地下管線空間數據模型及三維可視化

王舒　寧芊

摘要：伴隨新城鎮(zhèn)建設，地下管線規(guī)模日益龐大，種類日益繁多，對其進行科學高效的信息化管理尤為重要。為更好表現各類管線的地下空間分布關系，在二維地下管線信息化的基礎上，探索管線信息的三維建模及可視化管理。通過構建地下管線三維數據模型，利用空間數據庫引擎技術，結合ArcGIS Engine組件技術，搭建專業(yè)應用系統(tǒng)開發(fā)框架，生成地下管線三維模型，并實現三維可視化的信息查詢與動態(tài)管理功能。

關鍵詞關鍵詞：地下管線；空間數據模型；三維可視化；ArcGIS

DOIDOI：10.11907/rjdk.143801

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2015）002007803

0引言

地下管線信息是城鎮(zhèn)現代化建設過程中不可或缺的基礎資料，也是城市決策的重要基礎資源之一。地下管線的隱蔽性、多變性和不確定性使地下管線信息成為城鎮(zhèn)建設、安全、應急、防災減災面臨的挑戰(zhàn)。因此，地下管線信息的即時獲取和科學高效的管理受到社會持續(xù)關注。近年來，地下管線信息化建設工作從逐漸進入人們視線過渡到了需求緊迫的階段。

城鎮(zhèn)地下管線包括給水、排水、電力、電信、燃氣等多種管線及其附屬設施，是城市的血脈和神經。地下管線信息化是充分利用地理信息技術，采集、管理、更新、維護地下管線數據，開發(fā)利用地下管線信息資源，促進地下管線信息交流與資源共享，并推動地下管線信息在城市運維中發(fā)揮重要作用的過程，它是推動城市現代化建設與管理的重要技術手段之一＼[12＼]。

隨著城市管線建設快速發(fā)展，二維地下管線信息已經不能夠很好地滿足需求。特別是在城市大規(guī)模建設并利用城市地下空間的背景下，建設了大量與地下管線相關的地下建筑物，這些地下建筑物中出現了管線共溝、多空管道、一井多蓋，以及垂直管道等大量地下管線設備交疊的空間投影信息重疊現象，這些現象二維地下管線信息難以完整表達＼[12＼]。此外，二維地下管線圖具有很強的專業(yè)技術特征，不能滿足城市發(fā)展進程中普通人員對地下管線數據直觀顯示日益強烈的需求。因此，有必要將地下管線數據的表示方法在二維的基礎上擴展到三維。三維地下管線信息能夠更加直觀地展示隱蔽于地面之下的、不可見的管線要素的空間分布、空間結構及空間關系，并與周圍地面建筑物匹配顯示，使城市管理者及非專業(yè)用戶都能夠更好地瀏覽、查詢并使用地下管線信息，是未來城市地下管線信息化工作的發(fā)展方向之一。

目前，針對地下管線三維可視化的研究與應用還比較少，本文構建了地下管線空間數據模型，實現了地下管線三維可視化，并在此基礎上搭建管線專用系統(tǒng)開發(fā)框架。

1地下管線空間數據結構

1.1地下管線概念層數據模型

為表達地下管線實體及其相互間的聯系，在對地下管線特征充分認識、完整抽象的基礎上＼[3＼]，依照業(yè)內普遍使用的地下管線數據標準，構建地下管線概念層數據模型，如圖1所示。地下管線數據模型是描述數據概念的集合，包括空間數據、屬性數據、數據關系及完整性約束條件等概念。

1.2地下管線組織層數據模型

將城市地下管線分為給水、排水、電力、電信、熱力、燃氣、工業(yè)、地下空間設施八大類。每個大類還可分為小類，如給水管線包括上水、循環(huán)水、消防、綠化。電信管線包括市話、長途、有線電視、寬帶等小類＼[12＼]。地下管線空間信息的幾何特征簡單，連通性強。地下管線空間信息幾何特征只有呈點狀分布的管井和呈線狀分布的管線。地下管線雖然種類較多，但其空間結構基本一致，一般都由管線點、管線段及其附屬設施構成，在GIS中均可用點和線進行描述。從幾何角度可以把這些對象分為點、線對象兩類，按空間維數分為零維對象（如三通、四通、閥門等），一維對象（如給水管線、燃氣管線），可以將上述實體分別設計為不同的對象類。

管井點位信息主要包括管井平面位置、高程、各種構筑物等。管線線段信息主要包括管徑、起止管點號、起止高程、管材、結構類型等。

圖1地下管線ER模型

與城市地下管線的八大類相對應，地下管線數據庫也可分為8個子庫：給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信、工業(yè)、地下空間設施。每個子庫包括多個數據層：管井點、管線線段、小室、管線輔助線等。其中主要數據層為管井點和管線線段，數據結構如表1和表2所示。

