三維WebGIS在城市綜合地下管線管理中的應(yīng)用
——以濟南市為例

張學(xué)明，馬繼居，劉新新

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101； 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250101； 3.濟南市城市規(guī)劃咨詢服務(wù)中心，山東 濟南 250101)

三維WebGIS在城市綜合地下管線管理中的應(yīng)用
——以濟南市為例

張學(xué)明1，2*，馬繼居1，2，劉新新3

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101； 2.山東省城市空間信息工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250101； 3.濟南市城市規(guī)劃咨詢服務(wù)中心，山東 濟南 250101)

針對地下管線錯綜復(fù)雜、管線事故頻發(fā)、管理難度和管理成本日益增加的問題，采用StampGIS軟件進行三維管線自動建模，并搭建一個基于WebGIS的三維管線應(yīng)用系統(tǒng)，集成了場景瀏覽、查詢、統(tǒng)計分析、斷面分析、爆管分析和開挖分析等實用的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了虛擬立體環(huán)境下海量管線數(shù)據(jù)的高效管理和應(yīng)用，大大提高了濟南市地下管線管理的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，對促進管線信息共享，提高城市地下空間規(guī)劃決策水平具有重要意義。

WebGIS；StampGIS；地下管線；三維

1 引 言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程不斷深入，城市建設(shè)快速發(fā)展，規(guī)劃和管理水平顯著提升，城市地上空間高樓林立，發(fā)展態(tài)勢欣欣向榮。與此同時，城市地下空間的合理利用也成為大家熱議的焦點，作為城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，地下管線的建設(shè)和管理成為城市規(guī)劃管理者關(guān)注的重中之重。一方面，由于歷史欠賬較多，地下管線現(xiàn)狀不清、信息不全的現(xiàn)象比較突出；另一方面，沒有建立先進的地下管線管理系統(tǒng)，無法應(yīng)對快速增長的管線管理需求。近年來，地下管線事故數(shù)量成倍增長，一些城市中停水?dāng)嚯姟⒐芫€泄露爆炸、大雨內(nèi)澇、路面塌陷等事故時有發(fā)生，不僅造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響城市運行和人民生活，也阻礙了地下空間利用的深度和廣度，成為城市建設(shè)和管理中突出的痛點和短板[1，2]。

GIS具有強大的空間數(shù)據(jù)組織和空間分析能力，對與空間位置相關(guān)的應(yīng)用具有天然的獨特優(yōu)勢，是實現(xiàn)地下管線空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系一體化管理的絕佳手段[3]。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和三維技術(shù)的飛速發(fā)展，WebGIS和3DGIS得到了廣泛的應(yīng)用和充分的實踐，技術(shù)水平日漸成熟，平臺化、三維化和網(wǎng)絡(luò)化成為現(xiàn)代GIS的主要特征和發(fā)展趨勢[4，5]。

為摸清濟南市地下管線現(xiàn)狀，加強管網(wǎng)數(shù)據(jù)的綜合利用，2015年濟南市啟動了地下管線普查和地下管線綜合管理信息系統(tǒng)建設(shè)工作，對濟南市中心城范圍內(nèi)城市主要道路及其沿線建筑物等地理實體要素進行三維建模，將管線普查成果二維數(shù)據(jù)自動批量驅(qū)動生成三維模型，使用StampGIS的網(wǎng)絡(luò)可視化與開發(fā)平臺開發(fā)了三維管線管理應(yīng)用系統(tǒng)，在一個全方位、立體化的管理環(huán)境中，切實表達管線之間以及管線與周邊地物之間的空間關(guān)系，為全面掌握濟南市地下管線現(xiàn)狀，加強地下管線科學(xué)規(guī)劃建設(shè)和管理提供有效支撐，為提高城市綜合承載能力、保障城市安全運行打下堅實的基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)建設(shè)

數(shù)據(jù)是GIS的重要組成部分，是整個GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)和靈魂，并在相當(dāng)大的程度上決定了GIS應(yīng)用的有效性。在地下管線綜合管理信息系統(tǒng)建設(shè)工作中，數(shù)據(jù)建設(shè)的主要內(nèi)容為濟南市中心城 1 022 km2范圍內(nèi)城市主要道路及其沿線三維景觀、地下管線三維模型及二維管線數(shù)據(jù)庫，涉及的三維地理信息模型包括地形模型、建筑要素模型、交通要素模型、場地模型和管線要素模型等。數(shù)據(jù)建設(shè)完成后，通過StampManager運維管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)整合，搭建一個完整的三維模型景觀，如圖1所示。

