基于市管网可视化系统的GIS专题地图服务

基于市管网可视化系统的GIS专题地图服务

摘 要

城管网的管道是纵横交错，并有3D（三维）分布的。涉及到大量的属性信息和空间数据。为了用一个更加直观的方式来表现它，UPNVS（市管网可视化系统）被设计。专题地图服务是它的一部分。本文中，我们提出了专题地图服务，上传和编辑数据服务，信息重视服务和三维查看服务。而3D显示服务集中于显示简单地图和唯一值服务。它实现了从2D专题地图到3D的转变而且用不同的颜色来反映管道的不同的属性值。此项应用加强了专题地图服务的真实性和可视性。最后，我们把它插入到UPNVS中，能容易的显示模式和趋势且为决策提供信息。同时，结果也可应用于其它的可视化系统和3D专题地图中。

关键字：专题地图；管道网；ArcGIS Engine；三维的可视化服务

一.引言

市管网由供水，排水，煤气，暖气，电信和工业管道组成。它们是城市基础设施的重要部分，且被视为城市的生命线。然而各种地下管线纵横交错复杂结构，并在不同的深度，如果我们没有全面，准确的地下管线信息，我们将是盲目的，且会导致重大损失[1]。据了解每个管线都包括许多的信息，例如线路编号，状态，面积，和直径等。包含有潜在有用信息的数据量正在快速增长。数据里的复杂关系和分层结构使得数据的可视化任务更加的吃力[2]。 因此，可视化系统设计是为了地下管网，而其中的二维和三维的专题地图服务是重要的组成部分。

传统的制作专题地图的方法是基于地理信息系统（GIS）且只能应用于一个图层：地图。

专题地图在地图的区域上显示不同的要素分布。而我们的设计包括4个管线：供水，排水，燃气和供热。每个管道都有自己的图层。

问题是：如何建立一个既包括地图又包括这些管线的文件。以及如何使用ArcGIS Engine来制作管网专题地图服务。以致地下管道不同的要素能用管线显示出来。所以，本文提出了一种解决方案：提供一个专题地图可视化服务，它可以插入到现有的UPNVS中。以便，用户可以看到管道的信息与专题地图。它也使得用户可以比较要素，并快速的找出信息。除此之外，系统维护人员可以直观地修改管道的属性值。

本文的其余部分组织如下所示：相关工作的研究在第二节；第三节详细地介绍了基于gis的城市管网可视化系统的专题地图服务的设计；第四节介绍了我们专题地图服务的实现；及一些结果在第五节中被给出；结论在第六节。

二.相关工作

大量的工作一直致力于探索专题地图的可视化服务。它们大部分是基于ArcGIS Engine的。ArcGIS Engine的一个显着特点是，它可以让用户直观地分析数据库中的信息。因此，数据可以被一个更直观方式反映在地图上。并且使用专题地图在地图上显示数据也能显示出不易被发现的模式和趋势。它们为决策提供依据[3]。

专题地图的设计是基于地图上的仅仅一个特定的主题。所谓渲染是使用一些图案或色彩来填补地图以显示该对象（点，线，区）和一些信息（例如人口，大小，年降雨量，日期等）。在渲染之前，其中的一个属性作为特殊变量被选择。专题地图集中于以特殊变量为代表的信息然后指定地图的颜色，图案和符号，以营造出不同的专题地图。因此，它使用户能够快速直观地理解这些信息的内容[4-7]。

但是这种方法缺乏一般性。考虑到我们系统的需求（作出水管渲染结果和提供简单的3D浏览），我们提出了一个基于ArcGIS Engine的方法，能够处理多个图层。它采用Java的三维建模以显示专题地图，如简单的三维地图和唯一值地图。

地理信息系统专题地图的应用是十分普遍的。但是它的局限性在于它仅仅只能在一个地图上制造渲染结果。更重要的是基于ArcGIS Engine的专题地图具有应用上的局限性；它不能完全地应用于管网。必须要做一些改善。至于UPNVS系统，它涉及4个管线。我们当然能用专题地图来显示地图上的管线的分布。但是如何使专题地图覆盖通过这些管道是个问题。这是根据管道的不同的属性值来显示不同的颜色，不仅仅是在地图上。因此，这篇文章的目的不是要提出新的技术而是提出一些策略。我们将讨论直接集成可视化技术的一般战略来作出其他专题地图的应用。这是专题地图利用上迈出的重要一步。

三.专题地图服务设计

在这一节中，我们将详细讨论以GIS为基础的UPNVS系统的专题地图服务。

A. 专题地图服务的概念

专题地图服务的功能是获得管线的基础数据，动态监测的属性数据，空间数据然后用图形化的方式来显示它们。为了更加直观的认识网络的结构和运作的综合管理，用户可以在同一界面选择各种各样的管线来显示和直观地理解集成网络的拓扑和状态信息，就像一条管线的属性数据一样。

