基于GRASS的城市地下管線二三維可視化

葛正+寧芊

摘要：設(shè)計(jì)并構(gòu)建地下管線綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，利用開源GIS平臺(tái)GRASS的二維顯示模塊，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的管線空間數(shù)據(jù)來生成并顯示管線二維布局圖，利用AutoCAD進(jìn)行管線三維建模，然后運(yùn)用GRASS的三維模塊實(shí)現(xiàn)管線空間數(shù)據(jù)的三維可視化。為實(shí)現(xiàn)地下管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維信息聯(lián)動(dòng)提供一種可行的解決方案，同時(shí)為運(yùn)用開源GIS開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的三維信息管理系統(tǒng)提供一種技術(shù)路線與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：二三維可視化；GRASS；開源GIS；空間數(shù)據(jù)庫(kù)；地下管線

DOIDOI：10.11907/rjdk.143799

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002014003

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：葛正（1990-），男，安徽安慶人，四川大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘械叵鹿芫€信息化；寧芊（1969-），女，四川宜賓人，博士，四川大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤⑺畔⒒?/p>

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，二維信息已經(jīng)不能滿足城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)程中普通人員對(duì)地下管線數(shù)據(jù)直觀顯示的強(qiáng)烈需求。因此，地下管線數(shù)據(jù)的表示方法由二維轉(zhuǎn)向了二、三維，這是未來城鎮(zhèn)地下管線信息化工作的發(fā)展方向＼[1＼]。目前，GIS在城市地下管線信息化中的應(yīng)用多數(shù)集中在商業(yè)GIS軟件上，而基于開源GIS平臺(tái)的二次開發(fā)較少。GRASS是開源桌面GIS軟件中功能較為齊全的一個(gè)，經(jīng)過多年的發(fā)展，幾乎所有的商業(yè)GIS功能都可以在GRASS中實(shí)現(xiàn)＼[2＼]。GRASS可以在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，用戶可以通過內(nèi)置的GUI或QGIS使用該軟件的功能，也可以通過改進(jìn)的shell直接使用其模塊。由于開源GIS的影響力比較小，而且缺乏良好的能夠滿足商用的發(fā)行版本，所以相應(yīng)會(huì)加大開發(fā)工作量與難度。目前，國(guó)內(nèi)還欠缺開源GIS軟件在地下管線信息化中的深入研究與應(yīng)用，尤其是在開源GIS的三維模塊應(yīng)用方面，還不是很成熟＼[3＼]。

本文研究并利用GRASS、PostgreSQL、PostGIS、AutoCAD實(shí)現(xiàn)了基于開源GIS的管線專題數(shù)據(jù)的二、三維可視化，為構(gòu)建基于開源GIS的管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維聯(lián)動(dòng)技術(shù)提供了一種可行的解決方案，其主要技術(shù)路線如圖1所示。

1地下管線專題數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

城市地下管線的種類繁多、空間位置各異、數(shù)據(jù)量大，各種管線的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)來源不同，需要對(duì)不同數(shù)據(jù)源的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后根據(jù)管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)。這些地下管線原始數(shù)據(jù)主要通過外沿探測(cè)來獲取。地下管線探測(cè)中，通常記錄管線的平面位置、埋深、走向以及管線附屬設(shè)施位置等。

圖1主要技術(shù)路線

用于當(dāng)前試驗(yàn)所建立的管線專題數(shù)據(jù)庫(kù)包括4個(gè)數(shù)據(jù)表：元數(shù)據(jù)表（對(duì)地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的總體描述）、管線點(diǎn)信息表（地面附屬物的中心點(diǎn)，如井蓋中心點(diǎn)、閥門、水表等）、管線信息表（連接管線點(diǎn)的管線段）、小室信息表（管線附屬數(shù)據(jù)，如管井下面的地下空間信息）＼[4＼]。其中最為重要的是管線點(diǎn)信息表、管線信息表，它們基本能表示地下管線所包含的大致信息。這兩個(gè)表的設(shè)計(jì)如表1、表2所示。

