厦门公路管理局3D隧道信息系统总体方案.docx
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厦门公路管理局3D隧道信息系统总体方案
厦门公路管理局3D隧道信息系统
总体方案
高德软件有限公司
2013年8月1日
目录
1概述3
1.1项目背景3
1.1.1城市智能公路系统建设背景3
1.1.2城市智能公路业务应用中三维GIS的作用3
1.2项目理解4
1.2.1科学的工程组织体系是完成项目的基本前提4
1.2.2三维基础GIS平台应满足多类用户的需求是项目软件建设的核心4
1.2.3先进的系统架构是项目成功的关键4
1.2.4专业经验丰富的开发建设队伍是完成的基本保障5
1.2.5平台的持续、高效运行是新一代智能交通发展战略的长期利益所在5
1.3项目总体建设目标5
1.3.1建设空间数据模型，健全信息资源体系6
1.3.2围绕技术领先优势，搭建平台体系支撑6
1.3.3统筹业务管理需求，深化三维业务应用6
1.3.4结合现有二维系统，实现一体化服务框架7
1.4有利于本项目实施的其他相关资料、建议及其他有附加值的承诺7
1.4.1交管局三维地理信息专题预研系统建设说明7
1.4.2其他附件开发功能建设承诺9
2编制依据与遵从标准10
3技术设计方案12
3.1需求分析12
3.1.1现状分析12
3.1.2总体技术要求12
3.1.3数据需求分析12
3.1.4业务需求分析15
3.1.5性能需求20
3.1.6相关接口要求21
3.2总体设计方案21
3.2.1总体架构21
3.2.2技术路线21
3.2.3关键技术概述24
3.2.4系统设计原则27
3.3三维基础GIS平台27
3.3.1AnGeo平台概述28
3.3.2AnGeo平台整体架构28
3.3.3AnGeo产品特点29
3.3.4平台功能特点31
3.3.5三维基础GIS软件平台技术特点32
3.4三维GIS应用系统方案64
3.4.1三维地图建设及交互操作64
3.4.2结合三维地图发布矢量数据及空间查询66
3.4.3三维场景联动69
3.4.4摄像头管理71
3.4.5三维公路科技设施集成应用76
3.4.6三维公路科技设施设备布设功能81
3.4.7方案制作89
3.4.8管制措施分布展示92
3.4.9道路规划、占路施工应用93
3.4.10交通事故数据分布展示94
3.5三维平台匹配数据建设方案96
3.5.1三维数据建设参考依据96
3.5.2建设内容与坐标体系97
3.5.3数据建设所使用的关键技术98
3.5.4总体技术路线99
3.5.5数据生产流程及工艺99
4方案优势103
4.1高性能浏览的三维GIS平台103
4.2综合的数据管理和应用集成能力103
4.3全方位、多视野、多效果的展示能力103
概述
项目背景
城市智能公路系统建设背景
厦门作为国际化城市，正处于公路需求发展最快，形势最复杂、最严峻的时期。
目前，全市专养公路里程为578.3公里，专养隧道12座单洞总长38.98公里，路灯13.09万盏，绿化面积900多万平方米，大量机车上路，造成公路养护任务不断加剧，以及大型活动、大面积占路施工、突发事件、极端恶劣天气等多种因素影响，市区路网始终超负荷运行，公路管理每天都经受着严峻的挑战和考验。
“十一五”以来，科技系统越来越多地被应用到公路管理中来。
市公路管理局已经建立起一套完整的智能交通管理体系，在公路资产管理、指挥调度、公路信号控制、公路综合监测、综合业务应用和公路信息服务等方面取得了重大突破。
基于智能公路管理系统的应用，有效提高了管理效率，实现了公路科技管理创新，最大限度地发挥了道路通行能力，为道路交通高效、安全、有序、平稳运行提供了强大的支撑和保障。
