三維城市地下管線模型的緩沖區分析

王秀超

摘要：城市地下管線作為城市信息傳輸、物質運送的生命線，在城市基礎建設中發揮著重要的作用，隨著智慧城市建設的推進，各地三維城市地下管線的建設也取得了一定的進展。在對三維管線的空間分析中，緩沖區分析存在于管線的設計、鋪設、維護的各個階段，具有重要的作用。本文介紹一種三維城市地下管線緩沖區分析的算法。

Abstract： Urban underground pipeline plays an important role in urban infrastructure as the lifeline of the city for the information and material transportation. The speed of the construction of 3D urban underground pipeline progressed rapidly recent years with the development of the Smart City. Buffer analysis is important for the spatial analysis of the 3D urban underground pipeline and it exists in various stages of the pipeline's design， laying and maintenance. In this paper， a new algorithm for the analysis of 3D urban underground pipeline buffer is introduced.

關鍵詞：三維管線；緩沖區分析；市政建設

Key words： 3D-pipeline；buffer analysis；municipal construction

中圖分類號：TU990.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）10-0123-03

0 引言

城市地下管線是城市規劃建設的重要內容，也是保障城市生存和發展的重要設施和生命線，與人民的日常生活息息相關。地下管線的管理與建設是市政建設的重要內容，而管線數據種類繁多、數據量大、分布范圍廣、空間分布復雜、形成時間長等特點，使得計算機管理技術在城市管線的科學管理中越來越發揮著重要的作用。在三維管線模型的分析中，緩沖區分析占據著極大的比重，管線的日常維護、開挖、選址以及建筑設計中確定建筑物的影響范圍等，都可以利用緩沖區分析功能作為工具，以期取得特定的效果。二維空間的緩沖區建立的研究已日趨成熟，如Ronggui在《柵格緩沖和矢量分析算法的聯合研究》中對比了矢量緩沖區分析和柵格緩沖區分析兩種算法的優缺點，并提出了一種柵格和矢量合并進行緩沖區分析的算法，以解決各種情況下的緩沖區問題；崔爽在《基于空間實體的緩沖區算法》中提出了對空間實體的大小進行計算，傳統緩沖區分析中空間實體分析的間隔問題。

然而隨著智慧城市的發展，二維空間的緩沖區分析的定義已不能適應三維可視化空間分析，因此，三維空間的緩沖區分析的研究越發重要起來?！痘诓紶栠\算的高效三維矢量緩沖區算法》中劉新明提出了快速建立三維空間實體緩沖區的算法，邱華在《三維數據的生成及緩沖區分析》中使用距離變換方法實現了三維緩沖區分析。本文將主要討論三維管線的緩沖區問題并提出一種便捷方法。

1 緩沖區分析簡介

定義1：基于空間鄰近的定義，緩沖區的建立可以將地圖分為兩部分，一部分位于選擇的空間實體的指定距離之內，另一部分在指定距離之外，指定距離之內的區域稱為緩沖區[1]。

定義2：緩沖是指地理空間實體的影響或服務范圍。

定義3：設三維空間中指定一個距離r，三維實體周圍d范圍內所有區域稱為實體o的緩沖區，其中d小于r：

B={p：d（p，o）？燮r}

其中B代表三維緩沖區，o為三維實體本身，d（p，o）為緩沖區邊緣到實體的距離，p為緩沖區邊緣，r代表給定的距離的值。

三維GIS空間分析主要包含四個要素：點、線、面和體，因此三維緩沖區分析可以分為四個部分[2]。

1.1 空間點的緩沖區分析

具體步驟如下所示：

①計算緩沖區域中心節點（xi0，yi0，zi0），其中i為與管線相同的類別，如熱力管線等；

②根據中心節點的結構來進行路徑分析，生成樹狀結構，其中中心節點為根節點，相鄰節點為子節點；

③計算每個點的緩沖區，緩沖區域為：Bij={xi：d（xj，o）r+r0}；

④計算根節點到各子節點之間管線的緩沖區區域，線狀實體的緩沖區為：Lij={lij：d（lij，o）r+r0}∪Bi0∪Bj0；

⑤將節點的緩沖區與線狀緩沖區疊加，通過對點實體和線實體的空間互操作，可以形成管線i的緩沖區；

⑥重復①～⑤，計算不同種類管線的緩沖區；

⑦疊加不同類別管線緩沖區。

3 管網緩沖區的應用

3.1 管網選址分析

管線設計過程中，考慮到新管線需要融入到整個城市管線系統中，需要確定新鋪設管線的最佳路徑，因此需要將現存的管線網絡進行緩沖區分析，以半徑r1（r1為已有管線與新管線的安全距離）作為半徑對管網生成緩沖區，并檢測新管線與管網緩沖區有交叉區域。如存在交叉，則需改變新管線的路徑，直至新管線與原有管線無交集為止。

3.2 確定影響范圍

在城市運行中，經常發生管線爆裂、閥門失效等管線事故，從而導致管線泄漏。通過管線的屬性信息、事故原因及發生時間可以通過緩沖區分析計算管線泄漏的影響范圍，并給出相應的輔助決策。如圖2所示，通過對某區域特定管線的緩沖區分析，可以搜尋出一定范圍內受影響的管線的數量、類型、位置等信息，以及管線是否與建筑物發生碰撞，在得到相關信息后將事故緩沖區圖與當前數字三維城市場景相疊加，還可以模擬出事故發生后受影響的管線、建筑物等的數量、范圍等，如天然氣事故后受影響將暫停供氣的建筑數量、供水管線爆裂后淹沒的范圍等等。

3.3 管線維護

過去由于信息的缺失和通訊手段的落后，管線的檢測系統一直得不到完善，為管線維護造成了極大的困難，例如當管線發生泄漏時，對管線泄漏點進行挖掘時非常容易破壞到其他管線，造成更大方面的事故，使得管線維護工作量加重甚至引發各種社會問題。

使用三維管線的緩沖區分析功能時，在管網維護之前，確定所需維護管線區域后，在三維場景中查找管道的維護情況，根據管線的屬性信息和相鄰管線（安全施工距離）確定管道緩沖區的屬性信息。確定緩沖區后，覆蓋基本地理模型和緩沖區，確定施工現場和土方開挖位置，如圖3所示。

4 總結

隨著數字城市和智慧城市的持續發展，三維城市的建設不斷進步，三維城市地下管線的管理和分析必將受到逐步的重視。通過對三維管線的緩沖區分析研究，可以有效地解決目前地下管線易受破壞，難以維護的狀況，有效地提高地下管線的管理和維護水平，實現管線維護的智能化。

參考文獻：

[1]劉力瑋.城市地下管線三維可視化系統研究與實現[D].西安：西安科技大學，2014，2-4.

[2]林淵鐘.GIS支持下的水電工程移民安置區選擇模糊評價研究與實現[D].杭州：浙江大學，2011，16.

[3]左海龍.基于OpenGL的山地城市輔助規劃系統研究[D].重慶：西南大學，2014，6.

[4]常勇，施闖.基于增強現實的空間信息三維可視化及空間分析[J].系統仿真學報，2007，9.