二三維一體化地下管線管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

吳穎斌 徐啟恒

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.東莞市國土資源局，廣東 東莞 523129；3.東莞市測(cè)繪院，廣東 東莞 523129）

地下管線承擔(dān)著傳輸信息、傳輸能量和排送資源的任務(wù)，是城市的生命線。傳統(tǒng)的地下管網(wǎng)管理方式主要是地形測(cè)繪和數(shù)據(jù)建庫，而管網(wǎng)數(shù)據(jù)在地下空間是立體分布的，且地下立體分布關(guān)系復(fù)雜［1-2］。隨著新建、改建及擴(kuò)建工程逐漸加多，城市地下管網(wǎng)的管理難度逐漸加大，因而對(duì)管網(wǎng)的精細(xì)化管理迫在眉捷。

傳統(tǒng)的管線管理模式一般基于CAD和ARCGIS，這種方式能夠描述管線的基本屬性信息和空間分布信息，但對(duì)管線的空間立體特征和相互之間的空間交錯(cuò)關(guān)系等難以精確直觀地描述，且大多管網(wǎng)是立體管材，基于二維的管理方式無法對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行有效的描述和表達(dá)。

三維的地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)是涉及管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、管網(wǎng)數(shù)據(jù)建庫、管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新、管網(wǎng)定位、管網(wǎng)三維空間布局可視化等方面的綜合管理系統(tǒng)，系統(tǒng)將管線對(duì)象以一維、二維方式存儲(chǔ)和管理，以三維模型方式進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、展示和對(duì)象化分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

StampGIS平臺(tái)采用面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源、海量基礎(chǔ)空間信息資源的瀏覽、管理和服務(wù)發(fā)布，并提供便捷、直觀的二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)二三維一體化、地上地下一體化、室內(nèi)室外一體化、360度全景、B/S與C/S一體化等核心功能，為管理人員提供多角度、多方式的查詢、瀏覽、分析功能。

系統(tǒng)基于數(shù)字測(cè)量技術(shù)，支持三維模型數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)城市三維模型高質(zhì)量、低成本生產(chǎn)。同時(shí)，平臺(tái)支持光照貼圖、效果渲染等，使場(chǎng)景具有非常逼真的動(dòng)靜態(tài)效果，支持多層紋理技術(shù)、骨骼動(dòng)畫、普通動(dòng)畫、動(dòng)畫紋理、視頻紋理及片狀樹等三維渲染效果，三維動(dòng)態(tài)水面、三維粒子系統(tǒng)等特效，豐富了數(shù)據(jù)展示角度。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基于文件格式和數(shù)據(jù)庫（Oracle）兩種方式，平臺(tái)通過數(shù)據(jù)庫形式將三維模型數(shù)據(jù)以文件集存放于數(shù)據(jù)庫中，并通過空間屬性進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的高效加載、瀏覽、管理與更新。

1.1 二三維一體化設(shè)計(jì)

二維數(shù)據(jù)具有廣泛使用的特性，包括抽象、宏觀、綜合、易于空間分析、數(shù)據(jù)組織簡(jiǎn)單等，是常用應(yīng)用系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)格式；三維數(shù)據(jù)在效果展示、直觀表達(dá)、空間立體分析等方面，具有二維數(shù)據(jù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)［3］。由于三維數(shù)據(jù)建模技術(shù)、生成技術(shù)、組織方式等方面的影響，三維數(shù)據(jù)量龐大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)組織無規(guī)則，并且在數(shù)據(jù)關(guān)系化、結(jié)構(gòu)化等方面不如二維數(shù)據(jù)規(guī)則。

如何使二維三維數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一的平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)二三維一體化應(yīng)用，最大程度發(fā)揮二三維數(shù)據(jù)的各自優(yōu)勢(shì)，是目前三維發(fā)展的核心。平臺(tái)通過“映射”技術(shù)，將二維數(shù)據(jù)映射到有地形起伏的三維空間上，實(shí)現(xiàn)真正意義上的二三維一體化（如圖1）。