同时，根据厦门城市公路发展的需要，还将全面实施新一代智能公路发展，进一步提高道路通行效率，与世界城市建设协调同步发展，继续保持“国内一流、世界领先”的水平。
城市智能公路业务应用中三维GIS的作用
城市公路管理是一项复杂而庞大的工程，业务工作中会产生的各类信息都与地理空间信息相关，都需要有地理信息应用服务的有力支撑。
近年来地理信息系统已融入智能公路管理系统的主体，并成为各类数据综合可视化的基础平台。
与专业数据结合的各类电子地图更是各类业务应用不可缺少的工具。
同时，公路管理业务数据资源只有在与GIS整合后，才能产生质变，真正为指挥管理起到决策支持的作用。
同时,由于二维GIS本身只能显示平面信息，无法显示和测量不同图层地物要素之间的立体关系；对于大多数GIS用户尤其是普通工作人员来说，GIS还显得专业性太强；此外随着道路管理基础数据和业务数据在格式及内容上的多样性包括分辨率越来越高的卫星影象，航空影像为研究开发更加符合人眼在地面观察习惯满足普通大众用户对于不同信息的更高层次需求提供了可能。
经过前期调研，厦门市虽然有一些三维GIS数据建设，但主要都是侧重建筑物建模及动画演示。
国内其它城市的三维GIS应用也多集中在动画演示和建筑物模型两个方面，没有较为成熟的公路管理业务应用。
此外，三维GIS数据建设方面需要认真调研、细致勘察比较，并充分考虑与现有二维地理信息系统的结合，形成厦门公路管理二三维一体化的地理信息系统。
项目理解
三维GIS平台作为一个基础空间信息支撑平台，其中涉及的技术、资源是非常庞杂、繁复的，其中：
技术涉及三维虚拟现实技术、地理信息技术、网络安全技术、计算机技术、网络通信技术等等；而业务对象未来则可能涉及公路管理业务开展的各个环节，诸如：
公路资产管理、公路指挥调度、公路综合监测、综合业务应用以及公路信息服务等等；同时项目实施过程中，需对多个业务系统提供系统访问接口。
科学的工程组织体系是完成项目的基本前提
本项目作为未来厦门市公路管理局智能系统重要的基础支撑管理平台，市公路管理局对平台提出了完整的建设原则，为了确保项目的建设原则得到落实，需要一个科学的工程组织体系才能在项目各个阶段合理地进行工程实施，从项目启动开始，就必须在各个环节实施严密的质量控制体系，确保整体项目建设的顺利完成。
三维基础GIS平台应满足多类用户的需求是项目软件建设的核心
项目建设内容包括三维基础GIS软件平台、三维GIS应用系统、三维平台建设数据模型、地理信息基础数据服务与应用管理等，其中三维GIS平台软件系统是整个系统建设的聚焦点，其设计的核心应具备满足多类用户不同三维应用需求的思路来进行设计。
三维基础GIS平台对相关业务系统提供基础三维GIS访问支撑服务，平台应实现包括公路模型、地形、地景、交通设施、科技设备在内的海量数据的无缝浏览，提供基于网络浏览器端的三维场景流程漫游，支持超大规模场景加载和显示，并在此基础上包含完整的地理信息搜索与三维空间分析功能。
先进的系统架构是项目成功的关键
优良的体系结构设计对于系统是否能够适应将来新业务的发展至关重要。
在满足市公路管理局三维GIS服务平台现有需求基础上，还应考虑到系统应当有充分的可扩展，以满足公路管理未来的业务发展的需要。
因此，我们的方案设计中，体系架构设计可满足应用逐步丰富、系统不断扩展的要求，是一套易于管理、可持续发展的框架结构，充分适应用户未来业务和数据变化的需要。
设计方案采用了市场领先并成熟的技术，使项目具备国内同业领先的地位，支持B/S等分布式部署，符合项目业务运营模式需求。
本项目技术方案建议的产品，从网络协议到应用系统，均积极遵循通用的国际、国家、行业标准。
专业经验丰富的开发建设队伍是完成的基本保障
厦门市公路管理局三维GIS服务平台的开发建设，时间紧，任务重，需要在较短时间内快速搭建应用软件系统、网络系统、硬件支撑环境，完成整个系统建设，并建立相应的组织机构和人员队伍，完善规章制度，进行培训，保障系统的上线运行。