2.1 地形模型

地形模型是用于表示地面起伏形態(tài)的三維模型，是搭建三維模型景觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。按照Stamp平臺的數(shù)據(jù)組織要求，地形模型通過DEM疊加DOM的方式表現(xiàn)，通過StampTools工具將DEM和DOM發(fā)布成三維瓦片數(shù)據(jù)。DEM基于機載LIDAR點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)，濟南繞城高速以內(nèi)成圖比例尺為 1∶500，網(wǎng)格間距為 0.5 m，高程精度優(yōu)于 0.15 m；繞城高速以外成圖比例尺為 1∶2 000，網(wǎng)格間距為 2 m，高程精度優(yōu)于 0.2 m。DOM地面分辨率 0.2 m，影像成圖精度高、色彩清晰，范圍覆蓋濟南中心城區(qū)。

圖1 三維模型景觀

2.2 地上地理要素模型

地上地理要素模型包括建筑要素模型、交通要素模型和場地模型等。建模所用的底圖為外業(yè)調(diào)繪的 1∶500比例尺地形圖，建模時參照現(xiàn)場采集的照片對大于 0.5 m的細(xì)節(jié)進行建模表現(xiàn)，貼圖紋理來源為高分辨率現(xiàn)狀照片，對遮擋物、透視變形、眩光等問題進行了適當(dāng)處理。建筑要素模型制作內(nèi)容包括各類地上建(構(gòu))筑物及其附屬設(shè)施，主要對沿街第一排建筑模型進行II級精細(xì)度表現(xiàn)，平面精度與測圖精度保持一致；交通要素模型制作內(nèi)容包括道路、橋梁和道路附屬設(shè)施，在保證建模精度的情況下對道路邊線上的折點進行了適當(dāng)?shù)某橄「呕㈤_發(fā)了建模工具基于DEM進行道路高程的自動提取；場地模型在道路模型的基礎(chǔ)上進行制作，確保交通要素與場地的合理接邊及地物拓?fù)潢P(guān)系正確。

2.3 管線要素模型

管線建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是濟南市地下管線普查成果，包含給水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α㈦娦拧⒐I(yè)和綜合管溝(廊)八大類，生產(chǎn)方式為基于二維管線數(shù)據(jù)自動批量建模，建模時直接發(fā)布成三維瓦片，所生成的三維管線與附屬設(shè)施耦合程度高，表現(xiàn)效果非常精湛。建模之前需建立管點基礎(chǔ)設(shè)施符號庫，在3ds Max中對普查數(shù)據(jù)中涉及的附屬設(shè)施類型進行統(tǒng)一細(xì)節(jié)建模表達，然后導(dǎo)出為Stamp平臺原生的USX數(shù)據(jù)格式。另外，所有的井和箅子可通過軟件自動生成，只需制作井蓋、井室、箅子的紋理貼圖即可。

2.4 二維管線數(shù)據(jù)庫

由于管線三維建模時生成的是三維瓦片，不含任何屬性信息，所以需將發(fā)布管線時使用的二維管線數(shù)據(jù)導(dǎo)入Oracle數(shù)據(jù)庫，發(fā)布成數(shù)據(jù)服務(wù)后供三維系統(tǒng)調(diào)用，Stamp平臺基于二維管線數(shù)據(jù)完成查詢統(tǒng)計和空間分析。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

Stamp平臺具有精細(xì)化大場景高性能、高精度渲染，城市級海量數(shù)據(jù)快速加載等特點，可充分實現(xiàn)地下管線、地上建筑物的可視化、信息化管理[6]。該平臺采用面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計，由客戶端StampClient插件、服務(wù)端StampServer和獨立的三維數(shù)據(jù)編輯處理工具StampTools組成[7]。濟南市地下綜合管線管理信息系統(tǒng)的功能包括三維場景瀏覽、查詢、統(tǒng)計分析、斷面分析、爆管分析、開挖分析等。