管線點(diǎn)以及管線信息表中用到了一個(gè)空間數(shù)據(jù)類型Geometry，該類型是PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎中最重要的一個(gè)概念，是“幾何體”的意思，它支持點(diǎn)、線、多邊形等幾何類型（如點(diǎn)類型POINT（1 1）、線類型LINESTRING（1 1，2 2，3 4））。表2中管線類型表示該管線是屬于哪類管線，其取值范圍有給水、電信、電力、排水、熱力、燃?xì)?、工業(yè)等＼[5＼]；管徑字段表示管道半徑；管線條數(shù)字段僅用于電纜類管線；管線高程字段表示管線底部的高程；流向字段的0表示載體的流向從起點(diǎn)到止點(diǎn)，1表示載體的流向從止點(diǎn)到起點(diǎn)；結(jié)構(gòu)類型字段取值范圍有圓管、直埋電纜、管塊、方溝、套管、管組等。

摘要：設(shè)計(jì)并構(gòu)建地下管線綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，利用開源GIS平臺(tái)GRASS的二維顯示模塊，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的管線空間數(shù)據(jù)來生成并顯示管線二維布局圖，利用AutoCAD進(jìn)行管線三維建模，然后運(yùn)用GRASS的三維模塊實(shí)現(xiàn)管線空間數(shù)據(jù)的三維可視化。為實(shí)現(xiàn)地下管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維信息聯(lián)動(dòng)提供一種可行的解決方案，同時(shí)為運(yùn)用開源GIS開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的三維信息管理系統(tǒng)提供一種技術(shù)路線與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：二三維可視化；GRASS；開源GIS；空間數(shù)據(jù)庫(kù)；地下管線

DOIDOI：10.11907/rjdk.143799

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002014003

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：葛正（1990-），男，安徽安慶人，四川大學(xué)電子信息學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘械叵鹿芫€信息化；寧芊（1969-），女，四川宜賓人，博士，四川大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、水利信息化?/p>

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，二維信息已經(jīng)不能滿足城鎮(zhèn)發(fā)展進(jìn)程中普通人員對(duì)地下管線數(shù)據(jù)直觀顯示的強(qiáng)烈需求。因此，地下管線數(shù)據(jù)的表示方法由二維轉(zhuǎn)向了二、三維，這是未來城鎮(zhèn)地下管線信息化工作的發(fā)展方向＼[1＼]。目前，GIS在城市地下管線信息化中的應(yīng)用多數(shù)集中在商業(yè)GIS軟件上，而基于開源GIS平臺(tái)的二次開發(fā)較少。GRASS是開源桌面GIS軟件中功能較為齊全的一個(gè)，經(jīng)過多年的發(fā)展，幾乎所有的商業(yè)GIS功能都可以在GRASS中實(shí)現(xiàn)＼[2＼]。GRASS可以在多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，用戶可以通過內(nèi)置的GUI或QGIS使用該軟件的功能，也可以通過改進(jìn)的shell直接使用其模塊。由于開源GIS的影響力比較小，而且缺乏良好的能夠滿足商用的發(fā)行版本，所以相應(yīng)會(huì)加大開發(fā)工作量與難度。目前，國(guó)內(nèi)還欠缺開源GIS軟件在地下管線信息化中的深入研究與應(yīng)用，尤其是在開源GIS的三維模塊應(yīng)用方面，還不是很成熟＼[3＼]。

本文研究并利用GRASS、PostgreSQL、PostGIS、AutoCAD實(shí)現(xiàn)了基于開源GIS的管線專題數(shù)據(jù)的二、三維可視化，為構(gòu)建基于開源GIS的管線信息管理系統(tǒng)中的二、三維聯(lián)動(dòng)技術(shù)提供了一種可行的解決方案，其主要技術(shù)路線如圖1所示。

1地下管線專題數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

城市地下管線的種類繁多、空間位置各異、數(shù)據(jù)量大，各種管線的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)來源不同，需要對(duì)不同數(shù)據(jù)源的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后根據(jù)管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)。這些地下管線原始數(shù)據(jù)主要通過外沿探測(cè)來獲取。地下管線探測(cè)中，通常記錄管線的平面位置、埋深、走向以及管線附屬設(shè)施位置等。

圖1主要技術(shù)路線

用于當(dāng)前試驗(yàn)所建立的管線專題數(shù)據(jù)庫(kù)包括4個(gè)數(shù)據(jù)表：元數(shù)據(jù)表（對(duì)地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的總體描述）、管線點(diǎn)信息表（地面附屬物的中心點(diǎn)，如井蓋中心點(diǎn)、閥門、水表等）、管線信息表（連接管線點(diǎn)的管線段）、小室信息表（管線附屬數(shù)據(jù)，如管井下面的地下空間信息）＼[4＼]。其中最為重要的是管線點(diǎn)信息表、管線信息表，它們基本能表示地下管線所包含的大致信息。這兩個(gè)表的設(shè)計(jì)如表1、表2所示。

