天津市城市地下空間建(構)筑物三維數(shù)據(jù)編繪系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

譚新宇，胡勤軍

(天津市測繪院有限公司，天津 300382)

1 引 言

傳統(tǒng)地下空間管理，側重于地下管線的管理，往往忽視了建(構)筑物要素的管理。隨著城市的發(fā)展，城市地下空間建(構)筑物日趨增多，對其科學管理越來越重要，相應數(shù)據(jù)的采集編繪的要求也越來越高[6]。

目前，天津市現(xiàn)有的地理信息采編軟件在采集編繪地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)方面存在一些困難[3]：一是地下空間建(構)筑物較為隱蔽，且常常分層錯位，原有二維采編系統(tǒng)難以直觀編輯[4]。二是地下空間建(構)筑物信息掛載的最大外圍輪廓線，在CAD平臺中難以直接獲取。三是原有采編系統(tǒng)難以綜合處理地下空間建(構)筑物的空間數(shù)據(jù)和復雜的屬性信息。

為此，作者結合天津市城市地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)字典項目，設計開發(fā)天津市地下空間建(構)筑物三維數(shù)據(jù)編輯系統(tǒng)，以期實現(xiàn)地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)的標準編繪，滿足地下空間調(diào)查項目的實際需求。

2 數(shù)據(jù)編繪流程

數(shù)據(jù)編繪流程規(guī)定了系統(tǒng)各功能模塊之間的邏輯關系，是系統(tǒng)開發(fā)設計的基礎。依據(jù)數(shù)據(jù)字典對地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)的分類、編碼、幾何特征、空間關系和屬性表等要求[2]，結合天津市基礎地理信息采編系統(tǒng)繪制常規(guī)地物的習慣特點和某區(qū)域的地下管線(空間調(diào)查)普查項目成果要求，設計數(shù)據(jù)編繪流程如圖1所示。

圖1 地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)編繪流程圖

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)按照目標導向，先將數(shù)據(jù)字典進行緊湊嚴密化配置，再依據(jù)數(shù)據(jù)編繪流程拆解實現(xiàn)各模塊功能，最后封裝成一套完整的輸入輸出系統(tǒng)，主要可分為數(shù)據(jù)字典的配置、編輯功能的實現(xiàn)、三維可視化的實現(xiàn)和工程項目管理的封裝等步驟。

3.1 數(shù)據(jù)字典的配置

數(shù)據(jù)字典作為一個文檔成果，定義了大量的要素分類編碼表、地下空間數(shù)據(jù)分層表、注記分類表、字體一覽表以及屬性表等等，內(nèi)容繁多，結構松散。要實現(xiàn)要素的標準繪制，需要對數(shù)據(jù)字典進行詳細解讀，并提煉出一個結構緊密邏輯嚴謹?shù)呐渲梦募?。XML是可擴展標記語言(eXtensible Markup Language)的縮寫，它是一種數(shù)據(jù)表示格式，可以描述非常復雜的數(shù)據(jù)結構，常用于傳輸和存儲數(shù)據(jù)。因此，本系統(tǒng)采用XML來配置數(shù)據(jù)字典中的要素信息和屬性表等信息，并存儲臨時項目信息，便于數(shù)據(jù)中斷續(xù)編，并能滿足敏捷開發(fā)、自定義屬性和最終成果檢查等需要。

3.2 編輯功能的實現(xiàn)

編輯功能是系統(tǒng)的核心部分，是地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)編繪流程和工程項目化管理的具體實現(xiàn)[7，8]。系統(tǒng)采用天津市基礎地理信息采編系統(tǒng)相同的二次開發(fā)平臺-AutoCAD Map3D 2016，逐一實現(xiàn)分層輪廓線繪制模塊、出入口標繪模塊和最大外圍輪廓線繪制模塊(如圖2所示)，并按照編繪流程，將其集成為一鍵繪制功能。通常情況下，點擊“地下空間建構筑物一鍵繪制”并逐步操作，即可編繪出完整的地下空間建(構)筑物要素對象。

