三維城市地下管線模型的緩沖區(qū)分析

王秀超

摘要：城市地下管線作為城市信息傳輸、物質(zhì)運(yùn)送的生命線，在城市基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，各地三維城市地下管線的建設(shè)也取得了一定的進(jìn)展。在對(duì)三維管線的空間分析中，緩沖區(qū)分析存在于管線的設(shè)計(jì)、鋪設(shè)、維護(hù)的各個(gè)階段，具有重要的作用。本文介紹一種三維城市地下管線緩沖區(qū)分析的算法。

Abstract： Urban underground pipeline plays an important role in urban infrastructure as the lifeline of the city for the information and material transportation. The speed of the construction of 3D urban underground pipeline progressed rapidly recent years with the development of the Smart City. Buffer analysis is important for the spatial analysis of the 3D urban underground pipeline and it exists in various stages of the pipeline's design， laying and maintenance. In this paper， a new algorithm for the analysis of 3D urban underground pipeline buffer is introduced.

關(guān)鍵詞：三維管線；緩沖區(qū)分析；市政建設(shè)

Key words： 3D-pipeline；buffer analysis；municipal construction

中圖分類號(hào)：TU990.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）10-0123-03

0 引言

城市地下管線是城市規(guī)劃建設(shè)的重要內(nèi)容，也是保障城市生存和發(fā)展的重要設(shè)施和生命線，與人民的日常生活息息相關(guān)。地下管線的管理與建設(shè)是市政建設(shè)的重要內(nèi)容，而管線數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量大、分布范圍廣、空間分布復(fù)雜、形成時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，使得計(jì)算機(jī)管理技術(shù)在城市管線的科學(xué)管理中越來(lái)越發(fā)揮著重要的作用。在三維管線模型的分析中，緩沖區(qū)分析占據(jù)著極大的比重，管線的日常維護(hù)、開(kāi)挖、選址以及建筑設(shè)計(jì)中確定建筑物的影響范圍等，都可以利用緩沖區(qū)分析功能作為工具，以期取得特定的效果。二維空間的緩沖區(qū)建立的研究已日趨成熟，如Ronggui在《柵格緩沖和矢量分析算法的聯(lián)合研究》中對(duì)比了矢量緩沖區(qū)分析和柵格緩沖區(qū)分析兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種柵格和矢量合并進(jìn)行緩沖區(qū)分析的算法，以解決各種情況下的緩沖區(qū)問(wèn)題；崔爽在《基于空間實(shí)體的緩沖區(qū)算法》中提出了對(duì)空間實(shí)體的大小進(jìn)行計(jì)算，傳統(tǒng)緩沖區(qū)分析中空間實(shí)體分析的間隔問(wèn)題。

然而隨著智慧城市的發(fā)展，二維空間的緩沖區(qū)分析的定義已不能適應(yīng)三維可視化空間分析，因此，三維空間的緩沖區(qū)分析的研究越發(fā)重要起來(lái)。《基于布爾運(yùn)算的高效三維矢量緩沖區(qū)算法》中劉新明提出了快速建立三維空間實(shí)體緩沖區(qū)的算法，邱華在《三維數(shù)據(jù)的生成及緩沖區(qū)分析》中使用距離變換方法實(shí)現(xiàn)了三維緩沖區(qū)分析。本文將主要討論三維管線的緩沖區(qū)問(wèn)題并提出一種便捷方法。

1 緩沖區(qū)分析簡(jiǎn)介

定義1：基于空間鄰近的定義，緩沖區(qū)的建立可以將地圖分為兩部分，一部分位于選擇的空間實(shí)體的指定距離之內(nèi)，另一部分在指定距離之外，指定距離之內(nèi)的區(qū)域稱為緩沖區(qū)[1]。

定義2：緩沖是指地理空間實(shí)體的影響或服務(wù)范圍。

定義3：設(shè)三維空間中指定一個(gè)距離r，三維實(shí)體周圍d范圍內(nèi)所有區(qū)域稱為實(shí)體o的緩沖區(qū)，其中d小于r：

B={p：d（p，o）？燮r}

其中B代表三維緩沖區(qū)，o為三維實(shí)體本身，d（p，o）為緩沖區(qū)邊緣到實(shí)體的距離，p為緩沖區(qū)邊緣，r代表給定的距離的值。

三維GIS空間分析主要包含四個(gè)要素：點(diǎn)、線、面和體，因此三維緩沖區(qū)分析可以分為四個(gè)部分[2]。

1.1 空間點(diǎn)的緩沖區(qū)分析

具體步驟如下所示：

①計(jì)算緩沖區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)（xi0，yi0，zi0），其中i為與管線相同的類別，如熱力管線等；