管線點(diǎn)以及管線信息表中用到了一個(gè)空間數(shù)據(jù)類型Geometry，該類型是PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎中最重要的一個(gè)概念，是“幾何體”的意思，它支持點(diǎn)、線、多邊形等幾何類型（如點(diǎn)類型POINT（1 1）、線類型LINESTRING（1 1，2 2，3 4））。表2中管線類型表示該管線是屬于哪類管線，其取值范圍有給水、電信、電力、排水、熱力、燃?xì)?、工業(yè)等＼[5＼]；管徑字段表示管道半徑；管線條數(shù)字段僅用于電纜類管線；管線高程字段表示管線底部的高程；流向字段的0表示載體的流向從起點(diǎn)到止點(diǎn)，1表示載體的流向從止點(diǎn)到起點(diǎn)；結(jié)構(gòu)類型字段取值范圍有圓管、直埋電纜、管塊、方溝、套管、管組等。

2管線數(shù)據(jù)二維可視化

PostgreSQL是一個(gè)自由的對(duì)象——關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，具有許多優(yōu)點(diǎn)：它包括了豐富的數(shù)據(jù)類型支持，其中有些數(shù)據(jù)庫(kù)類型支持在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中都不具備，比如IP類型；它是全功能的自由軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，很長(zhǎng)時(shí)間以來，它是唯一支持事務(wù)、子查詢、多版本并行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)完整性檢查等特性的一種自由軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；它擁有一支非常活躍的開發(fā)隊(duì)伍＼[6＼]；其版本更新比較穩(wěn)定，而且每發(fā)布一個(gè)新版本都會(huì)有功能的提升。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)與一般的數(shù)據(jù)庫(kù)功能并無不同，然而在其中配置了許多開源GIS所支持的PostGIS空間數(shù)據(jù)引擎后，它就具有了其它開源數(shù)據(jù)庫(kù)不能替代的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)它包含了更加豐富的數(shù)據(jù)類型支持，比如Geometry空間數(shù)據(jù)類型就是在配置了PostGIS后才在數(shù)據(jù)庫(kù)中產(chǎn)生。因此，PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)絕對(duì)是開源GIS項(xiàng)目開發(fā)者的首選數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。

GRASS的v.in.db模塊功能是將數(shù)據(jù)庫(kù)中帶有空間信息的數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換成一幅矢量地圖，然而它每次只能將一個(gè)數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換成一幅矢量圖，因此需進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換并且會(huì)產(chǎn)生管線點(diǎn)和管線兩幅矢量圖。以下是運(yùn)用該模塊快速實(shí)現(xiàn)二維管線數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵代碼：

v.in.db table=P_pipe key=P_ID x=east y=north z=quota out=pointofpipe

v.in.db table=L_pipe key=L_ID x=east y=north z=quota out=lineofpipe //轉(zhuǎn)換管點(diǎn)和管線信息表為兩幅矢量圖

v.overlay ainput=pointofpipe binput=lineofpipe out=pipemap_2D operator=or //合并兩幅矢量圖

d.vect pipemap_2D //顯示地圖

為了避免繁瑣的轉(zhuǎn)換讀取步驟，也可以用QGIS界面管理器手動(dòng)連接數(shù)據(jù)庫(kù)并直接打開圖層，簡(jiǎn)易二維管線布局如圖2所示。

圖2二維管線布局

3管線設(shè)施三維建模

盡管目前的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）可以存儲(chǔ)三維坐標(biāo)，但是它還是不能支持真正的三維實(shí)體＼[7＼]。而且與常見的地形圖不同，常見地形圖的三維可視化可直接利用點(diǎn)數(shù)據(jù)加上DEM高程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)，然而地下管線具有一定的規(guī)則性，它不能簡(jiǎn)單地通過高程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。因此，管線設(shè)施的三維建模需要借助第三方三維建模軟件，此處采用的是AutoCAD工程制圖軟件。AutoCAD具有良好的用戶界面和廣泛的適用性，可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行，尤其是它所具有的dxf格式圖形和dgn格式圖形可以在絕大多數(shù)GIS軟件上讀入或輸出＼[8＼]。盡管dgn格式圖形在使用上并不廣泛，但是作為一種空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式和一種開放的矢量格式，在處理建筑、橋梁等許多大型工程的圖形上其實(shí)用性比其它格式圖形要好。

