基于SuperMap架構(gòu)二三維地下管線信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁 國

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2021年5月發(fā)布《城市市政基礎(chǔ)設(shè)施普查和綜合管理信息平臺(tái)建設(shè)工作指導(dǎo)手冊》，明確了構(gòu)建管理信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)城市地下基礎(chǔ)設(shè)施信息的采集、更新、利用、共享，滿足設(shè)施規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行服務(wù)、應(yīng)急防災(zāi)等工作需要及支撐新型智慧城市建設(shè)的總體目標(biāo)。

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷深入，地下管線信息管理系統(tǒng)的研究不斷突破，國內(nèi)多數(shù)建立的地下管線信息系統(tǒng)都基于大型的GIS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等功能，基本滿足了地下管線的日常管理與應(yīng)用[1]。這些系統(tǒng)大都是二維或2.5維[2-4]，即地下管線的統(tǒng)計(jì)分析、空間分析與應(yīng)用是通過二維空間數(shù)據(jù)模型來進(jìn)行的[5]，三維管線之間只簡單的拓?fù)溥B接，管線附屬設(shè)施模型庫不齊亦不標(biāo)準(zhǔn)，地上地下空間三維模型融合度差，三維可視化效果不佳；且在管線設(shè)施信息具體應(yīng)用時(shí)，只調(diào)用二維空間數(shù)據(jù)，并無二三維一體化[5]，數(shù)據(jù)也不能同步更新，造成三維統(tǒng)計(jì)分析、空間分析存在問題，市政基礎(chǔ)設(shè)施信息化管理水平較差。

為實(shí)現(xiàn)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部市政基礎(chǔ)設(shè)施信息化的總體目標(biāo)，在分析現(xiàn)有三維模型平臺(tái)的基礎(chǔ)上，深研SuperMap平臺(tái)數(shù)據(jù)組織框架，利用SuperMap iObjects作為API接口，C#為主要編程代碼語言，基于SuperMap平臺(tái)設(shè)計(jì)并研發(fā)二三維地下管線信息系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)三維地下管線的自動(dòng)化建模，深度融合地上實(shí)景三維模型，二三維一體化，強(qiáng)化空間統(tǒng)計(jì)分析功能，并在SuperMap平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地下管線三維可視化及管理應(yīng)用[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)需調(diào)研用戶需求，自下而上進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。SuperMap iDesktop.NET是可編程、可擴(kuò)展、可定制，二三維一體化的桌面GIS產(chǎn)品，支持二維數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)投影到三維場景中顯示，設(shè)置風(fēng)格、制作專題圖、進(jìn)行分析、查詢等，而且在二維制圖中可以使用三維模型和三維符號(hào)，文本系統(tǒng)基于桌面核心庫的底層開發(fā)。SuperMap iObjects.NET基于Microsoft的.NET組件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以.NET組件的方式提供強(qiáng)大的GIS功能組件式開發(fā)平臺(tái)[6]，具有快捷部署、高性能和易使用的特點(diǎn)，其核心數(shù)據(jù)模塊具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、空間分析和三維功能等，在傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充更多新功能，適合用戶快速開發(fā)對應(yīng)的GIS系統(tǒng)。SuperMap ProcessModeling提供三維數(shù)據(jù)空間處理建模、顯示、分析二三維一體化的三維場景展示，同時(shí)，全球尺度的地形數(shù)據(jù)以及全球尺度的高分辨率影像數(shù)據(jù)都可以加載到三維模型中進(jìn)行顯示?；?NET語言開發(fā)的業(yè)務(wù)功能，以插件的形式集成到SuperMap iDesktop.NET基礎(chǔ)框架中，并且可以定制和擴(kuò)展界面。

系統(tǒng)使用微軟公司的Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，以C#語言進(jìn)行功能開發(fā)，利用Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，最終在SuperMap iDesktop.NET平臺(tái)進(jìn)行地下管線三維場景展示及管理應(yīng)用。系統(tǒng)建設(shè)全過程遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與安全保障體系、運(yùn)行管理與協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

1.2 功能設(shè)計(jì)

