淺談三維管線管理系統的發展

郭 猛張 衛李 娜 曹洪志

（1.山東省城鄉建設勘察設計研究院，山東 濟南 250031；2.安徽理工大學地區與環境學院，安徽 淮南 232001；3.正元地理信息有限責任公司浙江分公司，浙江 德清 313200；4.濟寧礦業集團安居煤礦，山東 濟寧 272000）

0 引言

地下管網是城市的基礎動脈，與百姓生活息息相關,有著傳輸信息、輸送能量、排污給水、暖氣輸送、氣體輸送、電纜等功能。隨著經濟的發展，城市的地下管網越來越繁雜，在城市的整個地下縱橫交錯，通向四面八方[1-2]。建設規模不斷擴大，使用功能日趨復雜，地下空間開發利用越來越受到各方的看重，城市地下管網的規劃已成為城市規劃管理中非常重要的組成部分。

城市建設過程中，常因地下管網未統一布局、規劃和管理，出現破壞地下管線的嚴重事故，造成慘重經濟損失甚至威脅著居民生活的安全，甚至制約城市建設和經濟的發展[3]。我國大部分城市的地下管線鋪埋情況復雜、資料雜亂不清，地下管線管理不盡人意，造成了許多設計上的失誤和施工事故，造成了極大損失浪費。尤其是近年來，舊城換新顏，新建、改建、擴建道路使得管網發生了巨大的變化，舊的數據不能如實反映城市管線情況[4]。對于地下管線信息的管理查詢分析越來越重要，而現在許多管線信息管理系統仍然是C/S結構，沒有實現網絡發布空間信息功能、網絡共享、軟件升級和數據維護麻煩[5]。在地下管線管理系統中實現三維顯示的也很少，不能在三維場景中直觀管理和操作管線。

地理信息系統已經成為IT重要組成部分，GIS系統專業開發工具也飛速發展，出現了大量GIS系統專業開發工具Arc/Info，MapINFO等。GIS以其獨有的優勢，成為實現地下管線空間數據、屬性數據、拓撲關系一體化管理的必要手段。WebGIS的出現更是給地下管線的管理帶來了新的變革，基于WebGIS的地下管線信息管理系統比桌面軟件有很大優勢。ARCGIS Server的應用給我們開辟了網絡管理地下管線信息的有效途徑。OpenGL的發展、ActiveX控件在網絡編程中的普遍使用也為我們在網頁上實現管線三維提供了可能[6]。

1 3DGIS的發展

GIS技術以及三維信息獲取技術的發展，使得3DGIS研究成為當今研究一個熱點[7]。3DGIS是基于三維空間坐標的研究，需要對三維對象及其相關信息進行建模、表示、管理、操作、分析和決策[8]。但由于三維空間數據量大、三維空間具有復雜的空間拓撲關系，且二維平面顯示三維空間數據具有一定的局限性等問題，研究熱點主要集中在三維空間數據模型、虛擬現實技術和可視化技術的研究上[2]。

三維空間數據模型研究三維空間實體及其相互關系，研究其描述方法、三維數字景觀模型構建、球面空間數據模型等，為發展三維地理信息系統和應用提供思路和方法[3]。

虛擬現實是采用以計算機技術為核心的現代高新技術，生成一種逼真的視、聽觸覺為一體的迷你交互環境，用戶通過某種設備與虛擬環境中對象交互作用、相互影響，產生體驗[9]。

三維可視化是將抽象符號轉化為幾何圖形的計算方法，以便研究者能夠觀察其模擬和計算的過程和結果，其基本思想是由三維空間到二維平面的變換。3DGIS的可視化主要是對地形（如數字高程模型）和數字城市的三維圖形的顯示技術[4]。

2 WebGIS的發展

WebGIS是一種利用Intranet/Internet技術、采用Http協議、在Intranet/Internet環境下實現對地理信息的分布式獲取、顯示、存儲、處理、查詢分析和輸出的地理信息系統，是現代GIS的發展方向[9]。

第二代互聯網(NGI)來源于高性能計算和通信倡議，集中力量要解決的問題是提高網上信息傳輸速率，預計將高達650兆比特，是目前因特網主干網傳輸速率的十幾倍，能夠更好地管理網上的信息流，避免網上阻塞現象[10]，WebGIS利用網絡進行數據信息傳輸的速度也將大大提高，也會更好地推動WebGIS的發展和應用[5]。

3 管線管理系統的發展

國外地下管線管理系統的研究與應用方面起步早、經驗豐富。美國洛杉磯的一個污水管道檢修項目中，市政工程局通過閉路電視來探測管線主干排污管，利用ARC/INFO軟件并結合管道系統數據庫來確定最有可能損壞的管道，根據軟件分析結果制定管道檢修計劃[6]。新加坡利用GIS技術建立了地下管網管理系統，能夠提供電力設施部門所需的電線追蹤及其它分析功能。美國、加拿大等發達國家的石油公司也都建立了石油管道管理系統[11]。

我國城市地下管線的管理和研究工作總體還相當落后，但國家信息化建設正在逐步深入，數字化、智能化城市正在建設，城市管線管理必將走向數字化、網絡化、三維化。各城市管線管理系統的建立過程中，均對信息系統的建立模式、功能模塊等相關內容進行了多方面的設計和研究[12]，基于GIS的管線管理系統開發技術已日臻成熟。

4 存在不足和發展趨勢

城市地下管線管理系統在平面圖形管線管理技術方面已比較成熟，功能較完善，但在地下管線的網絡化建設以及三維立體化方面的研究還有不足，技術發展相對滯后。

4.1 WebGIS功能實現的不足

很多網絡版地下管線信息管理系統，實現了管線基礎地理數據的顯示、管線的查詢統計等簡單的功能，但對于GIS分析功能及城市規劃中的某些應用還沒有實現，如管線分層管理、距離丈量、斷面分析，管線凈距分析、管線爆管分析、覆土深度、拆遷范圍分析等。

4.2 網絡上管線三維顯示的不足

目前很多地下管線管理系統，實現了C/S模式下的管線三維場景演示或實現了管線信息的簡單網絡顯示，能夠在網絡環境下實現管線三維的研究還較少，如何在OpenGL中實現管線、地形的三維顯示，以及在三維環境中實現信息查詢、漫游等功能，并將實現的三維功能搬到網絡系統是本課題需要解決的問題。

現今許多管線管理系統雖然已經在二維管線管理方面做得非常完善，但在網絡及三維技術飛速發展的今天，仍然無法滿足城市規劃對管線網絡管理及管線三維直觀顯示的需求。構建基于WebGIS的三維管線管理信息系統是對GIS行業的一個挑戰，也是管線管理發展的一個機遇。WebGIS及三維管線管理的實現和應用將是未來城市管線管理系統的研究方向。

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