城市地下管線信息系統關鍵技術研究

丁鵬輝，李志剛，董紹環，劉曉輝

城市地下管線信息系統關鍵技術研究

丁鵬輝1，2，李志剛1，2，董紹環1，2，劉曉輝1，2

( 1．青島市勘察測繪研究院，山東青島266032; 2．青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東青島266032)

一、引言

隨著我國城市化進程的加快，地下空間的開發與利用越來越受到相關政府職能部門的重視。地下管線作為地下空間的重要組成部分，尤其是作為城市的“生命線”，關系到城市居民的生產和生活，是城市生存和發展的血脈，其重要性不言而喻。但是，目前我國城市地下管線信息系統建設的水平參差不齊，東部較發達城市基本已建立了地下管線信息系統，并結合管線竣工測量或詳查等工程基本實現了地下管線數據庫的動態更新，總體運轉情況良好;中部和西部城市除經濟較發達的城市開展情況良好外，大部分城市由于各種原因，存在地下管線資料不全、不現狀、精度不高等問題，此種情況下即使建立地下管線信息系統也不能發揮很好的作用，嚴重阻礙了城市的發展和應急管理等相關工作。因此，盡快開展地下管線普查工作，建立城市地下管線信息系統和動態更新機制，實現城市地下管線的數字化、信息化、動態化和可視化管理已勢在必行。

目前，國內多數已建立的地下管線信息系統大都基于大型地理信息平臺軟件(如ArcGIS、Super-Map、MapGIS等)進行二次開發，實現了管線數據瀏覽、查詢、統計與分析等功能，基本滿足了地下管線的日常管理與應用。這些系統大都是二維或2．5維的，在地下管線空間關系的表達與展示方面不是很直觀。隨著計算機軟硬件、地理信息系統、虛擬現實等技術的快速發展，地下管線信息系統正朝著地上與地下空間一體化、三維可視化表達與展示、B/S與C/S架構相結合、海量地理信息數據集成存儲與管理等方向發展。本文主要結合目前青島市正在開展的地下管線普查與信息化建設工作，重點針對地下管線信息系統建設工作提出一些新的思路和方法，為國內其他城市在開展類似工作過程中提供參考。

二、關鍵技術

地下管線信息系統建設的關鍵技術包括很多，本文主要在開展了相關研究與實踐的基礎上，結合青島市實際情況，提出如下關鍵技術，以供參考。

1．B/S與C/S相結合的多層分布式技術

關于B/S與C/S兩種架構的優缺點已有很多專家和學者進行了研究，并發表了相關論文，在此不再贅述。結合青島市已建設的地下管線信息系統，本文提出將二者相結合，通過多層分布技術的應用實現優勢互補，最大化地發揮各自優點。對于專業性較強的地下管線信息管理與應用工作，可采取C/ S架構開發，實現地下管線數據庫的入庫、更新、管理及高級分析與利用等功能;對于專業性較弱的，僅實現地下管線信息的瀏覽、查詢、統計與簡單分析等功能，可采取B/S架構開發。此外，在數據庫設計過程中，筆者建議將地下管線生產數據庫與成果發布數據庫在物理上分開存儲設計，這樣雖然在空間存儲上造成了一點浪費，但在系統安全使用方面有很大保障，如當地下管線生產數據庫在出現故障問題不能正常啟動的情況下，成果發布數據庫可正常使用，反之亦然。

2．面向數據庫更新的內外業一體化技術

城市地下管線信息系統建成后，必須相應開展數據庫的動態更新工作，只有這樣，才能保證其生命力。因此，圍繞數據庫更新工作，筆者研制了一套高效、合理的內外業一體化技術，改變了地下管線探測的傳統作業模式。整體技術思路是:在統一技術標準的基礎上，統一作業生產軟件(含圖形繪制、屬性編輯、數據檢查等)和數據入庫的操作平臺，并建立合理的作業流程，減少數據生產的重復操作環節，通過整合地圖制圖、GIS等技術，實現在數據生產環節中圖形和屬性關聯，從而保證圖形和屬性的一致性，實現快速入庫的目的。具體流程如圖1所示。

圖1 青島市地下管線數據庫動態更新技術流程

3．地下管線數據時態組織與管理技術

地下管線信息作為地理信息的重要組成部分，具有非常明顯的時空特征。為更好地組織和管理不同時期、不同時刻的地下管線數據，在已有空間數據模型的基礎上增加時間維特征，從而實現對地下管線數據的時空管理。

在地下管線數據結構中，針對管點或管線屬性表分別設置入庫時間和更新時間，作為每個實體要素的時間戳標記。其中，入庫時間表示地下管線數據進入數據庫的時間，一般作為地下管線數據的現勢性說明字段;更新時間則是在發生管線數據變化時，當存在已有管線數據被更新至歷史庫時所賦予的時間戳標記，表示地下管線數據被更新的時間。導致管線數據庫中實體要素發生變化的情況主要有3種:一是因實地管線廢棄或拆除等引起的變化;二是同一條管線由不同作業單位、不同時期探測或因地面沉降等因素導致的變化;三是針對數據庫中重復和重疊管線等情況進行編輯時所導致的變化。一般情況下，第1種情況引起的變化所生成的管線歷史數據是與實際情況一致的，參考和利用價值最高，筆者將此類歷史數據規定為管線遷改;第2種情況是因外在因素所導致的變化，筆者將其規定為測量時態;第3種情況是由于數據庫建設或管理過程中編輯操作所導致的變化，系統將其規定為數據編輯。上述針對管線歷史數據的類別定義和劃分，對于國內其他城市在管理和利用管線歷史數據工作中有一定的參考價值。