系统上线运行后，对系统进行管理和分析，并针对用户需求，提供长期的运维保障和项目售前工作。
项目涉及技术和资源较多，建设队伍如果没有专业的开发建设经验，将很难在要求的时间阶段范围内保质保量地完成项目建设。
经过多年的积累，公司在二三维GIS引擎深入扩展、复杂业务数据可视化与智能分析、公路业务三维管理应用等技术方向上具备丰富经验的核心工程师，将为本项目开发建设的成功提供有力的技术支撑和保障。
平台的持续、高效运行是新一代智能交通发展战略的长期利益所在
建设三维GIS平台系统是为了满足新一代智能公路发展不断扩张的业务范围与深度对位置信息资源管理的迫切需要，充分体现厦门市公路管理局科技水平保持“国内一流、世界领先”的魅力，也是响应公路管理各项业务需求发展的具体措施。
本系统的成功运行不仅取决于平台建设的基础架构和技术，而且也取决于系统建成后对系统运营的持续管理，并针对相关业务需求的转换对系统相关功能进行定制化的分析，进而对相关功能的调整和增强，从而满足服务各类业务用户需求多样化的要求。
项目总体建设目标
项目的总体目标是：
建立以基础二、三维地理信息空间数据为核心，以公路管理空间专题数据、属性数据、动态数据的集成为基础，以搭建二三维一体可视化应用服务为目的，建设三维基础GIS应用平台支撑体系，提供三维场景发布、资产管理、地理查询、空间分析、地理信息服务、空间信息自动共享等项目核心应用。
通过对其它业务系统提供三维基础服务支撑、空间信息共享、业务数据实时关联，实现支撑公路管理各项业务应用的快捷调用、实时共享与及时发布。
同时结合现有二维地理信息系统，为厦门市公路管理局建立内容统一、反应快速、功能齐备、先进可靠、实用高效的二三维一体化GIS服务平台。
项目建设基于厦门市顶层设计中心思想的指导下，深入贯彻落实科学发展观，准确把握推动厦门公路管理业务发展的新形势和新要求，努力探索厦门公路管理发展的特点和规律，为厦门市的智慧公路做出应有的贡献。
具体目标如下：
建设空间数据模型，健全信息资源体系
遵循厦门市公路管理局的项目建设统一要求，建设形成多源、多尺度、多时态、多分辨率、多专题、二三维结合的海量基础地图模型数据，大幅提高地图数据资源多层次服务能力，满足公路管理信息化各业务系统对电子地图数据的应用需求。
围绕技术领先优势，搭建平台体系支撑
本项目以行业领先的高性能三维GIS软件为基础平台，构建公路管理方面的三维地理信息基础数据与应用服务能力，系统第一目标就是对海量公路数据的集成管理；第二目标就在此数据及平台基础上的公路管理业务开发应用。
核心建设思路是将海量数据优化集成，充分挖掘数据中所含信息，全力为业务应用服务，系统核心目标是围绕公路管理核心业务为厦门市公路局日常工作提供信息服务，为公路管理的业务应用拓展和为厦门市公路局业务工作提供应用帮助和技术支撑。
统筹业务管理需求，深化三维业务应用
本项目将综合应用虚拟现实技术、三维可视化、空间分析技术、GIS技术、数据库技术、网络技术等先进的信息技术手段，遵循实用方便、先进灵活、安全可靠以及高可扩展的原则，实现对交通管理三维地理信息基础数据与应用服务平台项目数据的集中统一管理与服务，直观的展示交通管理地理环境现状，并借助空间分析、GIS手段等，与公路管理业务相结合，达到及时准确地为厦门市公路业务规划、建设和管理提供全面、高质量服务的目的。
在数据方面，系统基于WEB服务的模式实现空间信息资源共享。
在软件功能开发上，采用服务与接口的模式进行系统架构，并在程序开发中严格按照面向对象的软件工程思想，保证系统模块的高内聚低耦合，使系统具有更好的重用性，维护性和扩展性，可以更高效的完成系统的维护开发，持续的支持业务的发展，而不会在数年后成为业务发展的障碍。
结合现有二维系统，实现一体化服务框架
