基于结构化数据的三维管网单体查询方法及系统与流程

1.本发明涉及电数字数据处理中的数据查询技术领域，尤其涉及一种基于结构化数据的三维管网单体查询方法及系统。


背景技术：

2.市管网具有以下特点：（1）规模大。单个工厂或者独栋建筑物的管网就可能超过万段，一个中小城市的管网规模可以说是海量的。（2）范围广。2019年中国城市人工煤气管网长度10915公里；城市天然气管网长度767946公里；城市液化石油气管网长度4452公里；城市排水管网长度743982公里；城市集中供热管网长度392917公里；城市供水管网长度920082公里。（3）种类多。城市管网包括供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等8大类20余种。（4）空间分布复杂。为了节约建设成本以及建设占地，不同的管网会共用同一地下通道或者空中架空通道空间，从而使得管网在空间上形成复杂的交错布局。（5）变化快。随着时间的推移，管网会出现腐蚀老化、大雨内涝、路面坍塌、管线泄漏爆炸等问题，因此，老旧管网需要不断维护与更新。
3.管网数据结构具有以下特点：（1）横截面形状规则。管网的横截面形状一般为圆形和极少数的其他形状。（2）存在空间拓扑关系。管网是由线状和点状空间实体组成，必然存在线
‑
线拓扑关系和点
‑
线拓扑关系。
4.针对管网的以上特点，城市管网系统的建设已经从传统二维平面管网系统转变为三维立体智慧管网系统。三维管网模型是智慧管网系统中最重要的内容，通过使用三维引擎渲染工具对模型进行可视化表达，达到管网数据的可视化分析与查询。在三维智慧管网系统中，管网单体对象的查询功能是整个系统中最核心的功能之一。现有三维管网系统对管网单体对象的查询算法建立在三维管网模型单体化建模的前提下。实现的方式是：根据查询业务的精细程度要求，预先在三维建模软件中（如3dmax，sketchup，autocad等）将三维管网模型进行单体化建模，然后再通过鼠标拾取模型功能来查询单体管线模型，然后从选中的单体模型中读取出与该模型关联好的属性数据，最后使用高亮的方式重新渲染该单体模型。
5.这种方法虽然能实现单体化查询，但有以下几个缺点：（1）模型碎片化，不利于管理。为了单体对象查询而不得不需要把整根管道进行人为分段，管网建模时必须为整个范围内的管网进行单体化建模，也就是管网分段建模，这样大场景中碎片模型会很多，不利于模型数据的管理与维护。（2）模型修改的流程繁琐：模型修改需要把原有模型拆分后再添加和组装新模型，同时还需要为新增或拆分的模型重新关联属性信息，最后处理模型的三维拓扑关系。（3）业务属性的关联困难。现有三维管网模型文件都不能直接在模型中关联属性，碎片化的模型会使得属性挂接工作变得庞大而且复杂。
6.针对上述三维管网模型查询方法的不足，本发明充分利用三维管网数据的结构特征（主要是管网横截面图形的规则性），提出了一种基于结构化数据的三维管网单体查询方法及系统，通过实践证明，该算法能有效地解决了上述缺点。


技术实现要素：

7.本发明目的在于公开一种基于结构化数据的三维管网单体查询方法及系统，以实现对管道单体的查询并提高查询的效率。
8.为达上述目的，本发明公开一种基于结构化数据的三维管网单体查询方法，包括：将三维管道之间的结构关系简化为三维管道中心线之间的拓扑关系；按覆盖范围将区域内的至少两段三维管道构建在同一个三维管道模型中，确定该三维管道模型中各段的三维管道中心线的第一属性和第二属性，其中，同一段管道的管道半径相等，且各段三维管道中心线的第一属性包括管道半径值、起点和终点的三维坐标，以及在该起点与该终点之间连接线的三维空间分布规律，各段三维管道中心线的第二属性包括根据相应查询请求所对应显示的查询结果信息；根据管辖的各个三维管道中心线的第一属性数据生成该三维管道模型；将生成的该三维管道模型与所覆盖的三维管道中心线的第一属性和第二属