CN103927407A - 一种基于soa架构的土木工程地理设计平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台，包括：SOA数据总线；CAD模块和地理信息系统模块，均连接至SOA数据总线；数据存储模块，存储有地理信息系统空间模型数据和CAD空间模型数据并均被分解成几何图元数据即点、线或面数据，分解后的每一点数据、线数据或者面数据均与分解前的空间模型数据通过数据结构进行关联，数据存储模块通过点数据接口、线数据接口和面数据接口与SOA数据总线进行通讯；数据调度引擎模块，连接至所述SOA数据总线。该平台将地理环境因素与设计过程结合起来，通过几何图元作为中间数据桥梁，实现了CAD和GIS两大体系数据的无缝集成，并在这基础上研究了海量数据的快速调度与可视化。

Description

一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台

技术领域

本发明土木工程设计领域，特别涉及一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台。

背景技术

CAD(计算机辅助制图)与GIS(地理信息系统)两门学科所使用到的数据，从数学角度分析都可归纳为平面或立体的空间数据。但是，这两门学科研究的侧重点不同，CAD研究的内容主要在于精细化制图，GIS研究的内容主要在于空间数据的管理、分析与应用。在一些领域特别是土木工程领域，常常需要把这两门学科的知识集中在一起使用；为了解决这些交叉学科的工程问题，人们发明了一门新的学科“地理设计”，已经成为当今GIS与CAD领域最热门的研究课题。目前关于将CAD数据和GIS数据集成在一起的方法有很多，一种方法是通过中间件把GIS数据直接转换为CAD数据格式，或者把CAD数据导出DXF然后导入GIS系统，缺点是不管是哪种格式的转换都导致大量数据信息掉失，而且无法实现两门学科的交叉应用，在GIS中无法实现精细化制图，在CAD中无法实现空间数据管理与分析。第二种是合并法集成，把CAD数据与GIS数据简单求并集，然后在这基础上开发相应的应用。缺点是合并后的数据结构复杂，数据类型繁多，很难开发新的应用服务，即使原有的应用服务也只能局限在两种数据的交集部分能够共享使用。GIS系统中目前关于对海量点云调度的方法，主要有下面几种：第一种是动态预测调度，对点云数据提前分区-分子块存储于服务器中，然后根据视点信息，提前预测加载将来可能被显示的子块点云，缺点是当快速反复浏览或改变观察方向时，导致预先加载的数据利用率底，服务器请求量过大。第二种是八叉树分解，根据X\Y\Z轴，把点云数据按八叉树方式分解、简化、建立树结构关系；最后根据视点信息，进行动态加载。优点是解决了服务器请求量大的问题；缺点是需要较大的内存数据缓冲空间保存已经使用过的数据。第三种是模型简化法，根据点在模型中的重要性，通常是根据对体积的影响程度进行排序，建立渐进式数据流，然后通过网络动态加载，缺点是自动化计算顶点重要性算法复杂，容易导致模型失真。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台，该平台将地理环境因素与设计过程结合起来，通过简单的几何图元作为中间数据桥梁，实现了CAD和GIS两大体系数据的无缝集成，并且在这基础上研究了海量数据的快速调度与可视化，具有广泛的通用性。

本发明提供的技术方案为：

一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台，包括：

SOA数据总线；

CAD模块，其连接至所述SOA数据总线；

地理信息系统模块，其连接至所述SOA数据总线；

数据存储模块，其存储有地理信息系统空间模型数据和CAD空间模型数据，所述地理信息系统空间模型数据和所述CAD空间模型数据均被分解成几何图元数据即点数据、线数据或面数据，所述分解后的每一点数据、线数据或者面数据均与分解前的空间模型数据通过一数据结构进行关联，所述数据存储模块通过点数据接口、线数据接口和面数据接口与所述SOA数据总线进行通讯；