项目建设结合现有二维地理信息系统应用功能，采用二三维一体化结合的模式，可以充分发挥二三维各自的优势，实现优势互补，可将二维的简洁和三维的直观完美融合起来，实现宏观与微观相结合的应用效果。
本项目所用平台具有方便的二次开发接口（API接口），方便与其他业务系统的集成或者对以后业务的扩展。
遵循公路局现有业务系统现状，结合现有业务系统的优势，让本项目与其他业务系统建立逻辑关系，成为厦门市公路局大信息系统中的一部分，并具有系统再扩展的能力。
有利于本项目实施的其他相关资料、建议及其他有附加值的承诺
交管局三维地理信息专题预研系统建设说明
项目概述
2013年7月-2013年8月期间，厦门市公路局尝试打造一个智能公路管理方面的三维地理信息专题预研系统。
该专题预研系统按照厦门市公路局的要求实现了公路基础设施的管理功能和视频监控、模拟观察管理等方面的功能。
系统作为实例建设了厦门市公路局三条隧道的模型数据，除隧道模型外，重点是交管设备设施的模型采集。
模型数据建设
该系统建设了厦门市公路局十二条隧道范围内的精细模型数据，数据范围如下图所示：
图1系统建设阶段数据范围
系统截图
图2功能截图
功能主要介绍
系统借助部分示例数据，初步开发完成了以下系统上的功能：
Ø公路设施设备的分类管理
Ø设施设备的规划布设
Ø空间测量与分析
图3系统中对公安井盖的查询定位效果图（图中高亮显示被选井盖）
其他附件开发功能建设承诺
除文档所要求功能外，为使系统功能更出色，更加贴近公路管理的实际应用，增加以下两个功能的开发，具体如下：
我局公路管理三维专题展示
Ø管界辖区综合信息三维专题展示；
Ø隧道信息三维专题展示；
Ø科技设备三维状态专题展示
运行统计报表
运行统计报表的功能是按照区域和时间周期对科技设备的运行状态进行统计。
系统该功能是按照厦门的某个隧道内，结合统计周期的时间（年、月、日），对于设备的运行状况进行统计，例如统计钟鼓山隧道2013年第一季度科技设备运行状态统计表。
这个统计需要接入相关的数据库信息，从数据库中获取相应的统计数据方能统计成台账表。
图4科技设备统计意图
设施综合统计
结合数据库中的设施及科技设备信息，可对设施设备的情况进行设备设施的台账统计。
例如对所有隧道内或者某一条隧道内（如钟鼓山）的标注、标线、隔离设施等的数目进行统计成表，统计结果类似如下所示。
图5标注标线的统计示意图
编制依据与遵从标准
本文件依据下列资料、标准、规范等进行设计：
ØISO9001质量认证体系标准
Ø《国务院办公厅关于建立政府强制采购节能产品制度的通知》（国办发[2007]51号）
Ø《财政部环保总局关于调整环境标志产品政府采购清单的通知》（财库[2007]20号
Ø公安部、国家保密局、国家密码管理局、国务院信息工作办公室《信息安全等级保护管理办法（公通字[2007]43号）》
ØGB/T20271-2006《信息安全技术信息系统通用安全技术要求》
ØGB/T20270-2006《信息安全技术网络基础安全技术要求》
ØGB/T20272-2006《信息安全技术操作系统安全技术要求》
ØGB/T20273-2006《信息安全技术数据库管理系统安全技术要求》
ØGA/T671-2006《信息安全技术服务器技术要求》《信息安全技术终端计算机系统安全等级技术要求》
Ø《城市三维建模技术规范》CJJ/T1129-2010国标
Ø《基础地理信息三维模型生产规范》
Ø《基础地理信息三维模型产品示范》
Ø《数字城市3D模型数据生产规范》
Ø《数字城市3D模型物体外立面纹理采集规范》
Ø《模型贴图命名规范》
Ø《地物分类编码标准》
Ø《基础地理信息三维模型数据库规范》
Ø微软网站资料
Ø对象管理组织（OMG）《统一建模语言2.0标准》
ØMartinFowler《UMLdistilled》3rdEdition
ØScottW.Ambler《TheElementsofUML2.0Style》
以及其他相关标准、规范及资料等。