性数据一起导入三维管网gis系统中；在所述三维管网gis系统中，用户通过鼠标点击需要查询的管道段；获取鼠标所在p点的位置信息，并根据各段三维管道中心线的第一属性初步筛选出距离p点预设范围内的三维管道中心线；分别计算初步筛选出的各三维管道中心线与p点之间的最短距离，并筛选出所述最短距离小于或等于相对应管道半径的三维管道中心线以实现二次筛选，最后将二次筛选后的三维管道中心线中所述最短距离最小值所对应管道确定为用户查询的目标管道单体，然后读取该目标管道单体所对应管道中心线的第二属性数据并显示在所述三维管网gis系统中。
9.优选地，本发明方法还包括：将三维管道与阀门之间的结构关系简化为点与三维管道中心线之间的关系。
10.优选地，本发明各段三维管道中心线的第一属性还包括：x轴的最大值和最小值，y轴的最大值和最小值以及z轴的最大值和最小值；在筛选距离p点预设范围内的三维管道中心线的过程中，所述方法还包括：在所述三维管网gis系统中，确定所有三维管道中心线中最大的管道半径值m；获取鼠标所在p点的x轴坐标x1、y轴坐标y1及z轴坐标z1，将距离p点预设范围内的x轴的范围设置确定为【x1‑
m，x1 m】，y轴的范围设置为【y1‑
m，y1 m】，z轴的范围设置为【z1‑
m，z1 m】；将x轴的最大值和最小值与【x1‑
m，x1 m】存在交集、y轴的最大值和最小值与【y1‑
m，y1 m】存在交集、且z轴的最大值和最小值与【z1‑
m，z1 m】存在交集的三维管道中心线确定为距离p点预设范围内初步筛选出的三维管道中心线。
11.优选地，本发明在计算所筛选出的各三维管道中心线与p点之间的最短距离之前，先判断该鼠标点位置基于所述最大的管道半径值m所延伸的范围内是否存在断点，如果不存在，则按管道半径从大到小的顺序逐一计算初步筛选出的三维管道中心线是否为所述最短距离小于或等于相对应管道半径的三维管道中心线，当查询到任意一条三维管道中心线满足所述二次筛选所对应条件后，直接将满足所述二次筛选所对应条件的三维管道中心线确定为该目标管道单体所对应管道中心线。
12.优选地，本发明方法还包括：获取增加管道请求；设置所增加管道的三维管道中心线的第一属性和第二属性，将所增加管道的增量模型叠加原来的三维管道模型上，并在相关联三维管道中心线对应的更新位置增加相对应的断点信息。
13.优选地，本发明方法还包括：获取增加阀门请求；将所增加阀门的增量模型叠加原来的三维管道模型上，并在相关联三维管道中心线对应的更新位置增加相对应的断点信息。
14.优选地，本发明在读取该目标管道单体的第二属性数据并显示在所述三维管网gis系统中时，还包括：将所查询的该目标管道单体显示为区分于其他邻接管道的三维管道半透明示意模型。
15.为达上述目的，本发明还公开一种基于结构化数据的三维管网单体查询系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
16.本发明具有以下有益效果：相比于处理三维模型体的拓扑关系，转化为处理管网中心线的结构化数据拓扑关系与属性编辑则会变得更简单、更高效和更灵活。减少了拓扑关系的复杂度，降低了前期数据处理的工作量，更方便后期的数据质量检查。
17.能按覆盖范围将区域内的多段乃至全部三维管道构建在同一个三维管道模型中，并在三维管网gis系统中导入该三维管道模型与所覆盖的各个三维管道中心线的第一属性和第二属性数据，解决了现有方法按管道分段建模所产生模型碎片化所导致的系列问题的同时也为实现模型内的管道单体查询提供了数据基础。
18.而且，本发明把对现有碎片化模型的查询方式转换成对模型内各个三维管网中心线所对应管道单体的查询，查询算法实用且高效，确保了查询精度和效率。特别是用于查询城市级海量数据时，基于本发明的矢量数据查询算法的查询性能表现得更好。
19.下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
