昆明三維地下管線系統應用與研究

畢天平，周京春

(1. 沈陽建筑大學 管理學院，遼寧 沈陽 110168； 2. 昆明市城市地下管線探測管理辦公室，云南 昆明 650011)

一、引 言

城市綜合地下管線是城市的“生命線”，也是城市基礎設施的重要組成部分，更是發揮城市功能和確保城市經濟、社會健康協調發展的重要物質基礎。各大城市紛紛建立起綜合地下管線信息管理系統，實現對城市建設中的各類管網數據進行綜合有效的存儲管理。然而由于綜合地下管線的特殊性，其布設遍及路下、水下等，二維方式難以直觀地反映各管線之間的空間位置關系。在交錯復雜的條件下，三維方式能夠切實地表達各管線之間的位置關系，以及管線與周邊地物的關系。在客觀世界里，管線本是以三維的形式存在，因而在三維視角下來分析和管理管線是管線管理的必然趨勢[1-2]。

對于管線管理信息系統來講，目前國內外普遍采用GIS技術、仿真技術，通過建立數學模型進行管線的模擬現實和分析處理。國內外也有三維GIS的軟件產品，如Google Earth、Skyline、Virtual Earth、ArcGlobe、EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、AnGeo、WorldWind等，但由于模型與多種參數有關，各軟件有其自身的優點和局限性[3]。由于三維管線具有數據量大、空間關系復雜、精細化表達困難等特點，在Web上實現三維的海量數據存儲和快速顯示仍然是各軟件系統不斷優化的目標。本文是在對昆明全市范圍內2萬多千米地下綜合管線進行三維地下管線系統研發的基礎上，建立了三維管線動態生成的結構模型，介紹三維管線在Web環境下動態顯示的技術思路、實現方法和成果的實際表現，為三維數字城市建設，特別是為城市三維綜合管線信息化建設提供借鑒。

二、管網數據結構設計

綜合管網的類型包括給水、污水、雨水、燃氣、電力、路燈、通信、電視、熱力、工業等。每類管線在空間數據庫中按照管線層和管點層存儲。需要注意的是管線層必須是兩點線，管線層的起點點號和終點點號必須和相應管點層的管點編號一一對應。

1. 管線層

管線層存儲線狀管線，按照起點埋深、終點埋深、起點高程、終點高程、斷面尺寸和材質、埋設方式來標識其三維管線實體動態生成的基本條件。斷面尺寸標識管線是方形管還是圓形管，其單位為mm,如PSIZE =300代表圓形管，PSIZE=400×300代表方形管。各類管線層的物理結構統一，其具體結構設計見表1。

2. 管點層

管點層存儲管線的全部特征點、普通點、物探點、附屬物等。利用管點類型字段可標識具體的類別，如三通、四通、五通、多通、轉折點、彎頭、變深、變徑、變材、上桿、預留口、閥門、消火栓、凝水缸、水表等。為了三維管線的快速生成和顯示，三通、四通、多通等由程序自動生成。為了三維顯示的精細化，點層可以附加精細化的3 ds Max和SketchUp等建模軟件制作的三維模型。各類管點層的物理結構統一，其具體結構設計見表2。

表1 管線層結構

表2 管點層結構

三、三維數據生成流程

三維數據包括地上空間三維數據的生成和地下空間三維數據的生成，其中地下空間的數據主要是地下管線。因而在數據層上，三維地下管線系統也包含了數字城市的內容。

1. 三維地表數據生成流程

城市地表可見部分的三維數據往往以航空攝影為基礎，通過數字高程模型(DEM)或高程點來構建三維地形骨架，通過在地形骨架上疊加數字正射影像(DOM)、城市建筑物、植被、小品模型來實現城市三維場景的整合[4-5]。其具體流程如圖1所示。

圖1 三維地表生成流程

2. 三維管線生成流程

為了保持二三維的聯動性，三維管線數據由二維管線數據動態生成，在二維管線層和管點層的基礎上，通過屬性字段中的高程信息、管徑信息、特征點的信息(具體結構見表1、表2)，來動態地批量生成三維管線；并建立查詢分析所需要的三維實體和屬性之間的連接關系，將三維瀏覽數據、搜索數據、分析數據分別進行存儲，其具體過程如圖2所示。

