基于GIS的城市地下管線綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

【摘要】文中對(duì)GIS技術(shù)在城市地下管線的現(xiàn)代信息化管理應(yīng)用方式進(jìn)行了研究，報(bào)告了隨著城市快速發(fā)展，地下管線海量數(shù)據(jù)管理困難的現(xiàn)狀，提出了使用主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)建立地下管線時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)、基于GIS技術(shù)構(gòu)建二維、三維一體化管線綜合可視化管理平臺(tái)的系統(tǒng)建設(shè)路線，說明了系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)和核心功能建設(shè)，并介紹了一種基于ArcGIS Pro平臺(tái)和PostGIS等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用方式。

【關(guān)鍵詞】GIS；城市地下管線；二維、三維一體化

【中圖分類號(hào)】TU990.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0110-03

0 引言

城市地下管線類別眾多，包括供水管線、給水管線、電力管線、燃?xì)夤芫€、通信管線等，分別由水務(wù)、安監(jiān)、城管等不同部門對(duì)管線進(jìn)行普查、維護(hù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的人工管理方式已無法滿足當(dāng)前管理需要。

地下管線在規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)階段，往往存在差異，增加了管理的難度。因此，亟須利用信息化手段，結(jié)合空間拓?fù)涞燃夹g(shù)，清洗和整合管線數(shù)據(jù)，構(gòu)建歷史、現(xiàn)狀與規(guī)劃維度的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。為了便于數(shù)據(jù)交換共享，建庫(kù)時(shí)需統(tǒng)一規(guī)范并兼顧多方要求，涵蓋各類管線成果。由于城市管線多埋設(shè)于地下，在相同地理位置下存在不同深度的各類管線，僅通過二維平面無法直觀掌握管線的空間聯(lián)通關(guān)系，更無法提供更多使用價(jià)值，因此需搭建三維可視化模塊。因顧及城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等需求，結(jié)合城市空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情況，利用計(jì)算機(jī)、信息工程、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，建立具有空間化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的二維、三維城市地下管線綜合管理系統(tǒng)，是現(xiàn)代城市發(fā)展的必然選擇[1-2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

城市地下管線綜合管理系統(tǒng)由二維系統(tǒng)、三維系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)組成，擁有對(duì)地下管線數(shù)據(jù)的入庫(kù)、檢查、統(tǒng)計(jì)、分析、顯示、編輯、輸出、建模等功能。系統(tǒng)采用分層的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和用戶層。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層：支撐系統(tǒng)運(yùn)行的硬件、網(wǎng)絡(luò)、軟件，包括服務(wù)器、局域網(wǎng)、操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用軟件等內(nèi)容。

2）數(shù)據(jù)層：用于地下管線日常管理工作的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、地下管線時(shí)空數(shù)據(jù)，為地下管線管理工作提供數(shù)據(jù)支撐。

3）服務(wù)層：支撐系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)業(yè)務(wù)與服務(wù)接口，包括搜索引擎、屬性數(shù)據(jù)訪問引擎、空間數(shù)據(jù)訪問引擎、二維地圖訪問引擎、三維地圖訪問引擎等。

4）應(yīng)用層：系統(tǒng)構(gòu)建的功能應(yīng)用層。其中二維系統(tǒng)主要建設(shè)數(shù)據(jù)入庫(kù)管理、數(shù)據(jù)可視化管理、三維模型生成、后臺(tái)管理等模塊；三維系統(tǒng)主要建設(shè)三維可視化瀏覽、三維分析、規(guī)劃設(shè)計(jì)等模塊。

5）用戶層：用戶與系統(tǒng)交互的界面層，提供系統(tǒng)入口。分為一般用戶、勘測(cè)用戶、設(shè)計(jì)用戶和管理員。一般用戶在系統(tǒng)中具有數(shù)據(jù)瀏覽、查詢的權(quán)限；勘測(cè)用戶具有數(shù)據(jù)入庫(kù)、導(dǎo)出的權(quán)限，負(fù)責(zé)現(xiàn)狀庫(kù)和歷史庫(kù)的維護(hù)；設(shè)計(jì)用戶具有數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、路徑規(guī)劃的權(quán)限，負(fù)責(zé)規(guī)劃庫(kù)的維護(hù)；管理員具有系統(tǒng)所有權(quán)限。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

城市地下管線綜合管理系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)、GIS、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)手段，從地下管線項(xiàng)目管理需求出發(fā)，結(jié)合地下管線時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)地下管線項(xiàng)目管理工作的高效管理，為便捷、信息化辦公和輔助決策提供統(tǒng)一的地理信息功能服務(wù)。