②根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行路徑分析，生成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，其中中心節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)；

③計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)域?yàn)椋築ij={xi：d（xj，o）r+r0}；

④計(jì)算根節(jié)點(diǎn)到各子節(jié)點(diǎn)之間管線的緩沖區(qū)區(qū)域，線狀實(shí)體的緩沖區(qū)為：Lij={lij：d（lij，o）r+r0}∪Bi0∪Bj0；

⑤將節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)與線狀緩沖區(qū)疊加，通過(guò)對(duì)點(diǎn)實(shí)體和線實(shí)體的空間互操作，可以形成管線i的緩沖區(qū)；

⑥重復(fù)①～⑤，計(jì)算不同種類管線的緩沖區(qū)；

⑦疊加不同類別管線緩沖區(qū)。

3 管網(wǎng)緩沖區(qū)的應(yīng)用

3.1 管網(wǎng)選址分析

管線設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到新管線需要融入到整個(gè)城市管線系統(tǒng)中，需要確定新鋪設(shè)管線的最佳路徑，因此需要將現(xiàn)存的管線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，以半徑r1（r1為已有管線與新管線的安全距離）作為半徑對(duì)管網(wǎng)生成緩沖區(qū)，并檢測(cè)新管線與管網(wǎng)緩沖區(qū)有交叉區(qū)域。如存在交叉，則需改變新管線的路徑，直至新管線與原有管線無(wú)交集為止。

3.2 確定影響范圍

在城市運(yùn)行中，經(jīng)常發(fā)生管線爆裂、閥門(mén)失效等管線事故，從而導(dǎo)致管線泄漏。通過(guò)管線的屬性信息、事故原因及發(fā)生時(shí)間可以通過(guò)緩沖區(qū)分析計(jì)算管線泄漏的影響范圍，并給出相應(yīng)的輔助決策。如圖2所示，通過(guò)對(duì)某區(qū)域特定管線的緩沖區(qū)分析，可以搜尋出一定范圍內(nèi)受影響的管線的數(shù)量、類型、位置等信息，以及管線是否與建筑物發(fā)生碰撞，在得到相關(guān)信息后將事故緩沖區(qū)圖與當(dāng)前數(shù)字三維城市場(chǎng)景相疊加，還可以模擬出事故發(fā)生后受影響的管線、建筑物等的數(shù)量、范圍等，如天然氣事故后受影響將暫停供氣的建筑數(shù)量、供水管線爆裂后淹沒(méi)的范圍等等。

3.3 管線維護(hù)

過(guò)去由于信息的缺失和通訊手段的落后，管線的檢測(cè)系統(tǒng)一直得不到完善，為管線維護(hù)造成了極大的困難，例如當(dāng)管線發(fā)生泄漏時(shí)，對(duì)管線泄漏點(diǎn)進(jìn)行挖掘時(shí)非常容易破壞到其他管線，造成更大方面的事故，使得管線維護(hù)工作量加重甚至引發(fā)各種社會(huì)問(wèn)題。

使用三維管線的緩沖區(qū)分析功能時(shí)，在管網(wǎng)維護(hù)之前，確定所需維護(hù)管線區(qū)域后，在三維場(chǎng)景中查找管道的維護(hù)情況，根據(jù)管線的屬性信息和相鄰管線（安全施工距離）確定管道緩沖區(qū)的屬性信息。確定緩沖區(qū)后，覆蓋基本地理模型和緩沖區(qū)，確定施工現(xiàn)場(chǎng)和土方開(kāi)挖位置，如圖3所示。

4 總結(jié)

隨著數(shù)字城市和智慧城市的持續(xù)發(fā)展，三維城市的建設(shè)不斷進(jìn)步，三維城市地下管線的管理和分析必將受到逐步的重視。通過(guò)對(duì)三維管線的緩沖區(qū)分析研究，可以有效地解決目前地下管線易受破壞，難以維護(hù)的狀況，有效地提高地下管線的管理和維護(hù)水平，實(shí)現(xiàn)管線維護(hù)的智能化。

參考文獻(xiàn)：

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