三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖長(zhǎng)偉， 曲國(guó)鵬， 劉家興， 邱冬冬

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇徐州 221116)

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三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖長(zhǎng)偉， 曲國(guó)鵬， 劉家興， 邱冬冬

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 江蘇徐州 221116)

地下管網(wǎng)系統(tǒng)是城市建設(shè)和發(fā)展的生命線(xiàn)，三維地理信息系統(tǒng)為城市地下管網(wǎng)的數(shù)字化管理提供了先進(jìn)的技術(shù)，利用其在三維可視化和空間分析方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)系統(tǒng)的三維可視化、空間分析等基本功能，有助于管理者的管理、分析和決策。文章以曹妃甸港口三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)為例，對(duì)三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。

三維地理信息系統(tǒng)； 地下管網(wǎng)； 管理系統(tǒng)； 三維可視化

城市地下管網(wǎng)是一個(gè)極其龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，是城市建設(shè)的重要內(nèi)容和城市發(fā)展的生命線(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)的工作當(dāng)中，城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)種類(lèi)繁多、層次復(fù)雜、變動(dòng)頻繁，管理非常困難。隨著城市化進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)二維的地下管網(wǎng)管理模式難以對(duì)大量的管網(wǎng)信息進(jìn)行有效的描述和表達(dá)，因此，如何管理好城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)，更好的分析和決策成為管理者面對(duì)和解決的重要課題[1-2]。

隨著三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，其在城市三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用正成為一種趨勢(shì)。三維城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)不僅具備空間實(shí)體定義能力，而且具備三維可視化、空間查詢(xún)和空間分析能力，通過(guò)地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)可以將地下管網(wǎng)立體的表現(xiàn)出來(lái)，從而使其與其相關(guān)的屬性信息和圖表關(guān)聯(lián)起來(lái)，并可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行空間查詢(xún)、三維可視化、統(tǒng)計(jì)分析和管理決策等。同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)可以使得各個(gè)部門(mén)能夠共享地下管網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的快速更新[3-4]。

在三維城市地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上地上的房屋、道路、橋梁以及其他建筑物等三維模型，形成三維立體場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)城市地上和地下設(shè)施三維可視化，為城市的規(guī)劃管理、設(shè)計(jì)、施工等提供可視化、信息化的管理工具，有助于管理者快速、科學(xué)、準(zhǔn)確的進(jìn)行分析和決策。本文以曹妃甸港口三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)為例，對(duì)三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。

1 系統(tǒng)的總體框架

圖1為曹妃甸三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖。曹妃甸三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用分層式結(jié)構(gòu)，以地下管網(wǎng)模型庫(kù)、地上建筑物模型、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及管線(xiàn)專(zhuān)題數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)層，以ARCGIS為三維可視化和空間分析的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)三維地下管網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。綜合考慮目前曹妃甸港口地下管網(wǎng)的應(yīng)用需求及城市地下管線(xiàn)管理的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合三維地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的技術(shù)水平，三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)采用B/S和C/S混合的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，應(yīng)用系統(tǒng)既能滿(mǎn)足地下管網(wǎng)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用和管理的需求，又可以快速實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布、共享和維護(hù)[5]。

圖1 曹妃甸三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)庫(kù)的組織與設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)的“血液”，數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，該系統(tǒng)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)，主要分為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、地上建筑物三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)等[4]。

2.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

該系統(tǒng)以1:500地形圖為系統(tǒng)背景，直接采用AutoCAD2010的DXF文件格式存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)。

2.2 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)

管網(wǎng)的竣工資料和探測(cè)的結(jié)果大多是二維矢量點(diǎn)和線(xiàn)數(shù)據(jù)，其屬性主要包括管線(xiàn)的平面坐標(biāo)、高程、管線(xiàn)材質(zhì)、管徑、埋深等，該系統(tǒng)根據(jù)管線(xiàn)二維數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)、埋深、管徑等數(shù)據(jù)批量生成三維管線(xiàn)模型、關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，并且提取管線(xiàn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，自動(dòng)生成三維管線(xiàn)和彎頭。

2.3 地上建筑物三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)

地上建筑物三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括曹妃甸港口區(qū)地面建筑物(房屋和碼頭等)、道路、生產(chǎn)設(shè)備(皮帶機(jī)和裝卸機(jī)等)的三維模型數(shù)據(jù)[4]。