技术设计方案
需求分析
现状分析
二维GIS本身只能显示平面信息，无法显示和测量不同图层地物要素之间的立体关系；对于大多数GIS用户尤其是普通工作人员来说，GIS还显得专业性太强；此外随着道路管理基础数据和业务数据在格式及内容上的多样性包括分辨率越来越高的卫星影象，航空影像为研究开发更加符合人眼在地面观察习惯满足普通大众用户对于不同信息的更高层次需求提供了可能。
与二维GIS相比，三维GIS有其独特的优势。
三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实，使用户不要到达现场即可了解到现场信息。
同时三维能提供更多信息，表现更多的空间关系，能够立体化、多方位、多层次的展现空间信息。
随着计算机技术的发展和二维GIS行业应用的深入，人们使用三维GIS来展现真实世界的渴望越来越强烈。
市公路管理局的业务应用，除了从二维地图上宏观的把握公路状态以外，更多的需要对于现实更加直观、形象、逼真的空间三维地理信息。
了解城市之间的更加复杂的地理空间信息，及基于更加真实复杂的真实地理信息上的公路业务应用，比如：
公路设施设备管理、摄像头的管理等。
因此三维公路GIS系统的开发可使GIS平台在公路的业务管理上发挥更大的作用，进一步的提高厦门市公路管理方面的工作成效。
总体技术要求
公路管理三维地理信息基础数据与应用服务平台要求其结构设计要合理，符合实际业务需要，用户操作简便。
采用主流技术并符合未来技术发展趋势的系统架构和公共组件，具备强大的可扩展性。
系统设计时，充分考虑现有业务系统的现状和新增业务的加入和业务的变化，为与其他系统整合预留接口。
数据需求分析
所有GIS系统的运行都需要空间数据的支持，空间数据包括影像数据、地形数据、矢量数据，三维GIS还需要的是三维模型数据。
影像、地形及三维模型数据用于构建三维地图数据及虚拟营区，矢量数据用于构建二维地图数据及三维地图系统上相关二维数据的叠加，业务数据是业务功能开发的基础支撑。
数据分类详述如下：
GIS数据
影像地形数据（DOM、DEM）
公路三维地理信息平台建设三维地图构建需要影像数据、地形数据（不关心地形高度起伏可不需要）及三维模型数据。
影像地形数据是构建三维基础地形的基础。
高精细的模型设施管理及市内地图构建一般需要清晰度比较高的航片影像，作为三维GIS场景的地图背景，航片影像是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。
航空影像数据直观、空间分辨率高、信息量丰富、可读性强，是构建厦门市内十二条隧道范围内三维地图的较好基础地理数据。
对应影像而言，分辨率越高，清晰度越高。
图7较高分辨率航片效果图
模型
模型数据是构建三维地图场景的最重要的数据，也是本次系统建设的关键。
本次系统建设通过采用三维GIS的技术，需要建立厦门十二条隧道及内部设施三维地图数据，提供逼真的三维隧道场景；并基于三维地图数据实现三维交互浏览功能。
本次模型建设与平常数字模型建设不同，对公路管理相关设施设备的建设要求非常高，需要非常精细的模型建模数据，并对不同的模型进行分类编号。
二维矢量数据
本项目需要二三维对比显示，二维矢量数据用于显示道路、位置等地图信息，显示整个厦门市的隧道状况。
同时系统搜索服务的功能（POI）都需要丰富的二维矢量数据进行系统支撑。
图8二维数据效果示意图
业务数据
设备设施属性数据
交管设备设施及科技设备的管理，除模型数据外，需要相关的模型属性信息，其数据包括设施设备的个体文字属性信息（名称、种类、部门…）、设施图片、视频等多媒体信息（若需显示）。
这些数据还需和系统中的模型对象建立一一联对应关系（唯一ID关联），并整理成表入库，才能满足系统管理及查询的需要。
这块数据的加工整理工作量较大，需要较多的人力和时间投入。