数据调度引擎模块，其连接至所述SOA数据总线，用以对所述数据存储模块中的空间模型数据进行提取和分析处理。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述CAD模块包括CAD数据中心模块和多个功能模块，所述数据中心模块通过所述点数据接口、线数据接口和面数据接口与所述数据存储模块进行通讯，并通过与每个功能模块相对应的应用接口与所述每个功能模块进行通讯。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述功能模块包括显示模块、图形编辑模块、对象捕捉模块、界面模块和命令解析模块。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述地理信息系统模块包括地理分析模块，所述地理分析模块自动读取在所述图形编辑模块中绘制的草图数据并进行分析，判断所绘制的草图是否符合地形空间范围的要求，如果不符合，则给出提示让设计人员及时进行调整。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述地理分析模块包括数字高程模型信息分析，创建山坡阴影图像，流域提取和流路分析，剖面分析，通视分析，缓冲区分析和数字高程模型土石方分析。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述数据调度引擎模块对所述数据存储模块中的空间模型数据的调度是基于视点的动态调度，根据用户视点参数即视点位置、观察方向和视角大小把视野范围外的空间模型数据过滤掉，然后利用顶点简化算法把视野范围内的空间模型数据进行简化。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述顶点简化算法的具体实现过程为：视野范围内的空间模型数据被分解为大小不等的构件，每个构件由几何图元即点、线或三角形组成，且几何图元、构件和空间模型数据通过所述数据结构关联起来，距离用户视点近的几何图元保留，距离用户视点远的线段或三角形简化为点，被简化后的点根据该点所在的空间模型数据或者空间模型数据的构件信息判断是否保留该点，首先通过数据结构找到被简化后的点所关联的构件，然后通过该构件所有的点和该构件自身的几何尺寸计算投影到视口的大小，如果投影后是大的图斑则保留这些点，如果不是，则把该构件简化为一个点，继续根据该被简化后的点所在的空间模型数据或者空间模型的构件信息判断是否保留该点，如此重复，最后对保留下来的空间模型数据进行可视化显示。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，还包括三维公路选线模块，三维建模模块，桥涵遂设计模块，汽车行驶模拟仿真分析模块和航测地形图出版模块，每个模块均连接至所述SOA数据总线并与之进行通讯。

优选的是，所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，所述数据结构为桥接器。

其中，地理信息系统空间模型数据一般是采用面向实体的数据模型，是以单个空间地理实体为数据组织和存储的基本单位，该模型以独立，完整，具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行表达，而CAD空间模型数据是以数学几何的方式对数据进行表达，如描述一个椭圆型，是以几何参数，用圆心，半径，弧线等参数进行表述，把地理信息系统空间模型数据和CAD空间模型数据通过数学算法分解为简单的几何图元即点、线或面数据后它们数据之间的差异被屏蔽掉。

本发明所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，与现有技术相比，一是采用SOA架构，把CAD与地理信息系统集成在一起。二是通过把CAD空间模型数据和地理信息系统空间模型数据分解为统一的几何图元即点、线或面，屏蔽了数据源之间的差异，实现了无缝集成，不但能够实现原有的地理信息系统服务、CAD制图功能等并能够共享使用，由于是SOA架构增加新的服务功能简单容易。并且在这种合成后的数据基础上，实现了基于模型简化的海量点云调度服务算法即顶点简化算法，本算法在考虑了传统的体积影响因子的同时，增加了模型几何尺寸参数因素，使得数据调度自动化程度高，模型失真率明显降低。该发明在土木工程勘察设计领域引入地理设计概念，首次应用SOA架构技术把CAD与地理信息系统集成在一起，并推出基于CAD与地理信息系统的应用平台，该发明首次在土木工程设计领域提供地理分析工具，并在公路、铁路、水利、管线等土木工程方案草图和构思阶段就引入地理分析，让地理分析贯穿勘察设计整个流程，让设计方案更贴近大自然，促成人与自然的和谐发展。该发明基于SOA架构的应用，多系统平台内核集成，开发灵活标准的应用服务接口，拓展性和兼容性强，后期模块接入容易，扩展方便。该发明在土木工程勘测设计过程中引入牛顿力学仿真与分析模型。三维实景仿真是建立在野外实景还原和空间分析的基础上，在设计过程中带入地理的分析，在最初设计草图时，立即核实各种数据是否符合项目的空间范围要求。这种实时适用性分析提供了一个设计框架，使得各行各业的规划师、设计师能够充分运用地理设计，将关键因素提前考虑，而不是在完成设计后再去分析提议项目的潜在影响和后果，有助于缩短设计循环时间、提高结果的质量。

附图说明

图1为本发明所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台，包括：

SOA数据总线，SOA是一种面向服务的体系结构，是一个组件模型，它可以将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来，所以连接至SOA数据总线上的不同应用模块能够相互共享，所以通过SOA数据总线能够把CAD模块和地理信息系统模块集成在一起；