B. 专题地图的分类

传统的专题地图包括两种：定性专题地图和定量专题地图。在这里我们选择简单地图和唯一值题图作为定性专题地图来展现不同的属性值，而选择点密度图，等级符号图和条形图作为定量专题地图来分析每个管线的分布。它主要强调了管线的数量。最有创新的设计是这个系统提供了一个三维简单地图和唯一值地图浏览的服务。

（1）简单地图：特殊变量图层将用相同的符号来显示。随着渲染，我们可以清楚地从其它的管道中选出一个特别的管道。这是非常有用的如果这里有许多的管道且管道网络相当地复杂。

（2）唯一值地图：特殊变量图层有不同的值，且它们用不同的符号显示。一般来说它用不同颜色的符号来填充以反映差异。

（3）点密度地图：计算地图上每个区域的管线数量，然后根据管线的数量用点来呈现地图.就是说越多的点就意味着越多的管线分布在那个区域。

（4）比例符号地图：计算中国地图上每个区域上的管线的数量，然后根据比例用成符号来呈现地图，就是说越大的符号意味着这个区域分布着越多的管线。

（5）条形图：计算中国地图上每个区域上的管线的数量，然后根据比例用条形图来呈现地图，就是说越高的条形图意味着这个区域分布着越多的管线。

C. 功能结构图

专题地图服务的目的就在于显示数据。所以第一步是建立一个服务来上传数据。由于状态信息的变化系统也提供一个服务来编辑数据。在这里，管理员可以任意地选择一个管

道，在编辑窗口改变各种属性数据和空间数据的主要成分。下一步是渲染服务。在得到渲染结果后，用户可以选择三维浏览服务和信息显示服务。这些服务详细说明如下：

图1. 功能结构

图1显示了专题地图服务的功能结构。它包括三层。数据服务时不可缺少的，它是专题地图服务的先决条件。制作服务包含两个主要的模块：渲染和预览。首先，用户选择一个图层然后根据个人喜好设置渲染符号。符号涉及到表面类型，颜色和线条的类型，颜色和厚度。在这一过程中，用户可以预览预置的符号。然后，在渲染之后，我们可以得到正是我们想要的专题地图。下一步就是为用户提供三维简单地图和唯一值地图的浏览。随着鼠标的移动用户会得到相关的属性。

D. 关键技术

ArcGIS Engine被用来创建自定义桌面地理信息系统应用开发产品.ArcObjects是它

的一种并且有许多类库。在本文中，为了实现专题地图，我们使用了Display和Carto相关类库。

专题地图设计的事项主要应用了Carto类库中的FeatureRenderer类。它可以根据一个或多个属性设置和使用符号和颜色来生动地显示这些元素。在这个设计中，专题地图制作模块将提供5中类型。就是，简单渲染，唯一值渲染，比例符号渲染，点密度渲染和条形图渲染被使用。

Display类库中的对象被用来显示GIS数据.在这个设计中，颜色，颜色坡道，和这些类库的符号被使用。

Java 3D用于为管单位建模。所以用户可以查看三维专题地图。它用一组对象来组织场景图，而不是像OpenGL和Direct3D中那样用一组点，线和面。因此使用Java3D的项目开发是快速的，易读的，可维护和可重用的。

四.专题地图的实现

在这一节中，我们将会解释专题地图服务时如何实现的。正如在上一节中讨论的那样，制作专题地图服务包括上传和编辑数据服务组成，制作服务，3D浏览服务，重视信息服务.在这里我们选择两个最具有代表性的：唯一值地图和点密度地图为例。

A. 上传和编辑数据服务

地下管网可视化系统包含四种管道图层。每个管道图层包含大量的管线。且每一个管线包含许多的属性，例如序号，线路编号，状态，区域，直径等等。这个系统需要从其它

系统中获得数据，一旦数据发生改变，我们要及时的更新它们。这里我们设计了一个接口来下载数据和编辑数据。并且专题地图是根据属性数据存储在管线的图层和地图中的。在理想情况下，数据能够确切地显示出如何设置某一管道，它的直径是多少和它的形态是怎样。实际上，无论怎样，在测量和记录过程中都会有错误出现。由于不准确数据的存在现实也将会有错误。为了避免这种情况，系统提供了根据动态数据来编辑数据的功能。

B. 专题地图的制作服务

在下面的文本中，我们列出了制作服务的三个步骤，他们选择一个图层和一个属性，设置符号，预览和渲染服务。此外，当制作比较统计图时，一个额外的步骤（计算管线的数量）是必要的。

（1）预览服务：当用户符号的任何参数是，预览应该进行相应的改变。为了实现这一功能，在每个参数设置的符号选择其中，动态监听器被加入了进来。在渲染唯一值地图时，它产生一组颜色.ArcGIS Engine提供了渐变填充符号，它可以采用渐进的方式来填补的平面的颜色。为了显示这一点，唯一值地图用它来预览色带的产生。