公路业务展示数据
业务展示相关数据，用于实现公路业务三维展示的功能，包括三维路况发布、道路规划、占路施工展示等功能，这里的每一个功能，都需要其特殊的业务数据。
例如道路事故展示，就需要道路事故数据的系统传入方能实现。
此类数据从厦门公路局现有业务系统中通过接口获取或数据库来获取。
业务需求分析
三维仿真环境真实再现
本项目作为三维地理信息系统，首要要求既是对三维仿真环境真实再现的能力和性能。
本项目能够实现海量三维数据的浏览和管理，在全球、城市、隧道、室内进行连续、实时和平滑浏览。
提供3DMax导出插件，可以导出具有想象力、与效果图相媲美的三维模型。
支持光照贴图技术，可以导入具有逼真的光影效果的模型，增强真实感。
能够精确表现地形、地景、建筑物以及其他设备设施。
支持Billbord技术、半透明纹理。
支持制作精细场景，重点区域、重点隧道设备、规划方案等可单独控制。
系统支持各种贴地标注，显示文字标注信息。
本项目系统可以很方便的进行场景浏览，支持鼠标、键盘的双重交互，支持自由漫游和手动漫游方式，在浏览过程中很方便的进行放大、缩小、漫游、方向指北等功能，同时支持根据经纬度进行定位的功能；系统支持以当前鼠标点位置为中心进行场景旋转。
俯仰不受角度限制，可以任意角度仰视或场景倒转。
系统用户可以自定义浏览操作和使用快捷键，增强三维浏览互动性。
支持模拟真人在场景中走、跑、跳，可实现基于真实地理环境的三维虚拟社区。
支持模拟汽车、飞机、轮船等运动物体以多种方式进行场景浏览，支持用户操作汽车、飞机、轮船等运动物体做真实的运动。
如下图所示，为第三人称进行的驾车浏览的模拟效果截图。
图9汽车导航模拟及三维效果图
海量数据集成管理
本项目要求初步建立厦门市十二条隧道及内部设施三维数据，并实现交互地图操作，同时需要支持系统运行的厦门市内范围高清影像图数据、二维地形图数据及大批量的业务数据，这些数据加起来是极其庞大的数据，可以用海量来形容。
这也就要求本项目具有强大的海量数据的集成管理能力。
本项目所构建三维地理信息平台，是一款同时支持二维与三维的海量地理信息数据的共享、发布、浏览、编辑、分析、检索等完整服务的软件产品。
通过整合地理信息数据、属性信息数据、以及道路等专项信息数据，可以为道路、交通等行业提供基础性、公益性、全方位的空间管理解决方案。
海量的影像数据显示
由于遥感技术的不断更新发展，获取的影像数据分辨率越来越高，重复采集的周期越来越短，使得城市的影像数据量以几何的倍数进行增长，因此产生海量的冗余数据，项目要求支持海量的影像数据快速显示，可以对多时像的影像数据进行同时展示。
海量的模型数据显示
由于城市级真三维模型具有数据量大的特点，传统三维渲染技术很难将如此大的三维场景渲染起来。
项目采用在传统三维模型数据可视化技术基础上进行流程和算法优化，并在以下技术具有领先性：
数据裁剪技术：
采用实时遮挡裁剪算法,该技术在图形流水线的早期就去掉不可见多边形，以避免对场景中不可见部分不必要的处理。
该技术使充分利用了空间连贯性，对隧道外景观的实时处理具有较高的效率。
数据动态装载：
采用基于数据分层、分块以及数据页动态更新的算法，实现多层次、大范围的城市场景实时描绘。
多细节层次模型的渐进绘制：
根据相匹配的图形绘制质量对场景绘制的刷新频率进行优化，进而控制场景内容的不断更新，即渐进绘制。
针对特有数据生产成果特点进行渲染优化。
海量的矢量数据显示
三维的矢量数据在地理信息系统分析中长期占据着重要地位，基础的矢量数据以及大量行业矢量数据的流畅展示是很多三维平台的最大瓶颈，平台支持海量的矢量数据快速显示，可以对多层矢量数据同时展示并分图层进行管理。
海量真三维数据存储与管理技术
城市级真三维数据具有多源、多
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