CAD模块，其连接至所述SOA数据总线，CAD模块为嵌入式CAD内核，提供20多种基本图元绘制，几何属性查看和编辑、图层管理、布局管理、对象捕捉等功能，可用于工程设计行业，CAD模块包括CAD数据中心模块和多个功能模块，所述数据中心模块通过点数据接口、线数据接口和面数据接口与数据存储模块进行通讯，并通过与每个功能模块相对应的应用接口与所述每个功能模块进行通讯，所述多个功能模块包括显示模块、图形编辑模块、对象捕捉模块、界面模块、命令解析模块、硬盘存储模块和键盘鼠标等，这些不同的功能模块可以单独升级维护和共享应用，所以数据存储模块中的CAD数据先被调入数据中心模块中进行处理然后再进入各个功能模块中进行处理。这样把CAD当作CPU等高度集成的芯片，通过分析和编写各种应用接口与外部程序对接，比如显示接口，存储接口等，然后把CAD接口相关代码分离出来，分别用一个相应的模块代替，最后按逻辑功能分解为不同的功能模块，单独升级维护和共享应用。

地理信息系统模块，其连接至所述SOA数据总线，地理信息系统(GIS)数据应用方面，主要采用数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和数字地面模型(DigitalTerrain Model，DTM)进行组织地理信息空间信息资料和构建地形分析实景分析模型。在模型中的信息主要包括：地貌信息(如高程、坡度、坡向等)，基本地物信息(如水系、交通网、居民点等)，自然资源和环境信息(如土壤、植被、地质、气候、太阳辐射等)，社会经济信息(如某地区的人口分布、工农业产值、国民收入等)，通过构建三维空间GIS分析模型，为公路和其它工程行业的应用分析提供基础。

所述地理信息系统模块包括地理分析模块，所述地理分析模块自动读取在所述图形编辑模块中绘制的草图数据并进行分析，判断所绘制的草图是否符合地形空间范围的要求，如果不符合，则给出提示让设计人员及时进行调整。这样设计员在最初设计草图的过程中就带入地理空间的分析，能够立即核实各种数据是否符合项目空间范围的要求，所以设计人员能够对设计方案很容易地进行草绘和调整，并能很快获得地理空间上的反馈，使设计对自然环境可能造成的不良影响得到有效的预警和调整，这种实时适用性分析提供了一个设计框架，使得各行各业的规划师、设计师能够充分运用地理设计，将关键因素提前考虑，而不是在完成设计后再去分析提议项目潜在影响和后果，有助于缩短设计循环时间，提高结果的质量。

所述地理分析模块包括：1)数字高程模型信息分析，从数字高程模型中提取坡度、坡向、山脊、山谷、隘口、河流等地貌特征信息。2)创建山坡阴影图像，给定一定的太阳高度角和太阳方位角，在三维数字高程模型或者三维场景中输入光照模型，形成山体阴影图照模型。3)流域提取和流路分析，利用专业的用于地形和流域分析的算法，从海量数字高程模型中提取出河流排泄区的网络模型。提取出的河流网络以树状矢量数据结构存储，这种结构带来了非常快的处理速度，和河流泥沙的流路分析能力。4)剖面分析，在三维场景中给定任意方向上的一条断裂线，依此线对三维流域场景中的数字高程模型、影像、三维水工建筑物模型进行切割，形成该方向上的剖面图，该可以用于水工枢纽的剖面分析及地质状况的剖面分析。5)通视分析，给定一个平面位置和高度以及可视的范围，就可以在数字高程模型基础上进行通视分析，可以是单点通视分析，也可以是多点通视分析。6)缓冲区分析，给定任意的一条线或者面，给定缓冲区的宽度和缓冲区的类型，就可以在三维场景中进行缓冲区的查询和分析。7)数字高程模型土石方分析，对数字高程模型进行选定区域和指定高程的数字高程模型填充与开挖分析，用于水工工程和水保措施建设的土石方估计计算服务；