（2）渲染服务：在这里，我们选择UniqueValueRender类来实现这个目标。在渲染的过程中，每个区域都有一个相应的符号SimpleFillSymbol来呈现自己。这些符号以相同的方式被填充。无论怎样，颜色随着每个区域变量的不同值而变化。所以，它需要一个方法来产生一整套的SimpleFillSymbol符号。每个符号从颜色列举坡道中选择出来。当生成一个符号时，UniqueValueRender类调用创值法来添加符号和他们相应地区的变量值，直到所有的区域都已经产生。图2显示了唯一值地图的界面而图3显示了点密度地图的界面。

图2. 唯一值地图的界面

图3. 点密度地图的界面

C.信息注意服务

这种显示是不足的，为了掌握属性变化趋势，一个显示信息的服务被设计。一旦我们选择了一个图层，它将会显示出我们在左下角选择的哪一个图层和哪个属性。这就是所谓的数据和图形的结合。它在唯一值地图的生产中表现的更加明显.提示标签不仅仅能显示我们所做的操作，也能显示属性值当我们把鼠标放在管线上时。就是说随着鼠标的移动，提示标签将会动态地显示管线的不同属性值.用这个服务，我们可以直观地查看属性值的分布。

D.三维简单地图和唯一值地图浏览服务

我们已经实现了二维的专题地图，但是这是不够的，我们也要设计三维浏览服务。在制作简单地图和唯一值地图之后，管线已经根据它们不同的属性值用不同的颜色进行了渲染。用户可以选择一个“3D建模”选项然后指定某一区域为区域中的管线创建三维模型。在这里我们用Java 3D来为管单位建模。在初始化后，三维管单位将被添加到场景图中。与此同时，管单位也将用二维选择的颜色来渲染自己。这使得地下管网可视化系统更直观和更可行。

五.应用方案

我们已经实现了专题地图服务，编辑数据服务，信息注意服务并用二维显示将它们应用到现有的管网可视化系统中。与此同时我们用三维显示方式实现了3D简单地图浏览功能。

在部署服务之前，我们应该从其它系统中上传属性信息和空间数据，然后从每一个管图层的原始数据库种抽取需要的信息。用菜单中的“查看属性”选项，用户可以查看所有管图层的属性，甚至根据更新界面更改数据。

部署之后，专题地图可视化服务将会被插入到系统中.用户可以根据他们的兴趣来制作专题地图。图4显示了唯一值地图，图5显示点密度地图.这里用户可以用信息注意服务通过在管线上移动鼠标来显示属性值。

在渲染简单地图或唯一值地图之后，用户可以指定某一区域来浏览三维简单地图和唯一值地图。三维管线形象地展示了属性的不同。图6显示了简单地图和唯一值地图的三维浏览。在这张图片中，有4个管道：里面的3个是简单地图。它们呈现黄色，绿色和红色。外面的一个是唯一值地图，它的管线被用不同的颜色渲染。用户可以用鼠标或键盘在场景中漫游，包括移动，旋转，漫游和缩放。

图4. 唯一值地图

图5. 点密度地图

图6. 简单地图和唯一值地图的三维浏览

六.总结

在本文中，我们已经完成了专题地图服务的制作并把它应用到UPNVS中。应用方案显示了专题地图服务多个图层且在管线上显示信息。它也通过三维显示提供了浏览简单地图和唯一值地图的功能。更重要的是，这个服务是独立于系统的。因此，它可以很好地被扩展和应用在其它的管道网络中。

带有专题地图服务的市管网可视化系统只解决了简单和唯一值地图的3D浏览功能.我们的下一步工作将包括三维的比较统计地图。

致谢

这项工作由中国100190 2006BAJ16B04 - 02国家重点科技研发项目支持完成。

参考文献

[1] Liutong Xu, Min Shi and Suping Lin, “3D Visualization Service forGIS Based Pipe Network System”, Journal of Harbin Institute ofTechnology, Sup.1, 2008.

[2] Xianmei Wan, “Visualizing Abstract Data on Maps, Study andrealization of the 3D pipe network GIS”, master's degree paper inShan Dong Technology University, 2004.

[3] Hongzhan Wang, Yanyan Ma, Zhentao Zhang and Zhen Wang,“Research on the Method for Making Thematic Map Based onArcGIS”, Urban Geotechnical Investigation & Surveying, 2008.4.

[4] Wenbin Yang, Baoqing Hu, “The development and realization basedArcGIS Engine Thematic Maps”, Journal of Guangxi College ofEducation, 2008.4.

[5] Xiaobo Nie, Beiping Wu and Baoguo He, “Design and Realization ofthe Thematic Maps Module Based on ArcGIS Engine”, GeospatialInformation, 2006.1.

[6] Yanfang Fan, Nihong Wang and Hongze Wang, “Research of spaceData

Acquisition Method based on GIS of Thematic Maps”, Journalof Forest Investigation Design, 2004.04.

[7] Qinggu Yu, “Three-dimensional Mapping of Birds in NuozhaduNature Reservation Zone of Yunnan”, Journal of Anhui AgriculturalSciences, 2007(27).