排水管線三維信息系統設計與實現

石淼，何偉，張敏，向祎，張義明，袁亞雄

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著城市的進步和發展，城市排水管網已進入一個加強管理，提高安全保障的新時期，尤其是近年來我國城市內澇事件頻發，更讓人們清醒地認識到在排水管網建設的同時更要加強管理，隨著計算機技術、測繪技術的發展，排水管網的信息化管理應運而生，成為科學管理的發展方向[1]。

利用三維可視化和虛擬現實技術，開展地下管線三維模型重建，能夠直觀再現地下管線間縱橫交錯、上下起伏的空間位置關系，解決傳統二維管線空間關系不明晰、顯示效果不直觀等問題，為輔助地下管線、綜合管廊和海綿城市的規劃建設、合理集約利用地下空間、保障管線安全提供有效的技術支撐[2]。因此，城市地下管線的信息化管理、表達與應用正經歷著從二維到三維的跨越。

本文以建設“武漢市江岸區排水管線三維信息系統”為例，利用三維建模技術，建立了排水管線三維數據庫，開發了排水管線三維信息系統，實現了管線三維漫游、快速查詢定位、統計分析、空間量算和標注等功能。

2 系統總體架構

系統的總體架構包括基礎設施層、數據層、支撐層和應用層。其中，基礎設施層包括機房基礎設施、網絡通信設備、數據服務器和應用服務器；數據層包括三維模型、地名地址、道路數據、社區數據和管線數據；支撐層包括數據服務接口和功能服務接口；應用層表示排水管線三維信息系統的功能實現。總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

3 數據建庫

數據建庫的內容包括地理空間框架數據、排水管線數據和元數據，其中地理空間框架數據包括三維模型數據、地名地址數據、道路數據和社區數據，排水管線數據包括二維數據和三維模型數據。

3.1 城市三維建模

以江岸區1∶2 000基本比例尺地形圖、0.2 m航空影像地圖和街景地圖數據為基礎，通過外業紋理采集，利用3ds Max通用建模軟件、模型自動生成工具和圖像處理工具，制作地形三維模型、建筑三維模型、交通設施三維模型和其他三維模型，清晰直觀地表達城市三維景觀。

3.2 排水管線二維數據建庫

如圖2所示，排水管線二維數據建庫是將地下管線普查的成果輸入數據庫，并進行數據預處理、檢查、糾錯和處理，形成具有拓撲關系的地下管線點數據表和線數據表[3]。在數據建庫過程中主要的流程有：依據探測的原始記錄進行地下管線空間數據庫結構設計；通過圖庫一體化檢查軟件進行入庫前的數據檢查，以確保入庫的數據與現場探測的數據一致；經過軟件檢查出的數據錯誤應查明原因，必要時到現場進行復核，并將復核結果在數據庫中改正；數據經過改正后應重新用軟件進行檢查[4]；通過數據檢查后，進行重組、轉換及圖形屬性關聯等操作，按照比例尺、管線及對象類型和層次關系進行存儲建庫；數據入庫后進行接邊處理。

圖2 排水管線二維數據建庫流程

為了保證江岸排水管線數據庫的現勢性，管線建庫后平臺正常運行過程中，平臺將提供數據更新功能，可以利用管線普查或管線修補測、管線竣工測量等成果更新管線數據庫。

3.3 排水管線三維模型建庫

以排水管線二維數據庫為基礎，在要求的制作范圍內，對二維管線數據的質量進行檢查，規范圖層命名說明，對二維管點、管線等屬性信息進行檢查，統一橢球參數、投影類型、分帶類型、中央子午線等空間參考設置，依照地下管線數據標準，進行入庫，二維管線存放到ArcSDE中；建立三維管線、管點基礎模型庫，依據二維管線數據，采用管線處理工具自動生產三維管線模型，疊加地面三維模型，對三維管線模型進行補充制作、效果渲染和烘焙等步驟[2]。最后將二維數據和三維管線數據入庫并進行服務器端發布，實現在網絡環境下對三維地圖的快速瀏覽訪問和應用。

圖3 排水管線三維模型建庫流程

4 功能設計

系統主界面如圖4所示。系統主要的功能包括三維漫游、圖層管理、快速定位、查詢統計、空間分析、空間量測和扯旗標注等，具有代表性的功能如圖5～圖8所示。

圖4 系統主界面

圖5 屬性查詢

圖6 管線統計

圖7 橫斷面分析

圖8 連通分析

(1)三維漫游：提供靈活的運動控制，方便從各個方面審查三維場景：提供自由、鳥瞰、環視、路徑等多種瀏覽模式，從各個角度查看三維場景。

(2)圖層管理：采用圖層方式管理不同類型的數據(包括排水設施三維模型、交通設施三維模型、地形景觀三維模型、地上建筑三維模型等)。

(3)快速定位：支持對地名、道路、社區數據進行模糊搜索并快速定位。

(4)數據查詢：提供多種查詢方式對排水管線設施進行查詢，包括屬性查詢、空間查詢、社區查詢、分類查詢等。

(5)數據統計：提供給定屬性條件和空間范圍的統計，并可以生成統計表格和統計圖。

(6)空間分析：提供橫縱斷面分析、連通分析、流向分析等。

(7)空間量測：提供全方位測量工具，包括位置量測、距離量測和面積量測等。

(8)扯旗標注：提供扯旗標注管線屬性的功能。

5 關鍵技術

5.1 閉合式數據更新入庫流程構建

為保持管線數據鮮活性，本項目建立了一套完整的閉合式數據更新入庫流程。排水管線普查探測的成果經過數據采集、數據加工、數據分析、數據檢查、數據入庫等流程，最后導入到排水管線基礎信息數據庫，形成“數據中心”。后續過程中利用排水管線竣工測量的成果數據、修補測數據和詳勘數據等對現有“數據中心”進行更新，從而保證數據的現勢性和完備性。

5.2 軟件開發采用“裝配式GIS”技術進行快速構建

系統采用了“裝配式”GIS軟件開發體系架構[5]。“裝配式”GIS技術，讓用戶可以從數據源、數據展示、要素操作、功能拓展、用戶權限等方面根據需求自行配置調整，從而保障了系統的生命力，提高了系統的靈活性、可擴展性與通用性，此外，還方便了系統的擴展維護。

5.3 二三維管線數據同步增量更新技術實現

系統應用自動建模技術和三維管線數據庫更新機制，進行任意范圍二三維管網數據的同步在線更新。在提取到二維管網空間及屬性數據庫的更新信息后，主動在三維系統中進行單體管線模型及其附屬設施的重建。實現了三維管網模型的局部高效更新，保證三維模型與二維屬性數據的嚴格一致，為基于三維的管線管理和分析提供高時效性的數據基礎。

6 總 結

本文結合“武漢市江岸區排水管線三維信息系統”項目，利用三維建模技術，建立了排水管網數據庫，開發了排水管線三維信息系統，實現了排水管網信息化管理，為排水管網數據更新、規劃與疏澇，排水設施的管理、維護和建設等工作提供數據支撐和信息化支持。同時，該系統也為“智慧水務”的建設奠定了基礎，并已經成功運用于武漢市江岸區排水管網的日常管理，提高了排水管網信息化水平。目前該系統主要側重于排水管網數據的三維可視化查詢、統計、分析等功能，如何將系統功能拓展到排水管線規劃、建設和監管等管線全生命周期業務[6]，如何利用物聯網技術，實現排水管網實時動態監測是下一步研究的重點和難點。