二三維地下管線信息管理系統(tǒng)針對地下管線直觀可視化管理，充分展示地下管線三維模型，具有空間分析功能，輔助隱患排查和規(guī)劃決策，助力新型智慧城市建設(shè)。系統(tǒng)通過簡潔功能分區(qū)、以數(shù)據(jù)庫為后臺(tái)基礎(chǔ)，為用戶提供便捷人機(jī)交互界面操作界面，主要有6大功能模塊，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

(1)首頁

系統(tǒng)該模塊下具有三維自動(dòng)建模成圖功能，導(dǎo)入mdb數(shù)據(jù)庫，配置好投影參數(shù)，即可一鍵生產(chǎn)二維、三維及二三維一體化地下管線圖。

(2)地圖

三維可視化是系統(tǒng)的核心功能模塊，可以進(jìn)行二三維關(guān)聯(lián)瀏覽、漫游，更直觀的展示地下管線數(shù)據(jù)的三維立體模型，實(shí)時(shí)查詢分析結(jié)果，數(shù)據(jù)庫和地下三維模型可以聯(lián)動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)或三維模型更新或變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用聯(lián)動(dòng)編譯模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。地圖定位、量算、模型開挖顯示地表下的管線分布，提供圖形輸出接口，保存裁切的數(shù)據(jù)。在可視化展示時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)地表和實(shí)景三維圖的透明度，實(shí)現(xiàn)地上地下空間一體化效果，BIM+GIS的深度融合。

(3)查詢統(tǒng)計(jì)

查詢統(tǒng)計(jì)模塊可以進(jìn)行整個(gè)項(xiàng)目片區(qū)地下管線的種類、長度、權(quán)屬等查詢統(tǒng)計(jì)，以圖表的形式輸出查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果。強(qiáng)大的空間分析功能不僅可以為城市規(guī)劃建設(shè)提供決策依據(jù)，還可以提供隱患排查機(jī)制，提供連通分析、爆管分析、縱橫剖面分析、溯源分析和覆土分析等功能，通過分析報(bào)告為突發(fā)事件和智慧城市建設(shè)規(guī)劃提供可靠依據(jù)，進(jìn)行科學(xué)信息化管理。

(4)工具箱

數(shù)據(jù)入庫前需按照CJJ 61—2017《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》[7]、GB/T 29806—2013《信息技術(shù) 地下管線數(shù)據(jù)交換技術(shù)要求》[8]和CH/T 1037—2015《管線信息系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》[9]對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯一致性、精度和材質(zhì)等綜合差錯(cuò)、管線類型更正、屬性字段轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)字段等檢查，以形成滿足規(guī)范要求的入庫數(shù)據(jù)[3]。二維成圖的地下管線數(shù)據(jù)和三維模型所需采集的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫合并，解決二三維底層數(shù)據(jù)分離問題。還可進(jìn)行實(shí)景三維圖的配置、擴(kuò)展二三維管點(diǎn)、管線的符號(hào)化配置。

(5)用戶管理

賬號(hào)管理可以進(jìn)行賬戶的統(tǒng)一管理，可以修改用戶名、密碼等操作，用戶可以通過該模塊的產(chǎn)品介紹和幫助文檔快速掌握系統(tǒng)的使用功能。

(6)視圖

提供友好的人機(jī)交互界面，個(gè)性化設(shè)置，用戶可以根據(jù)個(gè)人愛好配置不同的系統(tǒng)風(fēng)格、顏色，得到良好的視覺感受。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理的倉庫，是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的核心部分，將各類數(shù)據(jù)庫的建設(shè)有邏輯地整合在一起，才能充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)應(yīng)用和建設(shè)中的核心作用[10]。本文根據(jù)用戶需求和數(shù)據(jù)特點(diǎn)采用集中式數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，統(tǒng)一分類編碼，分層存放，有利于數(shù)據(jù)的快速檢索、分析，在安全性和穩(wěn)定性方面達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)的要求。整個(gè)數(shù)據(jù)庫的生命周期里，數(shù)據(jù)涉及面廣，數(shù)據(jù)在整編和錄入的難度大，為保證建庫質(zhì)量，在這過程中應(yīng)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和參照規(guī)范不斷維護(hù)、補(bǔ)充和完善各類代碼。

