昆明三維地下管線系統(tǒng)應(yīng)用與研究

畢天平，周京春

(1. 沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 沈陽 110168； 2. 昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南 昆明 650011)

一、引 言

城市綜合地下管線是城市的“生命線”，也是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，更是發(fā)揮城市功能和確保城市經(jīng)濟、社會健康協(xié)調(diào)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。各大城市紛紛建立起綜合地下管線信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對城市建設(shè)中的各類管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行綜合有效的存儲管理。然而由于綜合地下管線的特殊性，其布設(shè)遍及路下、水下等，二維方式難以直觀地反映各管線之間的空間位置關(guān)系。在交錯復(fù)雜的條件下，三維方式能夠切實地表達各管線之間的位置關(guān)系，以及管線與周邊地物的關(guān)系。在客觀世界里，管線本是以三維的形式存在，因而在三維視角下來分析和管理管線是管線管理的必然趨勢[1-2]。

對于管線管理信息系統(tǒng)來講，目前國內(nèi)外普遍采用GIS技術(shù)、仿真技術(shù)，通過建立數(shù)學(xué)模型進行管線的模擬現(xiàn)實和分析處理。國內(nèi)外也有三維GIS的軟件產(chǎn)品，如Google Earth、Skyline、Virtual Earth、ArcGlobe、EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、AnGeo、WorldWind等，但由于模型與多種參數(shù)有關(guān)，各軟件有其自身的優(yōu)點和局限性[3]。由于三維管線具有數(shù)據(jù)量大、空間關(guān)系復(fù)雜、精細化表達困難等特點，在Web上實現(xiàn)三維的海量數(shù)據(jù)存儲和快速顯示仍然是各軟件系統(tǒng)不斷優(yōu)化的目標。本文是在對昆明全市范圍內(nèi)2萬多千米地下綜合管線進行三維地下管線系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，建立了三維管線動態(tài)生成的結(jié)構(gòu)模型，介紹三維管線在Web環(huán)境下動態(tài)顯示的技術(shù)思路、實現(xiàn)方法和成果的實際表現(xiàn)，為三維數(shù)字城市建設(shè)，特別是為城市三維綜合管線信息化建設(shè)提供借鑒。

二、管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合管網(wǎng)的類型包括給水、污水、雨水、燃氣、電力、路燈、通信、電視、熱力、工業(yè)等。每類管線在空間數(shù)據(jù)庫中按照管線層和管點層存儲。需要注意的是管線層必須是兩點線，管線層的起點點號和終點點號必須和相應(yīng)管點層的管點編號一一對應(yīng)。

1. 管線層

管線層存儲線狀管線，按照起點埋深、終點埋深、起點高程、終點高程、斷面尺寸和材質(zhì)、埋設(shè)方式來標識其三維管線實體動態(tài)生成的基本條件。斷面尺寸標識管線是方形管還是圓形管，其單位為mm,如PSIZE =300代表圓形管，PSIZE=400×300代表方形管。各類管線層的物理結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計見表1。

2. 管點層

管點層存儲管線的全部特征點、普通點、物探點、附屬物等。利用管點類型字段可標識具體的類別，如三通、四通、五通、多通、轉(zhuǎn)折點、彎頭、變深、變徑、變材、上桿、預(yù)留口、閥門、消火栓、凝水缸、水表等。為了三維管線的快速生成和顯示，三通、四通、多通等由程序自動生成。為了三維顯示的精細化，點層可以附加精細化的3 ds Max和SketchUp等建模軟件制作的三維模型。各類管點層的物理結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計見表2。

表1 管線層結(jié)構(gòu)

表2 管點層結(jié)構(gòu)

三、三維數(shù)據(jù)生成流程

三維數(shù)據(jù)包括地上空間三維數(shù)據(jù)的生成和地下空間三維數(shù)據(jù)的生成，其中地下空間的數(shù)據(jù)主要是地下管線。因而在數(shù)據(jù)層上，三維地下管線系統(tǒng)也包含了數(shù)字城市的內(nèi)容。

1. 三維地表數(shù)據(jù)生成流程

城市地表可見部分的三維數(shù)據(jù)往往以航空攝影為基礎(chǔ)，通過數(shù)字高程模型(DEM)或高程點來構(gòu)建三維地形骨架，通過在地形骨架上疊加數(shù)字正射影像(DOM)、城市建筑物、植被、小品模型來實現(xiàn)城市三維場景的整合[4-5]。其具體流程如圖1所示。

圖1 三維地表生成流程

2. 三維管線生成流程

為了保持二三維的聯(lián)動性，三維管線數(shù)據(jù)由二維管線數(shù)據(jù)動態(tài)生成，在二維管線層和管點層的基礎(chǔ)上，通過屬性字段中的高程信息、管徑信息、特征點的信息(具體結(jié)構(gòu)見表1、表2)，來動態(tài)地批量生成三維管線；并建立查詢分析所需要的三維實體和屬性之間的連接關(guān)系，將三維瀏覽數(shù)據(jù)、搜索數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)分別進行存儲，其具體過程如圖2所示。

