三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

姜波，金明一

(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

姜波?，金明一

(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

地下管網(wǎng)系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，為適應(yīng)現(xiàn)代城市地下管網(wǎng)建設(shè)、管理、發(fā)展的需要，本文以哈爾濱三維地下管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程為例，討論了三維地下管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的數(shù)據(jù)組織、管線模型制作等關(guān)鍵技術(shù)，介紹了哈爾濱地下三維綜合管網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)情況，并展望了三維地下管網(wǎng)今后的技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展問(wèn)題。

：三維GIS；地下綜合管網(wǎng)；數(shù)字城市

1 引 言

近年來(lái)，隨著城市化的進(jìn)程的加快，城市地下管線建設(shè)發(fā)展非常迅猛，但由于地下管網(wǎng)的管理體制、建設(shè)監(jiān)管、規(guī)劃設(shè)計(jì)及日常維護(hù)管理等方面的問(wèn)題，而引發(fā)的“馬路拉鏈”、“城市內(nèi)澇”、“停電停水”等問(wèn)題對(duì)市民生活的影響日趨嚴(yán)重，因此如何管理好城市地下管線，更好地為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理服務(wù)，成為城市管理者面對(duì)和解決的重要課題。

城市地下管線信息是城市空間基礎(chǔ)地理信息的重要組成部分，是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的重要基礎(chǔ)信息。傳統(tǒng)的二維地下管線探測(cè)圖只能表達(dá)管線的平面位置，無(wú)法表達(dá)管線之間的復(fù)雜的空間層次關(guān)系，通過(guò)運(yùn)用GIS技術(shù)，采用三維模型描述地下管線的空間關(guān)系，能真實(shí)的反應(yīng)地下管線的空間分布情況，有效解決城市地下管網(wǎng)在建設(shè)管理過(guò)程中面臨的問(wèn)題。三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)也是城市信息化建設(shè)和“數(shù)字城市”建設(shè)的重要內(nèi)容之一，目前已經(jīng)有多個(gè)城市開展建設(shè)并取得了良好的應(yīng)用效果。

2 三維地下綜合管網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地下三維管線數(shù)據(jù)組織

城市地下管網(wǎng)分為給水、排水、燃?xì)狻崃Α⒐I(yè)、電力、電信七大類[1]，每一大類管線還可根據(jù)傳輸或排放物質(zhì)的差異或其功能的差異分為不同的小類。為便于數(shù)據(jù)的收集和分層管理，根據(jù)數(shù)據(jù)管理部門及實(shí)際應(yīng)用情況將地下管線分為給水管網(wǎng)層、排水管網(wǎng)層、燃?xì)夤芫W(wǎng)層等7個(gè)管網(wǎng)層。管線屬性信息是建立管線數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)，是地下三維管線系統(tǒng)中進(jìn)行空間分析的必要條件，所有的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析都是基于這些屬性信息。因此各類管網(wǎng)屬性信息的完整與否對(duì)地下三維管網(wǎng)系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)構(gòu)建、信息數(shù)據(jù)管理有著至關(guān)重要的作用。

地下管線都是由管線和管點(diǎn)所組成，其屬性信息結(jié)構(gòu)如表1、2所示。各類管網(wǎng)層的屬性信息結(jié)構(gòu)基本相同，但根據(jù)管線用途的不同，管線的屬性信息結(jié)構(gòu)表略有區(qū)別。

管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表 表1

管點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表 表2

續(xù)表1

2.2 地下管網(wǎng)模型制作

地下三維管網(wǎng)空間關(guān)系較為復(fù)雜，建模過(guò)程主要分為管點(diǎn)建模和管線建模。管點(diǎn)建模主要對(duì)實(shí)體管井、管閥進(jìn)行建模。管線建模主要是對(duì)管道、管塊、管溝等進(jìn)行建模。目前采用3ds Max軟件對(duì)地下管線進(jìn)行三維建模較多，其優(yōu)點(diǎn)是模型表現(xiàn)效果好，模型精細(xì)程度高，但制作效率較低，無(wú)法滿足城市級(jí)三維地下管網(wǎng)模型數(shù)據(jù)建設(shè)及后期模型數(shù)據(jù)維護(hù)更新的需要。地下管網(wǎng)模型構(gòu)建過(guò)程中，可采用三維管段自動(dòng)生成并結(jié)合3ds Max精細(xì)建模的方式進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。管段模型以管段起止點(diǎn)坐標(biāo)、高程、管徑等信息為基礎(chǔ)自動(dòng)生成模型數(shù)據(jù)[2]。管點(diǎn)模型如管井、管閥等其標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，型號(hào)規(guī)格一致，可采用建模軟件制作精細(xì)的管點(diǎn)模型，構(gòu)建管點(diǎn)模型符號(hào)庫(kù)，以管點(diǎn)坐標(biāo)、高程、管點(diǎn)類別信息判別，自動(dòng)加載各類管點(diǎn)符號(hào)模型。管點(diǎn)與管段的空間位置關(guān)系，根據(jù)管段流向及拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行判斷，最終在三維場(chǎng)景中對(duì)搭建地下管網(wǎng)模型。