數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管理層選用SQL Server數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫主要由空間基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、城市市政基礎(chǔ)設(shè)施普查數(shù)據(jù)庫及管點(diǎn)、管線標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)庫組成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫總體框架如圖3所示。入庫的管線數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的Access格式數(shù)據(jù)[11]，實(shí)景三維圖為OSGB格式數(shù)據(jù)。城市市政基礎(chǔ)設(shè)施普查數(shù)據(jù)庫是核心庫，需參照屬性表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，完成各類性數(shù)據(jù)字段數(shù)量、字段名稱、字段類型、長度、完整性約束等設(shè)置。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫總體框架圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自動(dòng)化三維建模

自動(dòng)化三維建模作為系統(tǒng)研發(fā)的亮點(diǎn)，摒棄了傳統(tǒng)三維建模系統(tǒng)人工選擇不同管類特征點(diǎn)、附屬物的三維管點(diǎn)模型，人工配置附屬物的縮放、旋轉(zhuǎn)等冗余繁瑣操作；也無需人工干預(yù)管類選擇頂?shù)住A方管線等。其實(shí)，要滿足地下三維管線的建模要求，在二維管線外業(yè)采集的基礎(chǔ)上，還采集了附屬物的三維所需參數(shù)，比如，井蓋的材質(zhì)、圓井蓋的直徑、方井蓋的長寬、井深和井脖深等數(shù)據(jù)[12]。最后要根據(jù)二維管線數(shù)據(jù)庫和三維管線數(shù)據(jù)庫合并，通過算法、二次開發(fā)代碼完成自動(dòng)化建模的操作。要完成操作，首先需要3ds Max進(jìn)行特征點(diǎn)和附屬物的模型建立，在系統(tǒng)的符號(hào)化配置里賦予模型唯一編碼，符號(hào)化配置具有擴(kuò)展性，根據(jù)市政基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際情況擴(kuò)充符號(hào)庫；還需進(jìn)行管線模型數(shù)據(jù)庫的建立，比如圓管、方管及頂?shù)坠芫€等管線模型，同樣賦予獨(dú)一編碼。特征點(diǎn)和附屬設(shè)施模型庫、地下管線模型庫如圖4—5所示。

圖4 特征點(diǎn)和附屬設(shè)施模型構(gòu)建庫圖

圖5 地下管線模型構(gòu)建庫圖

在管線三維場景生成時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)管點(diǎn)的坐標(biāo)、埋深、管徑和管線關(guān)聯(lián)等信息，自動(dòng)生成管線三維模型，再對管線接頭、變徑進(jìn)行二次自動(dòng)建模處理和裝配，根據(jù)材質(zhì)和管段類型匹配材質(zhì)和顏色，生成較符合實(shí)際情況的三維管線模型，最后將管線的各種屬性信息與模型建立關(guān)聯(lián)[11]。根據(jù)合并數(shù)據(jù)庫信息，調(diào)用特征點(diǎn)和附屬設(shè)施模型庫數(shù)據(jù)生成管點(diǎn)三維模型，采用自動(dòng)耦合造型法實(shí)現(xiàn)管點(diǎn)和管線的無縫銜接，以達(dá)到三維展示的最佳視覺效果[11]。

以管點(diǎn)、管線模型數(shù)據(jù)庫作為自動(dòng)建模的基礎(chǔ)，根據(jù)合并的數(shù)據(jù)庫，研發(fā)代碼完成自動(dòng)化建模功能。

2.2 二三維一體化

目前，國內(nèi)大多數(shù)的地下管線二次開發(fā)系統(tǒng)都是二三維數(shù)據(jù)分離開，三維又沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，造成二三維數(shù)據(jù)的割裂，而且市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)量非常龐大，這造成數(shù)據(jù)管理維護(hù)的困難，從管線數(shù)據(jù)的特點(diǎn)角度和需求，必須擴(kuò)展和研究二三維一體化表達(dá)。

日新月異的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，市政基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)更新也是實(shí)時(shí)存在的，系統(tǒng)為保持管線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，必須要研究其更新機(jī)制，能在二維、三維管線顯示間直接靈活切換，還可協(xié)同、聯(lián)動(dòng)操作功能，在進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析時(shí)能實(shí)時(shí)顯示結(jié)果到界面。作為系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，系統(tǒng)具有二三維一體化自動(dòng)關(guān)聯(lián)機(jī)制，二三維訪問同一合并數(shù)據(jù)庫，當(dāng)管線數(shù)據(jù)更新或變化時(shí)，二維管線圖發(fā)生變化，三維模型也隨之更新，可在三維模型場景下，根據(jù)市政基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)情況添加或刪除地下三維管線模型，二維管線和數(shù)據(jù)庫都自動(dòng)完成更新[16]。