圖2 三維管線生成流程

四、系統(tǒng)設(shè)計

在綜合管線二維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合DOM、DEM、地形數(shù)據(jù)庫、三維模型庫，以ArcGIS作為GIS基礎(chǔ)平臺、AutoNavi AnGeo Uniscope為三維GIS平臺、Oracle為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Visual Studio 2008.NET為開發(fā)工具，采用C#.NET語言進行系統(tǒng)開發(fā)，利用面向服務(wù)的架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)來建立昆明三維綜合管線系統(tǒng)。

采用C/S與B/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的組織模式、二三維一體化的可視化表現(xiàn)形式，提供對城市地下綜合管線數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等的綜合管理與分析，并提供對外服務(wù)的功能。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

五、主要功能及效果

系統(tǒng)利用Web Services技術(shù)，總體實現(xiàn)對城市地下綜合管網(wǎng)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫的三維顯示、查詢、統(tǒng)計、分析、規(guī)劃審批、更新、服務(wù)等功能。應(yīng)用系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下系統(tǒng)功能：地下管線的精細化顯示、輔助編輯、查詢定位、管網(wǎng)分析、三維量測、管線標注、管線統(tǒng)計。其中分析模塊是系統(tǒng)功能的精髓，包含管線垂直凈距分析、管線水平凈距分析、覆土分析、縱斷面分析、橫斷面分析、道路斷面分析、緩沖區(qū)分析、爆管分析、追蹤分析、連通分析、流向分析等。

1. 二三維聯(lián)動

二三維聯(lián)動實現(xiàn)二三維一體化，二維以ArcGIS Server為基礎(chǔ)地圖服務(wù)平臺，三維以AnGeo Uniscope為基礎(chǔ)平臺，其效果如圖4所示，圖中左側(cè)為二維視圖，右側(cè)為三維視圖。二三維聯(lián)動除能按照地理坐標實現(xiàn)二三維的聯(lián)合顯示，還能按照管線與地表的實際關(guān)系準確地顯示管線，直觀地顯示各類管線、附屬設(shè)施、道路和地表建筑之間的空間關(guān)系，以及不同管線的粗細和各類管線之間的穿插關(guān)系。

圖4 二三維聯(lián)動

2. 剖面分析

剖面分析是管網(wǎng)管理系統(tǒng)關(guān)鍵的功能，包含橫剖面分析、縱剖面分析、三維剖面分析、道路剖面分析等，其能直觀看出地下管線的位置關(guān)系，尤其是道路剖面分析(如圖5所示)，能看出管線在道路內(nèi)的機動車道、人行道和綠化帶等的相對位置關(guān)系，有效地指導(dǎo)管網(wǎng)搶修和地面工程的施工挖掘工作。 三維剖面按照管線和地面的實際尺寸進行切面分析，和二維剖面分析配合，更直觀地觀測管線的空間位置關(guān)系、管線尺寸和地面的位置關(guān)系。

圖5 三維剖面分析

3. 流向分析

流向分析是管網(wǎng)規(guī)劃和管理中十分珍貴的分析結(jié)果，尤其對雨水、污水等排水管線十分重要。其三維分析效果如圖6所示。

圖6 流向分析

4. 挖方分析

挖方分析能夠看出施工區(qū)域下的管線分布狀況、計算土方量等。其三維效果如圖7所示。

圖7 挖方分析

六、主要特色

1. 管線精細化

實現(xiàn)各類管線及其設(shè)施的精細化造型和建模，以及管線和設(shè)置的自動耦合，同時能在實現(xiàn)設(shè)施內(nèi)部的部件精細化顯示，體現(xiàn)三維GIS與建筑信息模型(building information modeling，BIM)的結(jié)合。

2. 瓦片金子塔

昆明三維地下管線系統(tǒng)采用三維瓦片金字塔技術(shù)，以及目前被廣泛使用的視點相關(guān)球面LOD(levels of detail)算法[6-8]，解決了海量三維數(shù)據(jù)發(fā)布能力，突破了三維領(lǐng)域容量大、速度慢的技術(shù)難題，能夠快速地顯示和分析地上和地下的完整城市空間，精細化地顯示龐大、復(fù)雜、種類繁多的管線，整合顯示DOM、DEM、數(shù)字地物模型等各類城市空間要素。

七、結(jié)束語

昆明三維地下管線系統(tǒng)是按照三維視角來管理和展示管線的成功案例，解決了基于Web的綜合地下管線信息化建設(shè)中常見的三維海量數(shù)據(jù)快速發(fā)布和顯示、管線及其附屬設(shè)施精細化建模，以及二三維聯(lián)動等熱點問題,為地下管線管理部門和各類管線運營單位提供了科學(xué)的技術(shù)支持和分析手段，能夠為各類管網(wǎng)改造和維修工程提供直觀、可靠的決策依據(jù)。

當(dāng)前管線三維技術(shù)和數(shù)字城市技術(shù)都向大場景和精細化兩個方向發(fā)展[9-11]，昆明地下管線系統(tǒng)解決了2萬多千米的管線探測數(shù)據(jù)，330 km2的基礎(chǔ)地形地物的三維可視化，解決了行業(yè)內(nèi)三維精細化和大場景數(shù)據(jù)的顯示難題。但三維數(shù)據(jù)還需要幾小時才能完全更新，因此解決整個管網(wǎng)三維模型的時時更新并及時參入可視化分析，是進一步努力的方向。

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