数据存储模块，其存储有地理信息系统空间模型数据和CAD空间模型数据，所述地理信息系统空间模型数据和所述CAD空间模型数据均被分解成几何图元数据即点、线或面数据，所述分解后的每一点数据、线数据或者面数据均与所述分解前的空间模型数据通过特殊的数据结构桥接器进行关联，这样就巧妙的把空间模型数据与几何图元数据关联起来，实现双向通讯，而且这些通讯对用户来说是完全透明的，分解后的几何图元被选中或编辑后，通过桥接器发送事件通知关联的空间模型同步更新参数，同理，空间模型参数修改后，通过桥接器发送事件通知被关联的几何图元同步更新，还通过另一种数据结构把空间模型数据、分解后的几何图元、桥接器三者封装为一个整体，它们之间的事件发送、同步更新等所有工作都是在内部完成，用户看到的还是原来的CAD或地理信息空间模型数据，完全感觉不到它们已经被分解为统一的简单几何图元。所述数据存储模块通过点数据接口、线数据接口和面数据接口与所述SOA数据总线进行通讯，在SOA数据总线业务链中定义点数据接口，线数据接口和面数据接口三个数据接口，让GIS即地理信息系统和CAD的所有数据都可共享数据总线中的所有服务，为后期数据调度、显示、应用分析等服务提供数据基础。公路勘察设计是一种非常复杂的系统工程，包括路线、桥涵、隧道、排水、建筑、电气、材料等专业，由于各专业的分工和设计习惯不同，使得很多数据都处于‘信息孤岛’状态，这样把各种数据源分解成几何图元数据，屏蔽了各种数据源之间访问的差异，从技术上实现各种异源业务数据的统一存储。实现数据的统一存储和标准化管理后，再通过连接至SOA数据总线上的统一的访问接口即点数据接口、线数据接口和面数据接口，各个专业人员都可以共享这个SOA数据总线。

数据调度引擎模块，其连接至所述SOA数据总线，用以对所述数据存储模块中的空间模型数据进行提取和分析处理。数据调度引擎，可以对激光雷达测量数据、或无人机航测采集的海量DEM和DOM数据进行统一存储和调度，用于对二维或三维地形现场还原与快速浏览。所述数据调度引擎模块对所述数据存储模块中的空间模型数据的调度是基于视点的动态调度，根据用户视点参数即视点位置、观察方向和视角大小把视野范围外的空间模型数据过滤掉，然后利用顶点简化算法把视野范围内的空间模型数据进行简化。

所述顶点简化算法的具体实现过程为：视野范围内的空间模型数据被分解为大小不等的构件，每个构件由几何图元即点、线或三角形组成，且几何图元、构件和空间模型数据通过数据结构桥接器关联起来，距离用户视点近的几何图元保留，距离用户视点远的线段或三角形简化为点，比如说从60层高的楼顶看地面的汽车、行人、蚂蚁，简化后，汽车是由多个点组成的模型、行人只需1个点，蚂蚁看不见，被简化后的点根据该点所在的空间模型数据或者空间模型数据的构件信息判断是否保留该点。首先通过数据结构找到被简化后的点所关联的构件，然后通过该构件所有的点和该构件自身的几何尺寸计算投影到视口的大小，如果投影后是大的图斑则保留这些点，如果不是，则把该构件简化为一个点，继续根据该被简化后的点所在的空间模型数据或者空间模型的构件信息判断是否保留该点，如此重复，最后对保留下来的空间模型数据进行可视化显示。无人机航测影像、卫星影像、激光雷达点云等，三维实景仿真所面对的数据量通常都在几十GB或TB级别，我们通常称为海量数据。如何最大效率的利用这些数据，保证数据的一致性、实时性，减少数据的冗余性，就显得非常重要。

还包括三维公路选线模块，三维建模模块，桥涵遂设计模块，汽车行驶模拟仿真分析和航测地形图出版模块，每个模块均连接至所述SOA数据总线并与之进行通讯，所述三维公路选线模块，为工程师便捷的选线辅助工具，快速选出符合规范要求的平面线位；所述三维建模模块，提供了完整的公路要素三维模型(标志牌、红绿灯、绿化带等)，通过软件将模型选择、摆放、编辑(支持平移，旋转，缩放，调节高程)，快速构建公路三维分析模型；所述桥涵遂设计模块，可在三维仿真场景中完成桥梁、隧道的设计；所述汽车行驶模拟仿真分析，通过牛顿力学仿真模型，按照汽车的性能模拟行驶，同时还提供了模拟巡检人员在三维地形中行走，方便对路况的检查，可以及时发现设计中的不足与纰漏；所述航测地形图出版模块，辅助完成设计成果自动分幅与打印出版，通过绘制打印区域图框，将图框内的地图影像输出打印。其中提供了图框配置界面，可以设定纸张大小，比例尺等。

大规模地形模型的快速渲染一直是计算机图形学领域研究的重点，它是多种不同技术的集成应用，涉及视场裁剪、模型简化、硬件驱动、细节层次LOD(levels2of2detail)、合理的数据结构等多个方面的算法。对上述每个算法的改进都会不同程度地加快渲染的速度。由于待处理的数据量非常大，除了采用前面介绍的金字塔结构存取机制以外，还需要对数据进行简化，在不影响视觉效果的前提下减少数据量。所谓与视点相关的地形简化，就是在动态漫游过程中，随着条件的变化，对被提取的数据也应相应地进行删除和更新。在实现地形数据动态变化的过程中，场景层次细节的变化应能与视点的变化一致起来，以达到不同层次间场景的连续平滑过渡。