20.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例公开的基于结构化数据的三维管网单体查询方法流程示意图。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
22.实施例1本发明实施例公开一种基于结构化数据的三维管网单体（所谓“单体”即“在起点
和终点之间不存在阀门或与其它管道连接的装置的单段管道”，其管道内径的半径通常相等，但管道的整体走势包括但不限于直线型）查询方法，包括：步骤s1、将三维管道之间的结构关系简化为三维管道中心线之间的拓扑关系。优选地，该步骤还包括：将三维管道与阀门之间的结构关系简化为点与三维管道中心线之间的关系。
23.在将步骤中，相比于处理三维模型体的拓扑关系，转化为处理管网中心线的结构化数据拓扑关系与属性编辑则会变得更简单、更高效和更灵活。减少了拓扑关系的复杂度，降低了前期数据处理的工作量，更方便后期的数据质量检查。
24.步骤s2、按覆盖范围将区域内的至少两段三维管道构建在同一个三维管道模型中，确定该三维管道模型中各段的三维管道中心线的第一属性和第二属性，其中，同一段管道的管道半径相等，且各段三维管道中心线的第一属性包括管道半径值、起点和终点的三维坐标，以及在该起点与该终点之间连接线的三维空间分布规律（可根据手绘的三维管道中心线拟合出相应的三维曲线方程进行表示；其中，起点和终点之间的连接线可以是直线，也可以是曲线；对于一些异形的管道还可以用分段函数来表示，例如该分段函数的一段为圆弧形曲线一段为直线），各段三维管道中心线的第二属性包括根据相应查询请求所对应显示的查询结果信息。
25.例如，该第二属性可以包括相应管道的修建日期、所在道路、材质、编码、埋深和分级等信息。
26.优选地，在该步骤的具体实现过程中，可以采用三维管道中心线上等间隔分布的三维坐标所组成的数组序列来表示该连接线的三维空间分布规律，相邻的两离散的三维坐标之间视为以线段连接；从而为后续步骤计算该三维管道中心线与鼠标位置之间的最短距离提供便利。
27.步骤s3、根据管辖的各个三维管道中心线的第一属性数据生成该三维管道模型。
28.步骤s4、将生成的该三维管道模型与所覆盖的三维管道中心线的第一属性和第二属性数据一起导入三维管网gis系统中。
29.在本发明中，三维管道模型可视为在三维管网gis系统中所显示的立体效果（在大部分应用场景中，通常不会显示内部的三维管道中心线，因此，本实施例的三维管道中心线应当视为独立于三维管道模型的一部分），且同一区域所覆盖范围内的各管道可以集成整体模型的单个文件中，相比于现有的按管道分段碎片化建模及按模型碎片化导入后在三维管网gis系统中再组装的方式，极大的提升了模型的创建效率及整体化效果，也便于维护。
30.步骤s5、在所述三维管网gis系统中，用户通过鼠标点击需要查询的管道段。
31.步骤s6、获取鼠标所在p点的位置信息，并根据各段三维管道中心线的第一属性初步筛选出距离p点预设范围内的三维管道中心线。
32.优选地，本发明各段三维管道中心线的第一属性还包括：x轴的最大值和最小值，y轴的最大值和最小值以及z轴的最大值和最小值；在筛选距离p点预设范围内的三维管道中心线的过程中，该步骤进一步包括：步骤s61、在所述三维管网gis系统中，确定所有三维管道中心线中最大的管道半径值m。
33.步骤s62、获取鼠标所在p点的x轴坐标x1、y轴坐标y1及z轴坐标z1，将距离p点预设
范围内的x轴的范围设置确定为【x1‑
m，x1 m】，y轴的范围设置为【y1‑
m，y1 m】，z轴的范围设置为【z1‑
m，z1 m】。
34.步骤s63、将x轴的最大值和最小值与【x1‑
m，x1 m】存在交集、y轴的最大值和最小值与【y1‑
m，y1 m】存在交集、且z轴的最大值和最小值与【z1‑