圖2 地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)編輯功能結構圖

數(shù)據(jù)編繪以選擇需要繪制的地下空間建(構)筑物的類型[5]開始，設定好總層數(shù)和當前繪制層數(shù)，交互繪制出當前層的分層輪廓線，并逐一錄入分層、設施、當前高程點信息后，再疊加融合所有層的分層輪廓線，得到最大外圍輪廓線，并掛接主體屬性信息。地下空間建(構)筑物的最大外圍輪廓線的提取，是實現(xiàn)屬性信息掛接和成果輸出的關鍵[9]。系統(tǒng)綜合采用Shapelib和DotSpatial等開源庫，來實現(xiàn)空間信息的輸出、分析、最大外圍輪廓線提取、屬性掛接和空間檢查等功能。Shapelib是一款基于C語言編寫的開源的庫文件，它支持對Esri公司的Shapefiles文件進行快速的讀寫操作，效率較高。DotSpatial是一個基于.Net Framework 4.0版本編寫的一個開源地理信息系統(tǒng)(GIS)庫，它可幫助開發(fā)人員把空間數(shù)據(jù)、空間分析的功能加入他們的應用程序中。圖3為編輯功能效果示意圖。

圖3 編輯功能效果示意圖

3.3 三維可視化的實現(xiàn)

AutoCAD Map 3D具有強大的二三維可視化編輯功能，通過內(nèi)置的編程接口，能夠快速將二維視圖中的圖元轉換為三維實體，并且可以通過“二三維快速切換”按鈕，一鍵切換到三維視圖進行瀏覽和編輯，從而實現(xiàn)地下建(構)筑物數(shù)據(jù)的二三維度的快速切換編輯。

本文系統(tǒng)設計開發(fā)了三維輔助類3DOrbitClass，設計二維地下空間建(構)筑物分層輪廓線的輸入接口，利用輪廓線中的圖層、顏色、地層高程、地層層高、凈空高、地層面積等信息，利用Map3D自帶的Solid3d.CreateFrom()函數(shù)，直接將地下空間建(構)筑物的分層輪廓線轉換為三維實體，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維檢視和編輯功能。圖4為三維效果示意圖。

圖4 三維效果示意圖

3.4 工程項目化管理的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的基礎地理信息采編軟件將地理要素整體繪制，但是在編輯的時候，沒有提供一個整體編輯的接口，如需修改要素中的某部分信息，只能在圖形中直接修改，容易造成前后臺信息不一致，破壞整體結構。系統(tǒng)充分吸納實際編繪工作經(jīng)驗，將地下空間建(構)筑物當作一個工程項目整體，從創(chuàng)建工程項目實例開始，到編繪工程項目要素內(nèi)容，到修改工程項目要素信息，再到工程項目成果數(shù)據(jù)管理，始終將其當作一個整體。作為天津市基礎地理信息采編系統(tǒng)的拓展部分，基礎地理要素信息工程項目化的編繪方式一方面使得地下空間建(構)筑物能夠輕易從復雜的底圖信息中區(qū)別開來，另一方面也進一步保障了地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)編繪的效率和質量。

4 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)功能分為四大模塊：項目準備、圖面整理、地下空間和成果管理，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)界面

其中項目準備模塊設置地下空間編繪環(huán)境加載、展繪外業(yè)坐標點等功能；圖面整理模塊設置圖元標準化、三維檢視和關聯(lián)相關等功能；地下空間模塊設置地下空間建構筑物一鍵繪制以及分層輪廓線、高程點注記、性質注記、項目名稱注記、出入口注記以及提取最大外圍輪廓線等獨立功能，這是編繪系統(tǒng)的核心部分；成果管理模塊設置數(shù)據(jù)成果檢查和數(shù)據(jù)成果輸出等功能。

5 實際應用

天津某開發(fā)區(qū)新型智慧城市基礎設施建設數(shù)字化底座建設項目，針對地下空間部分要求開展地下空間工作底圖制作、空間信息采集和屬性信息調(diào)查等工作并按要求輸出二維數(shù)據(jù)成果和三維示意圖。利用本文系統(tǒng)，編繪制作了某地鐵站的地下三層建構筑物成果圖，輸出了滿足甲方要求的數(shù)據(jù)成果(如圖6所示)，取得了一定的經(jīng)濟效益，為天津市在地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)編繪和成果輸出方面探索出了成功經(jīng)驗[10]。

圖6 地鐵站項目應用成果圖、三維檢視圖和效果圖

6 結 論

通過研究分析天津市地下空間建(構)筑物的數(shù)量和形態(tài)特征，歸納形成天津市地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)字典并據(jù)此開發(fā)設計的地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)編繪系統(tǒng)，彌補了天津市原有采編軟件在地下空間要素編繪方面的不足，滿足了天津市地下空間和地下管網(wǎng)普查項目的實際需要，實現(xiàn)了天津市地下空間建(構)筑物數(shù)據(jù)和編繪的規(guī)范和統(tǒng)一。利用該系統(tǒng)，可以系統(tǒng)、規(guī)范、便捷的編輯和利用地下空間建(構)筑物的數(shù)據(jù)，具有一定的實際生產(chǎn)利用價值。