2.3 地下管網(wǎng)模型場(chǎng)景構(gòu)建

通過(guò)將地上建筑模型和地下管網(wǎng)模型整合，搭建一個(gè)虛擬三維場(chǎng)景，還原空間地物的三維空間位置，其構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 地下管網(wǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建流程

3 三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

哈爾濱三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用分層式結(jié)構(gòu)，以管線模型庫(kù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及管線專題數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)層，以CityMaker，ArcGIS平臺(tái)作為三維展示及空間分析的開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)面向三維地下管網(wǎng)的專業(yè)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，其總體框架如圖2所示。

圖2 三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)總體框架圖

綜合考慮目前哈爾濱地下管線的應(yīng)用需求及城市地下管線管理的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合三維GIS開發(fā)平臺(tái)的技術(shù)水平，三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)采用B/S和C/S混合的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)用系統(tǒng)既能滿足地下管線的專業(yè)應(yīng)用及管理的需求，又可以實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)發(fā)布、共享、維護(hù)，通過(guò)三維平臺(tái)將管線信息及空間位置關(guān)系展示出來(lái)。

3.2 三維地下管網(wǎng)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

三維地下管網(wǎng)空間位置關(guān)系復(fù)雜，同一平面位置上垂直方向會(huì)有多種管線重疊，為便于地下管線的日常管理、信息查詢、數(shù)據(jù)維護(hù)更新及管理部門的專業(yè)應(yīng)用需求，借助三維GIS平臺(tái)，從基礎(chǔ)功能模塊、專業(yè)應(yīng)用模塊兩方面實(shí)現(xiàn)其功能開發(fā)。

基礎(chǔ)功能模塊包括權(quán)限管理，管線數(shù)據(jù)加載、修改、刪除、數(shù)據(jù)的錄入更新功能；還包括三維場(chǎng)景瀏覽、空間量測(cè)、管線信息查詢定位等功能；此外還包括地下管線統(tǒng)計(jì)分析、橫斷面分析、流向分析、管線相交分析等專業(yè)分析功能，為管線管理部門提供直觀、準(zhǔn)確的地下管線信息，為管線的規(guī)劃、施工及匯遷管理提供決策依據(jù)。提供的管線二三維聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)二維管線系統(tǒng)與三維管線系統(tǒng)的耦合，可以充分發(fā)揮二維管線平臺(tái)在信息查詢，空間分析等方面的長(zhǎng)處，又可以借助三維展示技術(shù)對(duì)查詢、分析結(jié)果進(jìn)行立體展示，使得查詢及分析結(jié)果更利于理解，真實(shí)反映規(guī)劃及施工現(xiàn)場(chǎng)的地下管線情況，如圖3所示。橫斷面分析、爆管分析、流向分析及影響區(qū)域分析等功能，在實(shí)際管線管理維護(hù)方面都有很廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如圖4、圖5所示。

圖3 管線信息查詢定位

圖4 三維地下綜合管網(wǎng)橫斷面圖

圖5 管線流向分析圖

4 總 結(jié)

隨著城市的發(fā)展，城市地下管網(wǎng)也將越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的圖檔式二維管線管理方式已不能適應(yīng)城市管線發(fā)展、更新、管理的需要。本文介紹了哈爾濱三維地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)流程及功能實(shí)現(xiàn)情況，該系統(tǒng)在一定程度上解決了目前哈爾濱城市地下管線在規(guī)劃、施工管理等方面的實(shí)際問(wèn)題，但目前系統(tǒng)仍存在很多問(wèn)題、不足，有待進(jìn)一步解決和完善，如管線模型動(dòng)態(tài)生成技術(shù)、模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)管理，模型的實(shí)體化研究等問(wèn)題。

[1] CJJ61-2003.城市地下管線探測(cè)規(guī)程[S].

[2] 李清泉，嚴(yán)勇，楊必勝等.地下管線的三維可視化研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2003(3).

[3] 龔建橋.三維地下綜合管線管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:華中師范大學(xué)，2012.

[4] 鄭國(guó)江，陶迎春，楊伯鋼.三維GIS在地下管網(wǎng)管理中的應(yīng)用研究[J].北京測(cè)繪，2012(5).

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[6] Nich George，Object orientation，GIS and Information Technology[R].GISAsia Pacific，1996，Singapore:30～33.

Research and App lication on 3D Underground Pipeline Network System

Jiang Bo，Jin Mingyi
(Harbin Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Harbin 150010，China)

Underground pipeline network system is an important part of the urban infrastructure to adapt tomodern urban underground pipe network construction，management and development needs to build in Harbin 3D underground pipeline network system process，for example，discussed the 3D underground pipeline network system build process organization of data，pipelinemodeling and other key technologies，Harbin underground 3D pipeline network system design and system functions，and look forward to the technical difficulties in the future and development of 3D underground pipeline network.

3D-GIS；underground pipeline networks；digital city

1672-8262(2013)04-53-03

P208.2

B

2013—04—26

姜波(1973—)，女，高級(jí)工程師；研究方向:GIS研究。