圖1 二維數(shù)據(jù)、三維模型一體化（左）和地下空間二三維一體化（右）

1.2 基于B/S架構(gòu)的三維系統(tǒng)

傳統(tǒng)的三維平臺(tái)多為C/S結(jié)構(gòu)，側(cè)重于數(shù)據(jù)的處理、瀏覽、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析，對(duì)客戶端要求較高，平臺(tái)分發(fā)性能和通用性能較低，而基于B/S結(jié)構(gòu)的三維平臺(tái)，對(duì)三維使用客戶端要求相對(duì)較低，并且可便捷地實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)瀏覽、分發(fā)、跨平臺(tái)使用等，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的平臺(tái)無關(guān)性，跨系統(tǒng)獲取、共享和使用。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于三維平臺(tái)的管線管理系統(tǒng)應(yīng)滿足常用的日常管理和分析需要，并結(jié)合主流三維平臺(tái)，管理系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)如表1。

2 管線數(shù)據(jù)組織與分析

2.1 管線實(shí)體類型分析

地下管線數(shù)據(jù)根據(jù)本身特性，可分為管線點(diǎn)、管線段、管線斷面、管網(wǎng)、屬性表等細(xì)項(xiàng)。

管線點(diǎn)：即管線的節(jié)點(diǎn)、附屬結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)、起止點(diǎn)、特征點(diǎn)等，可用點(diǎn)狀要素和符號(hào)描述的管線實(shí)體；管線段：即節(jié)點(diǎn)之間連通的管線實(shí)體的數(shù)字化描述，管線段一般呈直線連接，特殊情況也有折線連通兩節(jié)點(diǎn)，管線段之間一般具有差異性，屬性信息略有不同；管線斷面：是管線段的橫切面，標(biāo)識(shí)管線的管徑、排量、容量等信息；管網(wǎng)：是多種管線連通形成的相互交錯(cuò)且呈現(xiàn)一定空間關(guān)系的管線集合；屬性信息：依托于管線點(diǎn)、線、面，是管網(wǎng)信息的描述和記錄。

表1 地下管線管理功能需求表

按照使用用途，地下管線數(shù)據(jù)可分為七大類：給水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、熱力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)、電信管網(wǎng)和工業(yè)管道等。

2.2 地下管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化分析

地下管線是非平面特性數(shù)據(jù)，不同地下高度，分布著不同的管線數(shù)據(jù)。基于三維地下空間的管線數(shù)據(jù)管理，要求管線數(shù)據(jù)具有屬性信息的同時(shí)，也要求數(shù)據(jù)具有空間分布信息，各項(xiàng)管線數(shù)據(jù)空間關(guān)系正確合理，無沖突；管線屬性數(shù)據(jù)編碼正確、有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和命名規(guī)范。只有經(jīng)過結(jié)構(gòu)化處理和空間處理的數(shù)據(jù)，才能在三維平臺(tái)上正確表達(dá)，并滿足應(yīng)用和分析的要求。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)檢查與預(yù)處理

數(shù)據(jù)檢查和預(yù)處理的目的是保證數(shù)據(jù)精確、減少錯(cuò)誤，并根據(jù)管線特性賦予特定的點(diǎn)、線、面狀符號(hào)，進(jìn)行顯示優(yōu)化。

管線數(shù)據(jù)檢查與預(yù)處理步驟包含兩個(gè)方面，即圖形預(yù)處理和屬性整理。管線數(shù)據(jù)圖形預(yù)處理工作包括檢查管線圖形數(shù)據(jù)是否有漏、缺情況，拓?fù)潢P(guān)系正確性，是否有交叉、重疊、懸掛、斷線等空間邏輯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，通過檢查這些錯(cuò)誤并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，保證管線數(shù)據(jù)圖形的正確性；屬性整理工作包括屬性字段完整性檢查與預(yù)處理、屬性字段格式檢查、屬性內(nèi)容完整性、屬性表達(dá)正確性等內(nèi)容。

