地下管線三維可視化智能信息系統(tǒng)研究

趙志杰

（滄州市測繪院）

1 實例概況

1.1 某市地下管線的特點

某城市地下管線的特點包括：①地下管線包括給水、排水、電力、熱力、燃?xì)狻⒐I(yè)等管道，種類繁多；②各類管線的管理各自為政，例如，給水管道、排水或雨水管道屬市政公司管理，電力管道屬電業(yè)局管理，熱力管道屬熱力公司管理，各類管線的建設(shè)、管理與維護(hù)工作均由權(quán)屬單位負(fù)責(zé)；③地下管線的隱蔽性較強，因管線均鋪設(shè)于地下，最低覆土厚度為0.5m，甚至一些污水管埋設(shè)深度達(dá)到10m，另外，一些管線之間共溝鋪設(shè)，并且一些管線屬于私自建設(shè)，因此，無法準(zhǔn)確識別其種類；④地下管線的數(shù)據(jù)更新較快，因城市地下管線建設(shè)速度較快，并且隨著城市的發(fā)展在不斷擴(kuò)張，因此，城市地下管線的更新建設(shè)速度較快；⑤隨著科技的發(fā)展，地下管線建設(shè)技術(shù)日趨復(fù)雜，如非開挖技術(shù)等，各種工程塑料管、超高壓輸電電纜等都得到了廣泛的應(yīng)用，管線系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，如高壓力管道系統(tǒng)等。

1.2 地下管線數(shù)據(jù)

城市地下管線數(shù)據(jù)由管點和管線段組成，具有網(wǎng)絡(luò)化特點以及不同的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。屬性數(shù)據(jù)是建立三維管線模型以及進(jìn)行空間分析的必要條件，而且多數(shù)空間分析，都需要屬性數(shù)據(jù)的支持，因此，屬性數(shù)據(jù)的完整性對三維管線空間分析功能有一定的制約作用[1]。

2 三維地下可視化智能信息系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)總體框架

該市三維地下管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)為分層式結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)層為地上建筑物模型、地下管網(wǎng)模型庫、管線專題數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，三維可視化和空間分析的開發(fā)平臺為ARCGIS。通過對該市地下管線管理的發(fā)展趨勢以及地下管網(wǎng)的應(yīng)用需求進(jìn)行綜合考慮，并有效結(jié)合三維地理信息系統(tǒng)開發(fā)平臺，采用B/S和C/S混合的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)的開發(fā)，使該系統(tǒng)不僅可以滿足城市地下管網(wǎng)管理和應(yīng)用的需求，還可以實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布、共享和維護(hù)。

2.2 軟件環(huán)境與支撐平臺

該市地下管線三維可視化智能信息系統(tǒng)的二維與三維顯示技術(shù)由ARCGIS軟件平臺提供，并通過應(yīng)用C++面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)以及針對網(wǎng)絡(luò)分析的幾何網(wǎng)絡(luò)模型等，為城市地下綜合管線管理提供二維、三維交互式操作體驗，使地下管線能夠直觀、清晰地展現(xiàn)在使用者面前，從而有效提高地下管線的管理效率以及城市整體規(guī)劃的效率。

2.3 數(shù)據(jù)層

按照數(shù)據(jù)類型，城市地下管線三維場景數(shù)據(jù)可劃分成柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)2大類。其中，柵格數(shù)據(jù)主要包括DEM（數(shù)字高程模型）和DOM（文檔對象模型），其中的三維模型數(shù)據(jù)包括地上建筑模型和地下管線模型；矢量數(shù)據(jù)主要是點、線、面類型的數(shù)據(jù)。三維場景數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)集、工作空間、要素類、記錄行[2]。其中，要素類是數(shù)據(jù)組織的最小單位，在三維場景中，要素三維管線信息數(shù)據(jù)可以作為圖層，按照數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化顯示。