按LOD的思想：远视点的地形区域的绘制无需使用与近视点一样的精度，为了加快可视化速度，必须对场景中各地形数据块进行LOD分层。分层时参照如下原则：①地形数据块几何中心到视点间的距离；②地形数据块几何中心与视线中心间的偏角。将所有参与场景生成的地形数据块分为多个不同的细节层次，level0细节表示最详细；level1细节表示详细程度次之；level2细节表示更粗略；依次类推。在动态漫游过程中，随着视点的不断变化，不同地形块的细节表示相应变化；同时保证视点所看位置的细节层次不变，可以克服渐进描绘中图像的跳动现象。

基于SOA架构的土木工程地理设计平台是一套建立在GIS业界最热门的地理设计概念基础上的综合应用平台，本平台结合了目前最前端的三维仿真技术、地理分析技术、公路勘察设计技术，CAD应用技术、GIS应用技术、SOA应用技术等，全力为工程设计业界打造一个全三维的实景仿真设计平台。

传统的设计理念是按照人类的主观想法去设计自然、征服自然；而基于实景仿真的地理设计思想是遵循大自然的客观规律，在综合地理分析的基础上进行合理科学的地理规划和决策，最终促进人与环境的和谐发展。三维实景仿真是建立在野外实景还原和空间分析的基础上，在设计过程中带入地理的分析，在最初设计草图时，立即核实各种数据是否符合项目的空间范围要求。这种实时适用性分析提供了一个设计框架，使得各行各业的规划师、设计师能够充分运用地理设计，将关键因素提前考虑，而不是在完成设计后再去分析提议项目的潜在影响和后果，有助于缩短设计循环时间、提高结果的质量。本发明通过在土木工程设计领域创新性地引入“地理设计”理念，将地理环境因素与设计过程结合起来，提出一种基于三维实景地理数据的全新土木工程设计思想并研发相应的地理设计平台，可广泛应用于公路、铁路、建筑、水利、管线等工程行业。系统采用SOA架构，通过自主研发海量三维实景地理数据快速调度引擎，将CAD核心技术与GIS核心技术紧密结合在一起，并在系统平台的基础上开发了基于实景地理数据的公路、铁路、建筑、水利、管线等通用快捷的地理设计辅助工具，工程设计人员能够对设计方案很容易地进行草绘和调整，并能很快获得空间知识上的反馈，从而使设计对自然环境可能造成的不良影响得到有效的预警和调整。系统平台不脱离工程设计的传统使用习惯，设计人员上手快、易于推广普及，可有效提高公路设计的效率、缩短设计周期、节省工程项目费用。国内首次将传统的MIS(管理信息系统)、CAD(计算机辅助设计)、BIM(建筑信息模型)、RAD(公路辅助设计)等成熟的设计工具整合到一起发挥最大的效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于SOA架构的土木工程地理设计平台，其特征在于，数据调度引擎模块对所述数据存储模块中的空间模型数据的调度是基于视点的动态调度，根据用户视点参数即视点位置、观察方向和视角大小把视野范围外的空间模型数据过滤掉，然后利用顶点简化算法把视野范围内的空间模型数据进行简化。 

2.如权利要求1所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，其特征在于，所述顶点简化算法的具体实现过程为：视野范围内的空间模型数据被分解为大小不等的构件，每个构件由几何图元即点、线或三角形组成，且几何图元、构件和空间模型数据通过数据结构关联起来，距离用户视点近的几何图元保留，距离用户视点远的线段或三角形简化为点，被简化后的点根据该点所在的空间模型数据或者空间模型数据的构件信息判断是否保留该点，首先通过数据结构找到被简化后的点所关联的构件，然后通过该构件所有的点和该构件自身的几何尺寸计算投影到视口的大小，如果投影后是大的图斑则保留这些点，如果不是，则把该构件简化为一个点，继续根据该被简化后的点所在的空间模型数据或者空间模型的构件信息判断是否保留该点，如此重复，最后对保留下来的空间模型数据进行可视化显示。 

3.如权利要求2所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，其特征在于，还包括三维公路选线模块，三维建模模块，桥涵遂设计模块，汽车行驶模拟仿真分析模块和航测地形图出版模块，每个模块均连接至所述SOA数据总线并与之进行通讯。 

4.如权利要求3所述的基于SOA架构的土木工程地理设计平台，其特征在于，所述数据结构为桥接器。