1）ORM框架。ORM框架是建立在ADO.NET之上的高層抽象，它封裝了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問細(xì)節(jié)，并提供了面向?qū)ο蟮姆绞絹磉M(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作。ORM框架通過將數(shù)據(jù)庫(kù)表映射為對(duì)象，將查詢結(jié)果映射為對(duì)象集合，利用面向?qū)ο蟮乃枷牒?jiǎn)化數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)操作。

2）ArcSDE技術(shù)。ArcSDE是ArcGIS與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)間的數(shù)據(jù)通道，是一款空間數(shù)據(jù)引擎，通過ArcSDE可基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)高效地存儲(chǔ)和使用空間數(shù)據(jù)，支持主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，包括Oracle、MySQL、SQL Server、PostgreSQL等標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。

1.3 技術(shù)路線

城市地下管線綜合管理系統(tǒng)的總體技術(shù)路線如下。①基于開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)搭建管線時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，利用商業(yè)GIS平臺(tái)開發(fā)城市地下管線綜合管理系統(tǒng)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化地理信息服務(wù)平臺(tái)。②基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)管理。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)是一種使用表形式來存儲(chǔ)和管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，適合數(shù)據(jù)的搜索、分析和管理。傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)將屬性與空間分開存儲(chǔ)，不滿足管線數(shù)據(jù)的管理需求，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理空間和非空間數(shù)據(jù)，更符合城市地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的需要。③面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)原則。面向?qū)ο笫且环N編程范式，它以對(duì)象為基本單元進(jìn)行軟件開發(fā)，強(qiáng)調(diào)將數(shù)據(jù)和行為封裝在對(duì)象內(nèi)部，通過對(duì)象之間的交互來完成系統(tǒng)的功能。

2 核心功能建設(shè)

2.1 二維系統(tǒng)

二維系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管線數(shù)據(jù)的入庫(kù)、查詢、瀏覽、分析、導(dǎo)出與三維模型生成，建立數(shù)據(jù)更新機(jī)制，保證管線時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)管理。

1）數(shù)據(jù)入庫(kù)管理模塊。地下管線入庫(kù)管理是系統(tǒng)建設(shè)的核心功能模塊，通過對(duì)管線進(jìn)行入庫(kù)管理，保證了管線數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性[3]。①數(shù)據(jù)導(dǎo)入。支持對(duì)特定格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入，包括管線探測(cè)成果表、CAD成果圖紙等格式，并支持多批次管線數(shù)據(jù)的一鍵導(dǎo)入。②數(shù)據(jù)檢查。對(duì)導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，包括數(shù)據(jù)完整性檢查、邏輯一致性檢查、管線連通性檢查、管線拓?fù)錂z查等，輸出檢查結(jié)果，支持對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的糾正和檢查結(jié)果的導(dǎo)出。③管線成圖與入庫(kù)。對(duì)于符合入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)的管線數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊生成即可將管線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)，在地圖上高亮顯示實(shí)現(xiàn)預(yù)入庫(kù)，并支持與存量管線數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加成圖顯示，通過設(shè)置空間容差自動(dòng)對(duì)比計(jì)算管線重疊情況，支持對(duì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的入庫(kù)與歷史管線數(shù)據(jù)的狀態(tài)維護(hù)。④管線數(shù)據(jù)編輯。對(duì)于已入庫(kù)的管線，支持手動(dòng)編輯調(diào)整，維護(hù)數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性。管線數(shù)據(jù)更新時(shí)，聯(lián)動(dòng)維護(hù)管點(diǎn)數(shù)據(jù)，保持點(diǎn)線連通性。⑤管線版本管理。支持管線數(shù)據(jù)的版本管理，包括數(shù)據(jù)的版本維護(hù)、版本履歷瀏覽、歷史數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)回溯等功能。