2地下管線數據建庫及可視化

2.1空間數據庫引擎

配置ArcSDE空間數據庫引擎，可將復雜的空間數據作為對象放在RDBMS中＼[4＼]，并提供管理和檢索數據的方法，以實現對海量數據進行松散存儲，并支持多用戶并發(fā)操作＼[5＼]。

ArcSDE空間數據庫引擎＼[6＼]在關系數據庫（如IBM DB2、Oracle、SQL Server等）的基礎上增加了處理空間數據的能力。ArcSDE空間數據庫引擎為RDBMS提供了GIS數據類型（如點、線、多邊形、以及這些feature之間的拓撲關系和投影坐標等相關信息），并提供了對這些基礎類型的操作。

2.2管線數據建庫及可視化

本文采用Xian_1980_GK_Zone_20作為投影坐標系，WGS 1984作為高程坐標系在ArcGIS中構建要素數據集，每個要素數據集對應一類地下管線。再在要素數據集中創(chuàng)建要素類＼[7＼]，如要素類water_supply_pipe_line對應給水管線線段，fuel_gas_famen對應燃氣閥門，fuel_gas_tiaoyaqi對應燃氣調壓器。這些要素類會映射為RDBMS數據庫中的關系表。

依據各類地下管網的拓撲規(guī)則，為各要素類添加數據。如下為添加一行燃氣管線線段對象的sql語句。

INSERT INTO fuel_gas_pipe_line（OBJECTID，SHAPE，PipeLineType，PipeRadius，Pressure）

VALUES（1，geometry：：STGeomFromText（'LINESTRING（-140 60 -10，-160 40 -10）'，2334），'供電'，80，'高'）；

對RDBMS數據庫中關系表進行的所有操作，都將映射在其空間圖形上。地下管線三維可視化如圖2所示。

圖2地下管線三維可視化

3系統(tǒng)應用開發(fā)及可視化

3.1系統(tǒng)功能設計

地下管線專用系統(tǒng)以實現城市地下管線數據動態(tài)管理和信息應用為目標，科學分析具有空間內涵的地理數據，以提供對規(guī)劃、管理、決策和研究所需的信息。該系統(tǒng)主要功能包括管線信息錄入、編輯更新、管線信息可視化選擇與查詢、圖形與屬性雙向查詢、統(tǒng)計分析、空間分析、輔助規(guī)劃、數據輸出等，如圖3所示。

3.2系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

采用SQL Server數據庫管理系統(tǒng)，結合ArcSDE，統(tǒng)一管理空間數據和屬性數據，實現數據高效管理和存儲優(yōu)化＼[8＼]。在Visual Studio .NET 開發(fā)環(huán)境中嵌入ArcGIS Engine組件＼[910＼]，采用C#作為系統(tǒng)開發(fā)語言，利用COM技術構建地下管線專用系統(tǒng)。

3.3應用功能實現

3.3.1管線數據錄入

交互式錄入管線數據，其中管線種類應選擇管線小類，如上水、循環(huán)水、消防、綠化等；坐標范圍應作限定，若輸入坐標超限，系統(tǒng)應提示錯誤，必須重新錄入。

圖3地下管線專用系統(tǒng)功能結構

3.3.2編輯管線屬性數據、空間數據，創(chuàng)建要素

地下管線數據具有很強的現勢性，伴隨時間的推移，必然有管線的變更、新增、廢除等事件不斷發(fā)生，這些事件會引起管線實體空間或屬性數據的變化。

可對已有管線的屬性和空間數據進行編輯更新（見圖4），可利用鼠標在相應管線圖層中手工繪制新的要素并精確定位，也可刪除、移動選中的圖形對象，所做的編輯更新會在數據庫中同步更新（見圖5）。

4結語

本文構建了地下管線空間數據模型，利用空間數據庫引擎技術基于ArcGIS實現了管線數據建庫及三維可視化，實現了地下管線專用系統(tǒng)基礎功能，為后期空間分析、開挖計算、干涉檢測、決策支持等高級功能的擴展奠定了基礎。由于尚處于研究階段，一方面還沒有一個較為完善的地下管線專用系統(tǒng)，需結合前期實踐，進一步研究針對管線數據的空間分析和數據挖掘，這將是本系統(tǒng)進一步研究的重點；另一方面地下管線三維數據集包括地上基礎數據和地下專題數據兩部分數據，為增強可視化效果，應在專題數據的基本上添加基礎數據，如地面建筑物模型、道路及其附屬設施等模型。

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責任編輯（責任編輯：孫娟）