圖2 三維管線生成流程

四、系統設計

在綜合管線二維數據的基礎上，結合DOM、DEM、地形數據庫、三維模型庫，以ArcGIS作為GIS基礎平臺、AutoNavi AnGeo Uniscope為三維GIS平臺、Oracle為數據庫服務器、Visual Studio 2008.NET為開發工具，采用C#.NET語言進行系統開發，利用面向服務的架構(service-oriented architecture，SOA)來建立昆明三維綜合管線系統。

采用C/S與B/S結構相結合的組織模式、二三維一體化的可視化表現形式，提供對城市地下綜合管線數據、地形數據、影像數據等的綜合管理與分析，并提供對外服務的功能。系統的邏輯結構如圖3所示。

圖3 系統邏輯結構圖

五、主要功能及效果

系統利用Web Services技術，總體實現對城市地下綜合管網及相關數據庫的三維顯示、查詢、統計、分析、規劃審批、更新、服務等功能。應用系統主要實現以下系統功能：地下管線的精細化顯示、輔助編輯、查詢定位、管網分析、三維量測、管線標注、管線統計。其中分析模塊是系統功能的精髓，包含管線垂直凈距分析、管線水平凈距分析、覆土分析、縱斷面分析、橫斷面分析、道路斷面分析、緩沖區分析、爆管分析、追蹤分析、連通分析、流向分析等。

1. 二三維聯動

二三維聯動實現二三維一體化，二維以ArcGIS Server為基礎地圖服務平臺，三維以AnGeo Uniscope為基礎平臺，其效果如圖4所示，圖中左側為二維視圖，右側為三維視圖。二三維聯動除能按照地理坐標實現二三維的聯合顯示，還能按照管線與地表的實際關系準確地顯示管線，直觀地顯示各類管線、附屬設施、道路和地表建筑之間的空間關系，以及不同管線的粗細和各類管線之間的穿插關系。

圖4 二三維聯動

2. 剖面分析

剖面分析是管網管理系統關鍵的功能，包含橫剖面分析、縱剖面分析、三維剖面分析、道路剖面分析等，其能直觀看出地下管線的位置關系，尤其是道路剖面分析(如圖5所示)，能看出管線在道路內的機動車道、人行道和綠化帶等的相對位置關系，有效地指導管網搶修和地面工程的施工挖掘工作。 三維剖面按照管線和地面的實際尺寸進行切面分析，和二維剖面分析配合，更直觀地觀測管線的空間位置關系、管線尺寸和地面的位置關系。

圖5 三維剖面分析

3. 流向分析

流向分析是管網規劃和管理中十分珍貴的分析結果，尤其對雨水、污水等排水管線十分重要。其三維分析效果如圖6所示。

圖6 流向分析

4. 挖方分析

挖方分析能夠看出施工區域下的管線分布狀況、計算土方量等。其三維效果如圖7所示。

圖7 挖方分析

六、主要特色

1. 管線精細化

實現各類管線及其設施的精細化造型和建模，以及管線和設置的自動耦合，同時能在實現設施內部的部件精細化顯示，體現三維GIS與建筑信息模型(building information modeling，BIM)的結合。

2. 瓦片金子塔

昆明三維地下管線系統采用三維瓦片金字塔技術，以及目前被廣泛使用的視點相關球面LOD(levels of detail)算法[6-8]，解決了海量三維數據發布能力，突破了三維領域容量大、速度慢的技術難題，能夠快速地顯示和分析地上和地下的完整城市空間，精細化地顯示龐大、復雜、種類繁多的管線，整合顯示DOM、DEM、數字地物模型等各類城市空間要素。

七、結束語

昆明三維地下管線系統是按照三維視角來管理和展示管線的成功案例，解決了基于Web的綜合地下管線信息化建設中常見的三維海量數據快速發布和顯示、管線及其附屬設施精細化建模，以及二三維聯動等熱點問題,為地下管線管理部門和各類管線運營單位提供了科學的技術支持和分析手段，能夠為各類管網改造和維修工程提供直觀、可靠的決策依據。

當前管線三維技術和數字城市技術都向大場景和精細化兩個方向發展[9-11]，昆明地下管線系統解決了2萬多千米的管線探測數據，330 km2的基礎地形地物的三維可視化，解決了行業內三維精細化和大場景數據的顯示難題。但三維數據還需要幾小時才能完全更新，因此解決整個管網三維模型的時時更新并及時參入可視化分析，是進一步努力的方向。

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