在管線三維建模過程中以下幾個(gè)細(xì)節(jié)至關(guān)重要：

（1）城市地下管線共分為給水、排水、燃?xì)?、熱力、工業(yè)、電力和電纜七大類，其中前五種屬于地下管道，后兩種屬于地下電纜，不同用途的管線占據(jù)不同的土層，不同的管線層之間不存在相交關(guān)系，為了防止某層管線破裂而影響到其它管線層，每層之間的間隔厚度要足夠大。具體分層如圖3所示。

（2）在地下管網(wǎng)中，分布著管道的三通接點(diǎn)、彎管接點(diǎn)，由于不同管線的特點(diǎn)及載體都不相同，因而在建模時(shí)這些接點(diǎn)的設(shè)計(jì)要視具體情況而定。地下管道一般都是硬管，不能彎折，其三通接點(diǎn)和彎管接點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4、圖5所示。

圖3管線分層圖圖4硬管三通接點(diǎn)

對(duì)于像電力電纜和電信電纜這樣的軟管，它們顯然可以彎折，因此不存在三通接點(diǎn)，只有彎管接點(diǎn)，在彎折處的管線應(yīng)該是圓滑的＼[9＼]，其模型設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5硬管彎管接點(diǎn)圖6軟管彎管接點(diǎn)

4管線三維可視化

GRASS具有v.in.dxf模塊，該模塊可以將AutoCAD的dxf格式文件快速轉(zhuǎn)換成GRASS特有的矢量圖。但實(shí)驗(yàn)表明，該模塊在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)丟失部分圖層信息，造成圖形嚴(yán)重失真。GDAL/OGR是一個(gè)開源柵格和矢量空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(kù)，其中OGR提供對(duì)許多矢量數(shù)據(jù)格式（如Shapefile、dgn、odbc等）的讀寫支持＼[10＼]，GRASS具有一個(gè)v.in.ogr模塊支持多種矢量數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)表明，v.in.ogr模塊可以很好地將AutoCAD的dgn格式圖形轉(zhuǎn)換成其特有的矢量格式，并且轉(zhuǎn)換速度快、圖層信息基本都沒有丟失。

GRASS的NVIZ三維可視化模塊是由模塊SG3D發(fā)展而來的一個(gè)工具，用于顯示三維柵格、矢量或站點(diǎn)，同時(shí)也能進(jìn)行3D查詢和創(chuàng)建動(dòng)畫。因此，用v.in.ogr模塊和nviz模塊相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)管線三維可視化的目的。以下是利用該方法實(shí)現(xiàn)管線三維數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵代碼：

v.in.ogr -z input=pipemap.dgn output=pipemap_3D //矢量方式導(dǎo)入dgn格式地圖

g.region vect=pipemap_3D -p //根據(jù)矢量圖自動(dòng)調(diào)整合適分辨率

nviz vect=pipemap_3D //NVIZ三維模塊顯示管線圖

利用GRASS的NVIZ三維顯示模塊，得到如圖7所示的三維管線效果圖。

5結(jié)語

在利用GRASS對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中空間數(shù)據(jù)的直接調(diào)用實(shí)現(xiàn)管線二維可視化的同時(shí)，通過AutoCAD進(jìn)行三維管線建模，利用GRASS的OGR矢量模塊導(dǎo)入模型并用NVIZ三維模塊顯示該模型，是解決基于GRASS實(shí)現(xiàn)管線二三維可視化的有效方法。該方法不僅可以充分運(yùn)用AutoCAD的三維制圖功能快速制作三維管線圖，還為GIS二次開發(fā)者應(yīng)用開源GIS來開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的二三維信息管理系統(tǒng)提供了可信的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

由于尚處于研究階段，目前只實(shí)現(xiàn)了開源GIS針對(duì)專題數(shù)據(jù)的二三維顯示，然而地下管線數(shù)據(jù)集應(yīng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（地面建筑物、道路、附屬設(shè)施等）和專題數(shù)據(jù)。因此，在專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并且全面構(gòu)建基于開源GIS的地下管線信息化管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)二、三維聯(lián)動(dòng)顯示功能是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

圖7GRASS三維管線效果

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）