3.1 三維場景瀏覽

實現(xiàn)了地下瀏覽、地面透明度調(diào)整、視點管理、場景飛行、交互式漫游瀏覽等功能，具有良好的交互體驗，全方位滿足用戶的各種瀏覽查看需求。圖2為從地下觀察管線的分布狀況。

圖2 地下瀏覽

3.2 查詢

系統(tǒng)提供多種豐富便捷的查詢功能，包括點選屬性查詢、空間搜索查詢、緩沖區(qū)查詢、SQL條件查詢及基于SQL拓展的各種基礎(chǔ)查詢，如附屬物查詢、管徑查詢等。圖3顯示了空間搜索查詢和基于字段的SQL查詢結(jié)果。

圖3 空間搜索查詢和SQL條件查詢

3.3 統(tǒng)計分析

可對管網(wǎng)中的附屬物、特征點、管徑、材質(zhì)等的數(shù)量或管線長度進行分類匯總，以便從數(shù)量上摸清已有管線的整體情況，也可自選范圍統(tǒng)計施工改造時受影響的管線數(shù)量。圖4顯示的是所選各類管線的附屬設(shè)施的類型和數(shù)目，統(tǒng)計結(jié)果可以導(dǎo)出為電子表格，也可輸出為柱狀圖。

3.4 斷面分析

管線橫縱斷面圖可直觀反映道路下各管線與路面的埋深情況和各管線之間的空間關(guān)系，它是管線工程設(shè)計的基礎(chǔ)，對于各類管線的設(shè)計、敷設(shè)、維修具有重大的指導(dǎo)意義，同時也是各類城市市政建設(shè)的依據(jù)[8]，如圖5所示。

圖4 統(tǒng)計分析

3.5 爆管分析

當(dāng)城市壓力管線發(fā)生爆管現(xiàn)象時，可以迅速分析出相關(guān)聯(lián)的管線和設(shè)施，達到爆管后快速響應(yīng)、及時采取有效措施，盡可能減少產(chǎn)生的危害和經(jīng)濟損失，保障人民生命財產(chǎn)安全的目的[9]，如圖6所示。

圖6 爆管分析

3.6 開挖分析

可以分析沿路開挖等工程施工對地下管線的影響，分析工程挖方量，并給出開挖范圍內(nèi)的管線設(shè)施列表，在施工之前獲得現(xiàn)場地下的詳細(xì)資料，預(yù)防事故的發(fā)生，如圖7所示。

圖7 開挖分析

4 結(jié) 論

立足于管線工程設(shè)計規(guī)劃、報建審批和批后管理工作的需求，將城市地上地下空間納入到一個統(tǒng)一的三維建模場景，基于StampGIS平臺建立了一個科學(xué)、準(zhǔn)確、可視、智能的綜合地下管線管理信息系統(tǒng)，為濟南市地下管線的管理提供強有力的支撐。

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Application of 3D WebGIS in Management of City Integrated Underground Pipeline ——Reference from Jinan City

Zhang Xueming1，2，Ma Jiju1，2，Liu Xinxin3

(1.Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Institute，Jinan 250101，China； 2.Shandong Engineering Technology Research Center of Urban Spatial Information，Jinan 250101，China； 3.Jinan Urban Planning Consultation Service Center，Jinan 250101，China)

To cope with the severe situation presents in underground pipeline，such as its disorder and complexity，frequent accidents，increasing management difficulty and management cost，we established 3D pipeline models with StampGIS software，and constructed a 3D application system which was based on WebGIS. The system is practical in management and utilization of massive pipeline data in a virtual environment，with useful functions realizing scene browsing，querying，statistic，section analysis，bursting analysis，excavation analysis and so on. This job greatly improves the accuracy and the scientific nature of underground pipeline management in Jinan city，and it is of great significance to promote the pipeline information sharing and to improve the decision-making level of underground space planning.

WebGIS；StampGIS；underground pipeline；3D

1672-8262(2017)03-56-04

P208.2

B

2016—12—06

張學(xué)明(1974—)，男，高級工程師，主要從事地理信息研究與應(yīng)用。

濟南市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)建設(shè)項目(JNCZ(HQ)-GK-2015-0001)