2）數(shù)據(jù)可視化管理模塊。管線數(shù)據(jù)可視化瀏覽模塊包括地圖的基本操作，支持管線歷史庫(kù)、現(xiàn)狀庫(kù)、規(guī)劃庫(kù)三種時(shí)空狀態(tài)下的數(shù)據(jù)展示[4]。①地圖可視化瀏覽。包含地圖瀏覽與量測(cè)、圖層管理、地圖輸出等常用功能。②數(shù)據(jù)查詢。支持屬性、時(shí)間、空間等多維度的數(shù)據(jù)查詢模式，包括空間坐標(biāo)查詢、權(quán)屬及探測(cè)單位查詢、所在道路查詢、管徑查詢、管材查詢、附屬物查詢等，支持模糊檢索與精確查詢，查詢結(jié)果以列表進(jìn)行展示，結(jié)果支持雙擊定位。③數(shù)據(jù)分析。支持對(duì)管線數(shù)據(jù)的空間位置、類型、特征、材質(zhì)、權(quán)屬單位等多個(gè)維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果以圖表形式直觀展示。④數(shù)據(jù)導(dǎo)出。支持對(duì)管線數(shù)據(jù)的多模式、多格式導(dǎo)出，滿足數(shù)據(jù)交換的需求。多模式包括空間選擇、時(shí)間選擇、屬性選擇等導(dǎo)出模式，多格式包括管線成果表、管線成果圖、三維管線立體模型等數(shù)據(jù)格式。

3）三維模型生成模塊。為保證管線二三維入庫(kù)數(shù)據(jù)的一致性，滿足相關(guān)數(shù)據(jù)共享和管線立體渲染的需求，需對(duì)管線三維模型進(jìn)行同步生成。由于管線數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)需具備由二維管線自動(dòng)構(gòu)建三維模型的能力。地下管線建模主要包括管體對(duì)象建模與管點(diǎn)附屬物建模兩大類：①管體對(duì)象建模。利用地下管線空間對(duì)象，按照各自的斷面尺寸，制作與管體走向一致的具有真實(shí)斷面尺寸的管體三維模型，涵蓋直埋、空管、非空管、溝道、非溝道等各種類別。②管點(diǎn)附屬物建模。不同類型的地下管線管點(diǎn)附屬物的類型各不相同，且這些空間形態(tài)信息在管線探測(cè)和測(cè)繪時(shí)常未采集，對(duì)于管點(diǎn)附屬物對(duì)象的三維建模須對(duì)這些管點(diǎn)附屬物對(duì)象進(jìn)行概況和綜合。在實(shí)際三維建模中將各種管點(diǎn)所占有的地下空間范圍進(jìn)行表達(dá)，包括直徑、最低點(diǎn)高程、最高點(diǎn)高程等信息。

4）后臺(tái)管理模塊。后臺(tái)管理主要對(duì)支撐系統(tǒng)運(yùn)行的對(duì)象進(jìn)行管理，包括用戶管理、部門管理、單位管理、角色管理、權(quán)限管理、功能管理、日志管理、后臺(tái)監(jiān)控、數(shù)據(jù)備份等內(nèi)容。

2.2 三維系統(tǒng)

三維系統(tǒng)基于統(tǒng)一的地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建，利用航拍圖、遙感圖、地形圖等數(shù)據(jù)，疊加地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維地形場(chǎng)景，疊加相關(guān)資源圖層，實(shí)現(xiàn)三維立體場(chǎng)景可視化瀏覽，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用。

1）三維可視化瀏覽模塊。三維可視化瀏覽模塊涵蓋地圖瀏覽基礎(chǔ)功能，包括地圖瀏覽、路徑漫游、地圖量測(cè)、查詢定位等功能，并支持與二維地圖的聯(lián)動(dòng)渲染。

2）三維分析模塊。系統(tǒng)提供豐富的三維分析功能，包括基于指定空間位置的管線斷面分析；基于管線連通性的連通分析、爆管分析；基于管線深度的開挖分析；基于現(xiàn)狀管線的碰撞分析等。通過這些功能可快速掌握管線現(xiàn)狀情況，為管線敷設(shè)、更新、規(guī)劃設(shè)計(jì)等工作提供決策支持。

3）規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊。規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊自動(dòng)加載現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)，支持規(guī)劃管線的導(dǎo)入、編輯、檢查與成果的導(dǎo)出。①模型導(dǎo)入。支持自定義管線模型的導(dǎo)入，并支持多種模型的對(duì)比展示；②數(shù)據(jù)編輯。支持對(duì)導(dǎo)入的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，包括管線數(shù)據(jù)的立體編輯、模型貼圖的更新；③數(shù)據(jù)檢查。支持對(duì)規(guī)劃與現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)的碰撞分析，將分析結(jié)果在地圖中高亮渲染；④模型導(dǎo)出。規(guī)劃管線支持通用三維模型fbx格式的導(dǎo)出。