m，z1 m】存在交集的三维管道中心线确定为距离p点预设范围内筛选出的三维管道中心线。
35.基于上述步骤s61至步骤s63，可以实现距离p点预设范围内潜在可能的三维管道中心线的快速查全和查准。由于在该过程中，能过滤掉众多不可能的三维管道中心线，也避免了通过遍历各三维管道中心线方式并计算各三维管道中心线与鼠标点之间距离所产生的巨大的计算资源的消耗。
36.步骤s7、分别计算初步筛选出的各三维管道中心线与p点之间的最短距离，并筛选出所述最短距离小于或等于相对应管道半径的三维管道中心线以实现二次筛选，最后将二次筛选后的三维管道中心线中所述最短距离最小值所对应管道确定为用户查询的目标管道单体，然后读取该目标管道单体所对应管道中心线的第二属性数据并显示在所述三维管网gis系统中。
37.优选地，在该步骤中，在计算所筛选出的各三维管道中心线与p点之间的最短距离之前，先判断该鼠标点位置基于步骤s61中最大的管道半径值m所延伸的范围内是否存在断点（通常为管道与管道的交汇点或阀门在管道中的位置点），如果不存在，则按管道半径从大到小的顺序（通常，管道半径越大，其为目标查询管道的概率也越大）逐一计算初步筛选出的三维管道中心线是否为所述最短距离小于或等于相对应管道半径的三维管道中心线，且当查询到任一条三维管道中心线满足所述二次筛选条件即可终止后续的计算过程，直接将满足所述二次筛选所对应条件的三维管道中心线确定为该目标管道单体所对应管道中心线；藉此，也可节省部分计算资源。相反，若判断该鼠标点位置基于步骤s61中最大的管道半径值m所延伸的范围内存在断点，则由于该鼠标位置存在为管道与管道的交汇处的可能，则需以遍历方式计算完所初步筛选出的各三维管道中心线与p点之间的最短距离再执行后续的二次筛选及三次筛选（即将二次筛选后的三维管道中心线中所述最短距离最小值所对应管道确定为用户查询的目标管道单体）。
38.本实施例本质即把对现有碎片化模型的查询方式转换成对模型内各个三维管网中心线所对应管道单体的查询，查询算法实用且高效，确保了查询精度和效率。特别是用于查询城市级海量数据时，基于本发明的矢量数据查询算法的查询性能表现得更好。
39.进一步地，本发明方法还包括：步骤s8、获取增加管道请求。
40.步骤s9、设置所增加管道的三维管道中心线的第一属性和第二属性，将所增加管道的增量模型叠加原来的三维管道模型上，并在相关联三维管道中心线对应的更新位置增加相对应的断点信息。
41.更进一步地，本发明方法还包括：步骤s10、获取增加阀门请求。
42.步骤s11、将所增加阀门的增量模型叠加原来的三维管道模型上，并在相关联三维管道中心线对应的更新位置增加相对应的断点信息。
43.优选地，本实施例在读取该目标管道单体的第二属性数据并显示在所述三维管网
gis系统中时，还包括：将所查询的该目标管道单体显示为区分于其他邻接管道的三维管道半透明示意模型，藉此，便于用户观测并提升了用户体验。
44.作为一种具体实现方式，参照图1，本实施例上述方案也可以更简化为下述具体步骤：1、将管道已有的二维或者三维数据进行一系列编辑处理使其成为三维管道中心线。
45.2、处理好三维管道的结构关系简化为中心线的拓扑关系即管道与管道的“线
‑
线关系”和管道与阀门的“点
‑
线关系”。
46.3、对管道中心线进行属性编辑生成结构化且带属性的三维管道中心线。
47.4、通过管道中心线数据制作三维管道模型，导出的模型可以是单个文件的整体模型。
48.5、将三维管道模型和管道中心线数据导入三维管网gis系统。
49.6、鼠标点击需要查询的管道段。
50.7、获取鼠标点与模型相交处的三维点坐标记为模型鼠标点p。
51.8、找出距离p点预设范围内的管道中心线l并单独存于一个临时中心线数组a={l1,l2,l3,
…
}。
