益。　【参考文献】　［１］李清泉，严勇，杨必胜，花向红．地下管线的三维可视化研究［Ｊ１．武汉大学学报：　信息科学版，２００３，３：２７７—２８２．　［２］田应中，张正禄，杨旭．地下管线网探测与信息管理［Ｍ］北京：测绘出版社．　１９９７．　［３］陈学习，吴立新．三维地学模拟研究现状及发展趋势『Ｊ】．华北科技学院学报．　２００３，２（５）：２８—３２．　［４］王纯祥，白世伟．三维地层信息系统在岩土工程中应用研究叨．岩ｔ力学　２００３，４（２４）：６１４—７１７．　［５］曾新平．地质体三维可视化建模系统ＧｅｏＭｏｄｅｌ的总体设计与实现技术中国　地质大学（北京）博士论文，２００５．　作者简介：崔新友（１９８２一），男，河南商水人，武汉军械士官学校助教，硕士　研究生，主要研究方向三维ＧＩＳ技术与应用Ｉ程、虚拟现实技术与应用工程。　李东亮（１９７９），男，河南内黄人，讲师，硕士研究生，研究方向为人工智　能、嵌入式Ｌｉｎｕｘ开发。　［责任编辑：王静］　４７