3 實(shí)現(xiàn)思路

由于地下管線數(shù)據(jù)具有數(shù)量龐大、密集，種類復(fù)雜等特性，在系統(tǒng)建設(shè)中需綜合考慮安全、性能、使用穩(wěn)定性等多方面需求，并充分遵循實(shí)用性、高擴(kuò)展性、先進(jìn)性、統(tǒng)一性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等原則進(jìn)行建設(shè)。為滿足相關(guān)應(yīng)用，城市地下管線綜合管理系統(tǒng)基于ArcGIS Pro平臺(tái)二次開發(fā)，構(gòu)建二三維相關(guān)應(yīng)用。業(yè)務(wù)庫(kù)與管線時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)采用PostgreSQL與PostGIS擴(kuò)展的方式建設(shè)。

3.1 ArcGIS Pro平臺(tái)

從平臺(tái)建設(shè)的實(shí)用性、統(tǒng)一性、先進(jìn)性、可靠性等原則出發(fā)，使用ArcGIS Pro平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)構(gòu)建城市地下管線綜合管理[5]。ArcGIS Pro平臺(tái)具有先進(jìn)的地理信息處理和分析能力，支持二維地圖與三維場(chǎng)景的一體化應(yīng)用，原生64位多線程模塊化應(yīng)用程序，支持GPU加速和多線程處理，相較ArcMap在功能和性能上均有很大的提升。平臺(tái)提供豐富的二次開發(fā)接口，支持Pro UI的自定義配置和業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。提供場(chǎng)景圖層包的加載方式，優(yōu)化了數(shù)據(jù)的加載和顯示速度，提升了三維場(chǎng)景的流暢性。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)從統(tǒng)一性，經(jīng)濟(jì)性，高擴(kuò)展性等原則出發(fā)，使用 PostgreSQL與PostGIS擴(kuò)展進(jìn)行搭建，以實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和管線時(shí)空數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。為滿足海量管線數(shù)據(jù)應(yīng)用加載的需求，通過創(chuàng)建索引的方式，提升數(shù)據(jù)查詢性能。

PostgreSQL是一種功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具備豐富的數(shù)據(jù)類型支持和靈活的擴(kuò)展能力，適合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。PostGIS是針對(duì)PostgreSQL的空間數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展，提供了豐富的地理空間函數(shù)和操作，支持多種幾何類型和空間索引，能夠高效地進(jìn)行空間查詢和分析。通過使用PostGIS擴(kuò)展，可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中直接存儲(chǔ)、查詢和操作地理空間數(shù)據(jù)。為加速數(shù)據(jù)的查詢性能，需創(chuàng)建合適的索引。B-tree是常用的數(shù)據(jù)庫(kù)索引類型，適用于順序數(shù)據(jù)的高效檢索。它采用平衡樹結(jié)構(gòu)，能夠保持較好的查詢性能和插入、刪除操作的平衡；Gist是一種通用的索引結(jié)構(gòu)，能夠支持各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型和自定義的查詢操作。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)通過PostgreSQL建立，并構(gòu)建B-tree索引；管線空間數(shù)據(jù)庫(kù)通過PostGIS擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，使用Gist索引。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于GIS技術(shù)構(gòu)建的地下管線綜合管理系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、核心功能與實(shí)現(xiàn)思路。系統(tǒng)以管線入庫(kù)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、三維可視化管理需求為導(dǎo)向，基于二三維GIS技術(shù)開發(fā)城市地下管線綜合管理系統(tǒng)，建立地下管線時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚仁春，郭明武，王明.城市地下管線綜合信息平臺(tái)研究[J].測(cè)繪地理信息，2018，43（1）：115-118.

[2] 史宜南，代偵勇，劉鵬.二三維一體化的數(shù)字地名管理系統(tǒng)開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪地理信息，2015，40（1）：84-86.

[3] 吳飛宇.城市地下管線信息管理平臺(tái)構(gòu)建及動(dòng)態(tài)更新[J].城市勘測(cè)，2023（6）：183-186.

[4] 曾有，劉昶，王海旭，等.地下管線數(shù)據(jù)處理與成圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].城市勘測(cè)，2023（S1）：147-151.

[5] 賀楠，翟石艷，劉歡.基于ArcGIS Pro和CityEngine的2D/3D一體化的農(nóng)村社區(qū)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].信息記錄材料，2019，20（3）：68-71.

[作者簡(jiǎn)介]陳子輝（1993—），男，湖北大冶人，本科，工程師，研究方向：測(cè)繪、GIS和導(dǎo)航電子地圖。