2.3.1 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是格網(wǎng)模型或者柵格數(shù)據(jù)模型，其表達(dá)形式較為簡單，主要通過相鄰、連續(xù)、規(guī)則分布的柵格單元或像元表達(dá)空間對象。在城市地下管線測繪中，柵格數(shù)據(jù)主要來源于高分辨率航測影像、衛(wèi)星影像以及數(shù)字產(chǎn)品，柵格數(shù)據(jù)通過加工后，可以作為城市管線的基礎(chǔ)底圖。

2.3.2 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過對實體坐標(biāo)及其關(guān)系進(jìn)行記錄，精確表現(xiàn)點、線、多邊形等地理實體，是一種數(shù)據(jù)組織方式，并以幾何空間坐標(biāo)為基礎(chǔ)，記錄取樣點坐標(biāo)，可以對任意位置、長度以及面積進(jìn)行精確定義。這種數(shù)據(jù)組織方式具有數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)存儲的冗余度低、便于進(jìn)行地理實體的網(wǎng)絡(luò)分析等優(yōu)點，能較好地模擬地理實體的空間分布特征。城市管線中的矢量數(shù)據(jù)主要由管線特征點、管線地面井位與管線線位等數(shù)據(jù)組成，其中管線的關(guān)節(jié)節(jié)點為井位與管線特征點，通過關(guān)節(jié)節(jié)點之間的鏈接，可以表示管線線位，通過實測管線埋深與關(guān)節(jié)節(jié)點空間坐標(biāo)，確定管線線位空間位置，并以矢量線數(shù)據(jù)表示。

2.4 平臺層

平臺層的功能模塊包括平臺工具以及三維基礎(chǔ)地理信息平臺。通過從數(shù)據(jù)層獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行編譯處理以及自動化建模實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、搜索和分析功能，還可以實現(xiàn)管線的發(fā)布與更新，更新重新鋪設(shè)的管線數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的實時更新，使管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時性得到提高。

圖1 子系統(tǒng)總體框架

2.5 服務(wù)層與用戶層

服務(wù)層可以劃分成管線綜合管理子系統(tǒng)、管線共享平臺和管線共享應(yīng)用子系統(tǒng)，向用戶提供管線數(shù)據(jù)的應(yīng)用、管理、共享、維護(hù)和安全保護(hù)等方面的支持。服務(wù)層采用B/S和C/S相結(jié)合的架構(gòu)，其中，B/S供相關(guān)政府部門和各權(quán)屬單位使用，C/S供內(nèi)網(wǎng)用戶使用。

2.6 地下管線三維可視化子系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，地下管線三維可視化子模塊系統(tǒng)主要使用數(shù)據(jù)庫子模塊提供的控制信息以及數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的交互式查詢、數(shù)據(jù)動態(tài)表達(dá)、節(jié)點信息可視化、空間分析及可視化、多媒體顯示等功能。

可視化查詢子系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，可以及時反映城市地下管線的信息動態(tài)，從而實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的可視化查詢，并將信息及時、直觀的傳遞給用戶。

3 三維地下管線可視化信息系統(tǒng)功能

3.1 實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)的一體化管理

三維可視化地下管線信息系統(tǒng)可以提供完整的管線數(shù)據(jù)管理功能，通過對地上管廊、架空管線、地下管溝等的專業(yè)處理以及真實展現(xiàn)，從而實現(xiàn)地下空間數(shù)據(jù)的一體化管理，實現(xiàn)地上、地下一體化以及室內(nèi)、室外一體化。

3.2 實現(xiàn)地下管線歷史空間數(shù)據(jù)的管理

在建設(shè)地下管線三維可視化信息系統(tǒng)的過程中，因地下管線數(shù)據(jù)會在時間、空間上不斷發(fā)生變化，因此，在管線實體數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，可以采用增量式歷史數(shù)據(jù)管理方式，將變化后的數(shù)據(jù)存儲為現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，將變化前的數(shù)據(jù)存儲為歷史信息。

4 結(jié)語

城市三維地下管線可視化信息系統(tǒng)可以在保持?jǐn)U展性和靈活性的前提下，集成不同部門業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)與平臺服務(wù)，實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的可視化、管理、應(yīng)用以及共享，從而滿足共享平臺建設(shè)需求，促進(jìn)城市地下管線管理水平的提高。