此外，除了以時間點為單位管理管線數據之外，還可以以時間段或工程為單位管理，也即版本管理。對每一個管線實體要素的生命周期進行多時態存儲和管理，并記錄其歷史變更情況，在技術上采取事務邏輯和時間戳組合的版本管理機制，同時將管線現狀數據與歷史數據進行邏輯分離組織和管理，從而既滿足了地下管線信息時態管理的要求，又最大限度地減少了數據的冗余，提高了數據訪問和系統功能使用的效率。

4．地下管線信息的數據挖掘技術

近年來，數據挖掘引起了信息產業界的極大關注，其主要原因是存在大量數據可以廣泛使用，并且迫切需要將這些數據轉換成有用的信息和知識。城市地下管線數據庫存儲了大量地理信息數據，這些數據包括地上建筑物、道路、植被、河流和地下管線及其附屬設施等。雖然從數據量上定義還稱不上大數據，但已具備了數據挖掘的條件，即具備了可用于挖掘分析的數據倉庫。通過數據挖掘的技術手段，可大大提升城市地下管線數據庫的利用價值，如將管線數據與小區建筑數據疊加，可分析高危管線與小區的安全距離是否符合規范要求，分析結果可為有關監管部門提供執法依據。因此，筆者拋磚引玉，實現了從二維矢量管線數據中快速發現穿越暗渠管線的功能，除了找到穿越暗渠的管線數據之外，還可分析其類別、屬性信息，以及穿越管線與暗渠的空間關系(在暗渠上、在暗渠中或在暗渠下)。具體實現結果如圖2所示。

5．地上與地下一體化三維表達與展示技術

由于地下管線具有隱蔽性與三維空間等特征，采用三維可視化與虛擬現實等技術，將其在三維場景中加以表達與展示，應用效果會更好，因此，需開展三維場景制作及有關系統功能開發等工作。三維場景制作主要包括地上三維模型、地面模型和地下管線三維模型等內容。其中，地上三維模型主要包括重點道路、道路兩側主要建筑物、重點區域模型等;地面模型一般采用數字高程模型( DEM)疊加數字正射影像( DOM)的方式表現;地下管線三維模型中管線附屬設施三維模型一般通過專業的三維模型構建軟件制作，而管線段三維模型則一般通過研發相應的模型自動構建工具進行制作，重點需要考慮管線附屬設施三維模型與其連接的管線段三維模型之間的銜接處理、管線段外觀形狀與埋設方式的表達、點模型與線模型的按比例表達等關鍵問題。此外，還需要重點解決數字高程模型與地上三維模型、地下管線三維模型之間的沖突問題，尤其在青島等丘陵城市的三維場景制作過程中，這樣的問題尤為明顯。解決方法一般是對數字高程模型進行加密修正，提高其精度;若管線數據精度不高導致沖突，則需要重新復測。

圖2 地下管線信息數據挖掘功能圖示

此外，可采用目前比較成熟的三維地理信息平臺，將制作好的三維場景數據進行導入，并利用其提供的二次開發接口，針對地下管線成果進行開發，包括場景瀏覽、漫游、查詢、統計、分析等功能，實現地上與地下三維一體化表達、展示與利用，從而提高地下管線信息的可利用價值。

三、應用實例

針對上述關鍵技術的研究，筆者已進行了相關開發與實踐，目前研究實現成果已應用于青島市地下管線信息系統建設工作中，取得了很好的效果。具體應用實例如圖3—圖8所示。

四、結束語

本文主要結合青島市地下管線信息化建設工作，針對地下管線信息系統建設的關鍵技術提出了一些思路和方法，并進行了針對性的研究與實現，實踐證明是可行的。目前，全國大多數城市正大力開展城市地下管線普查與信息化建設工作，本文提出的一些關鍵技術可為其他城市提供一定的參考。

圖3 基于C/S架構開發的地下管線數據庫管理系統

圖4 基于B/S架構開發的地下管線信息瀏覽查詢系統

圖5 管線數據入庫更新功能圖示

圖6 管線歷史數據瀏覽功能圖示

圖7 地上與地下一體化三維表達圖示

圖8 地下管線爆管分析功能圖示

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Research on the Key Technology of Urban Underground Pipeline Information System

DING Penghui，LI Zhigang，DONG Shaohuan，LIU Xiaohui

當前，全國正在開展地下管線普查與信息化建設工作，本文結合青島市地下管線信息化建設工作，在開展了大量研究與實踐的基礎上，針對地下管線信息系統建設的關鍵技術提出了一些新的方法與思路，為國內其他城市開展類似工作提供了方法與思路的參考。

地下管線;管線系統;地理信息系統;關鍵技術

丁鵬輝( 1972—)，女，高級工程師，主要研究方向為測繪與地理信息系統。E-mail: 729972@ 163．com

P208

B

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