3 三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

三維地下管網(wǎng)空間錯(cuò)綜復(fù)雜，同一位置上不同深度會(huì)有不同類(lèi)型的管網(wǎng)重疊。為了便于城市地下管線(xiàn)的日常管理、屬性查詢(xún)以及管網(wǎng)數(shù)據(jù)的維護(hù)更新等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用需求，借助三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，從基礎(chǔ)功能模塊和空間分析應(yīng)用模塊兩方面實(shí)現(xiàn)其功能的開(kāi)發(fā)。

三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)基礎(chǔ)功能模塊主要包括用戶(hù)權(quán)限管理，管線(xiàn)數(shù)據(jù)的加載、修改和刪除，三維管網(wǎng)模型的編輯和維護(hù)，坐標(biāo)和屬性標(biāo)注，管線(xiàn)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，屬性查詢(xún)和區(qū)域查詢(xún)，簡(jiǎn)單條件查詢(xún)，區(qū)域統(tǒng)計(jì)等功能；還包括三維場(chǎng)景瀏覽、空間量測(cè)、管線(xiàn)信息查詢(xún)定位、閥門(mén)和水表信息查詢(xún)定位等功能；此外還包括地下管線(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析、橫斷面分析、流向分析、拓?fù)浞治鲆约肮芫€(xiàn)相交分析等專(zhuān)業(yè)分析功能，為管網(wǎng)管理各部門(mén)提供三維直觀、準(zhǔn)確的地下管網(wǎng)信息，為管網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供決策和依據(jù)。該系統(tǒng)提供二維管線(xiàn)和三維管線(xiàn)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了地下二維管線(xiàn)系統(tǒng)與地下三維管線(xiàn)系統(tǒng)的耦合，可以充分發(fā)揮二維管線(xiàn)系統(tǒng)在屬性查詢(xún)，分析等方面的長(zhǎng)處，又可以借助三維可視化技術(shù)對(duì)查詢(xún)、分析結(jié)果進(jìn)行三維展示，使得查詢(xún)和分析的結(jié)果更便于理解，真實(shí)反映規(guī)劃和施工現(xiàn)場(chǎng)的地下管線(xiàn)情況。

如圖2管線(xiàn)開(kāi)挖分析，針對(duì)地下管網(wǎng)管理過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的地面開(kāi)挖問(wèn)題，管網(wǎng)系統(tǒng)提供了任意區(qū)域的地面開(kāi)挖模擬，設(shè)置開(kāi)挖深度和邊界范圍，三維地形自動(dòng)塌陷，暴露出地下管網(wǎng)的分布情況。圖3拓?fù)浞治觯鶕?jù)指定的兩條管線(xiàn)，分析出連通這兩條管線(xiàn)的所有管線(xiàn)，此外還有爆管分析、流向分析、關(guān)閉水表分析及影響區(qū)域分析等功能，為管理和施工提供決策支持[4-5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

地下管網(wǎng)系統(tǒng)作為城市建設(shè)和發(fā)展的生命線(xiàn)，傳統(tǒng)的圖檔式二維管網(wǎng)管理系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)城市管線(xiàn)管理、更新、空間分析和決策的需要。本文開(kāi)發(fā)的曹妃甸港口三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)在一定程度上解決了目前城市地下管線(xiàn)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工管理等方面的實(shí)際問(wèn)題，極大的提高了管理

圖2 曹妃甸三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)開(kāi)挖分析效果圖

圖3 曹妃甸三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)連通性分析效果圖

部門(mén)的工作效率。

[1] 路玲玲.城市地下管網(wǎng)信息管理問(wèn)題研究[J].地域研究與開(kāi)發(fā)，2008,27(2)：47-50.

[2] 孟浩東.濱海高新區(qū)綜合管網(wǎng)規(guī)劃管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測(cè)，2012(3):12-15.

[3] 肖樂(lè)斌，鐘耳順，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等.三維GIS的基本問(wèn)題探討[J].中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào)，2001,24(9)：842-848.

[4] 吳健男，張占民，肖長(zhǎng)偉.基于三維GIS的港口地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].價(jià)值工程，2013(19):198-201.

[5] 姜波.三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測(cè)，2013，26(4):53-54.

肖長(zhǎng)偉(1986～)，男，碩士研究生，教師，研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)處理與GNSS導(dǎo)航星座精密軌道確定。

TU990.3

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[定稿日期]2016-06-30