52.9、分别计算p点到a数组内每条管道中心线的最短距离（注意：非垂直距离），并筛选出最短距离小于或等于相对应管道半径的三维管道中心线以实现二次筛选，最后将二次筛选后的三维管道中心线中所述最短距离最小值所对应管道确定为用户查询的目标管道单体，其对应的管道中心线记为l
n
。
53.10、构造l
n
线对应的三维管道半透明示意模型。
54.11、同时展示l
n
线对应的属性信息。这样就实现了第一次建模下的三维管道结构化单体查询的三维示意以及对应属性展示。
55.12、如果增加管道或者增加阀门只需要在原来的三维管道模型基础上将对应的增量模型叠加上去。
56.13、在管道中心线对应的更新位置增加断点和线并添加属性即可。
57.14、重复5
‑
11即可完成三维管道结构化单体查询工作。
58.15、重复12
‑
13
‑
14即可完成更新迭代。
59.综上，本实施例相比于处理三维模型体的拓扑关系，转化为处理管网中心线的结构化数据拓扑关系与属性编辑则会变得更简单、更高效和更灵活。减少了拓扑关系的复杂度，降低了前期数据处理的工作量，更方便后期的数据质量检查。
60.与此同时，本实施例能按覆盖范围将区域内的多段乃至全部三维管道构建在同一个三维管道模型中，并在三维管网gis系统中导入该三维管道模型与所覆盖的各个三维管道中心线的第一属性和第二属性数据，解决了现有方法按管道分段建模所产生模型碎片化所导致的系列问题的同时也为实现模型内的管道单体查询提供了数据基础。
61.而且，本实施例把对现有碎片化模型的查询方式转换成对模型内各个三维管网中心线所对应管道单体的查询，查询算法实用且高效，确保了查询精度和效率。特别是用于查询城市级海量数据时，基于本发明的矢量数据查询算法的查询性能表现得更好。
62.实施例2
本实施例公开一种基于结构化数据的三维管网单体查询系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法实施例相对应的步骤。
63.综上，本发明上述实施例所分别公开的基于结构化数据的三维管网单体查询方法及系统，至少具有以下有益效果：（1）、减少单体模型个数，方便建模与管理在管网三维实体模型建模时不需要为管网分段建立单体模型，可根据实际业务对模型精细化的要求，直接导出指定区域范围内的模型为单个整体模型，而不需要对该区域范围内的管网模型进行分段碎片化建模。由于本算法是利用矢量结构化数据对管网模型进行单体对象查询，模型单体化精细程度取决于矢量结构化数据的细分程度，而矢量结构化数据的单体化可以细化到很精细的程度（如对每条管道进行间隔1米分段），很大程度地简化了三维管网建模复杂度，提高了建模效率，也方便整个三维系统的模型管理。
64.（2）、模型修改的流程简单对三维模型的修改不需要把原来的模型进行拆分，直接把需要新增的模型添加到原有模型中，也不需要重新挂载它的关联属性，只需要对新增的模型或要修改的模型所对应的矢量结构化数据（如管网中心线）进行拓扑关系处理与业务关联属性处理即可。相对于处理三维模型体的拓扑关系，转化为处理管网中心线的结构化数据拓扑关系与属性编辑则会变得更简单、更高效和更灵活。减少了拓扑关系的复杂度，降低了前期数据处理的工作量，更方便后期的数据质量检查。
65.（3）、属性关联更方便相对于把业务属性与大量的单体模型进行关联，使用现有矢量结构化数据进行属性关联，不需要做太多处理工作，利用现有成熟的空间数据处理算法或gis制图软件来处理更方便、更容易。
66.（4）、查询性能更好把对模型对象的查询转换为对三维管网中心线的查询，简化了查询算法复杂度，提高了查询效率。特别是用于查询城市级海量数据时，再利用现有成熟的矢量数据查询算法，本方法性能更好。
67.（5）、二三维一体化更方便当进行二三维一体化处理操作时，在三维场景中基于结构化数据查询单体对象，查询结果同样适用于在二维场景中进行展示，更加方便二三维一体化交互。
68.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。