2.3 B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)相結(jié)合

B/S架構(gòu)是隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的升級(jí)而興起的，用戶是通過瀏覽器來進(jìn)入工作空間，主要在服務(wù)器端完成數(shù)據(jù)處理。其特點(diǎn)是對電腦配置要求較低，只需要安裝瀏覽器即可，適合版本升級(jí)頻繁的場景，用戶群體廣泛，安全性能得不到保障。

C/S架構(gòu)是客戶和服務(wù)器之間的交互請求和響應(yīng)。其特點(diǎn)是對電腦配置要求高，需要安裝專門的軟件，適合版本升級(jí)不頻繁的應(yīng)用場景，用戶群體相對固定，安全性能較高。

系統(tǒng)采用基于J2EE的B/S和C/S 2種架構(gòu)相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。為確保系統(tǒng)的安全性能和用戶有效性，在登錄系統(tǒng)的時(shí)候，對登錄用戶的用戶信息和權(quán)限信息通過系統(tǒng)認(rèn)證服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證，以此進(jìn)行用戶的合法性認(rèn)證和有效性校驗(yàn)，以避免用戶非法訪問，并保證頁面系統(tǒng)安全性。二三維地下管線信息管理系統(tǒng)專業(yè)性較強(qiáng)，根據(jù)其特點(diǎn)，以C/S架構(gòu)為主，兩者相結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢互補(bǔ)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)使用前需安裝SuperMap iDesktop.NET桌面端平臺(tái)軟件，輸入用戶名和密碼登錄主界面，即可使用系統(tǒng)功能模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。為了保持系統(tǒng)的生命力，系統(tǒng)具備可拓展性和友好人機(jī)交互界面，在使用的過程中不斷根據(jù)用戶體驗(yàn)和需求進(jìn)行系統(tǒng)定制更新。

系統(tǒng)具有穩(wěn)定的應(yīng)用性能，初次調(diào)圖顯示的速度控制在5秒以內(nèi)，之后的圖形調(diào)用(刷新、漫游、選擇)顯示速度在2秒內(nèi)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸時(shí)間在1分鐘內(nèi)采用多線程并發(fā)和斷點(diǎn)續(xù)傳模式進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，提高數(shù)據(jù)采集效率；數(shù)據(jù)分段多線程并發(fā)入庫，采用增量數(shù)據(jù)與全量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，即定期進(jìn)行數(shù)據(jù)全量入庫以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，其余時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)增量入庫以提高處理效率；數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)和傳輸，提高系統(tǒng)的吞吐能力。

用戶可以根據(jù)BIM+GIS三維管線模型進(jìn)行瀏覽漫游、屬性信息查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析和開挖場景模擬等功能操作，系統(tǒng)部分核心功能模塊應(yīng)用如圖6—8所示。

圖6 地下三維管線模型和斷面空間分析圖

圖7 二三維一體化聯(lián)動(dòng)圖

圖8 空間三維融合模型及查詢統(tǒng)計(jì)分析圖

4 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)幾方面論述了二三維地下管線信息管理系統(tǒng)的建設(shè)，達(dá)到了預(yù)期效果，可有效融合地上地下三維空間一體化展示，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化三維建模和二三維一體化聯(lián)動(dòng)機(jī)制，同時(shí)具備統(tǒng)計(jì)分析和空間分析的功能，完成了地下三維管線模型智能化運(yùn)維管理，為城市建設(shè)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)決策。

后續(xù)將根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行添加和修正管點(diǎn)、管線模型庫，同時(shí)不斷更新管線數(shù)據(jù)成果[3]，保持地下管線運(yùn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)掌控。在未來系統(tǒng)的建設(shè)上可以考慮融合數(shù)字孿生、AR等技術(shù)，改變城市建設(shè)的管理方式，提升城市管理效能，推進(jìn)城市管理現(xiàn)代化和精細(xì)化，真正實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)。