經(jīng)過預(yù)處理，才能形成滿足數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、滿足實(shí)際生產(chǎn)需求、符合管理要求的規(guī)范化管線數(shù)據(jù)成果。

3.2 管線數(shù)據(jù)處理

管線數(shù)據(jù)處理及建庫，按照技術(shù)要求可分為數(shù)據(jù)檢查預(yù)處理、空間參考設(shè)置、數(shù)據(jù)編碼、地形匹配、數(shù)據(jù)映射、數(shù)據(jù)編譯及集成建庫等階段。

通過數(shù)據(jù)檢查和處理，可將三維數(shù)據(jù)通過文件數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫形式分類存儲(chǔ)，并通過映射方式將實(shí)體數(shù)據(jù)與“關(guān)系”進(jìn)行存儲(chǔ)，既保證了數(shù)據(jù)提取效率，又實(shí)現(xiàn)了關(guān)系化存儲(chǔ)（如圖2）。

圖2 字段映射（左）和值域映射（右）

3.3 管線數(shù)據(jù)建庫

地下管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和專業(yè)管線數(shù)據(jù)組成。其中，地理數(shù)據(jù)包括地形圖數(shù)據(jù)、交通道路（邊線）數(shù)據(jù)、河流線數(shù)據(jù)等；專業(yè)管線數(shù)據(jù)包括給排水、電力、電信、燃?xì)?、熱力、有線網(wǎng)絡(luò)及附屬設(shè)施、模型庫、映射庫、材質(zhì)庫等。

1）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫包括DEM數(shù)字高程模型、DOM數(shù)字地形模型、DLG數(shù)字線畫圖等空間數(shù)據(jù)；

2）管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫包括給排水、電力、熱、燃?xì)狻㈦娦诺裙芫W(wǎng)數(shù)據(jù)及其屬性信息；

3）模型庫包括樹模型、通用建筑模型、管道模型、螺栓、井等模型數(shù)據(jù)；

4）映射庫包含了模型數(shù)據(jù)、材質(zhì)數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫編碼和位置信息等；

5）材質(zhì)庫包含了不同材質(zhì)的材質(zhì)模型及數(shù)據(jù)庫編碼信息。

4 功能實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

通過二三維一體化技術(shù)，可將二維管線數(shù)據(jù)與三維城市成果結(jié)合，更能直觀表達(dá)管線的空間屬性和地下空間特性；通過規(guī)范化的映射與編譯過程，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)形式；通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)文件與數(shù)據(jù)庫并行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理方式，提升數(shù)據(jù)瀏覽的效率。

在城市管理中，通過二三維一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同資源的相互利用和輔助表達(dá)，拓寬數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，發(fā)揮地理信息成果的潛在價(jià)值（如圖3、圖4）。

圖3 地下管網(wǎng)空間與三維模型疊加透視圖

圖4 地下管線模型單體化、屬性化

5 結(jié)語

基于三維的地下管線管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各類管網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維可視化及資源共享，不僅能形象、直觀地管理各種復(fù)雜管線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效管網(wǎng)信息的快速查看、空間分析，并且能及時(shí)進(jìn)行管線數(shù)據(jù)的完善、更新和維護(hù)，保證管線數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性和精確性。同時(shí)帶動(dòng)地下管線管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化。

［1］康紅梅.城市基礎(chǔ)設(shè)施與城市空間演化的互饋研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］姚偉.城市地下管線探測(cè)與地下管線信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.成都：成都理工大學(xué)，2012.

［3］王貴武，解智強(qiáng)，李世強(qiáng)，等.利用海量探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)昆明市地下管線三維建模的應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2009，34（6）:122-124.