地下管線三維可視化智能信息系統研究

趙志杰

（滄州市測繪院）

1 實例概況

1.1 某市地下管線的特點

某城市地下管線的特點包括：①地下管線包括給水、排水、電力、熱力、燃氣、工業等管道，種類繁多；②各類管線的管理各自為政，例如，給水管道、排水或雨水管道屬市政公司管理，電力管道屬電業局管理，熱力管道屬熱力公司管理，各類管線的建設、管理與維護工作均由權屬單位負責；③地下管線的隱蔽性較強，因管線均鋪設于地下，最低覆土厚度為0.5m，甚至一些污水管埋設深度達到10m，另外，一些管線之間共溝鋪設，并且一些管線屬于私自建設，因此，無法準確識別其種類；④地下管線的數據更新較快，因城市地下管線建設速度較快，并且隨著城市的發展在不斷擴張，因此，城市地下管線的更新建設速度較快；⑤隨著科技的發展，地下管線建設技術日趨復雜，如非開挖技術等，各種工程塑料管、超高壓輸電電纜等都得到了廣泛的應用，管線系統也越來越復雜，如高壓力管道系統等。

1.2 地下管線數據

城市地下管線數據由管點和管線段組成，具有網絡化特點以及不同的屬性數據結構。屬性數據是建立三維管線模型以及進行空間分析的必要條件，而且多數空間分析，都需要屬性數據的支持，因此，屬性數據的完整性對三維管線空間分析功能有一定的制約作用[1]。

2 三維地下可視化智能信息系統分析

2.1 系統總體框架

該市三維地下管網信息管理系統的總體結構為分層式結構，其數據層為地上建筑物模型、地下管網模型庫、管線專題數據以及基礎地理信息數據，三維可視化和空間分析的開發平臺為ARCGIS。通過對該市地下管線管理的發展趨勢以及地下管網的應用需求進行綜合考慮，并有效結合三維地理信息系統開發平臺，采用B/S和C/S混合的體系結構進行三維地下管網管理系統的開發，使該系統不僅可以滿足城市地下管網管理和應用的需求，還可以實現管網數據發布、共享和維護。

2.2 軟件環境與支撐平臺

該市地下管線三維可視化智能信息系統的二維與三維顯示技術由ARCGIS軟件平臺提供，并通過應用C++面向對象編程技術、Oracle關系型數據庫技術、Geodatabase空間數據庫管理技術以及針對網絡分析的幾何網絡模型等，為城市地下綜合管線管理提供二維、三維交互式操作體驗，使地下管線能夠直觀、清晰地展現在使用者面前，從而有效提高地下管線的管理效率以及城市整體規劃的效率。

2.3 數據層

按照數據類型，城市地下管線三維場景數據可劃分成柵格數據、矢量數據2大類。其中，柵格數據主要包括DEM（數字高程模型）和DOM（文檔對象模型），其中的三維模型數據包括地上建筑模型和地下管線模型；矢量數據主要是點、線、面類型的數據。三維場景數據的組織結構主要包括數據集、工作空間、要素類、記錄行[2]。其中，要素類是數據組織的最小單位，在三維場景中，要素三維管線信息數據可以作為圖層，按照數據組織結構進行可視化顯示。

2.3.1 柵格數據結構

柵格數據結構的基礎是格網模型或者柵格數據模型，其表達形式較為簡單，主要通過相鄰、連續、規則分布的柵格單元或像元表達空間對象。在城市地下管線測繪中，柵格數據主要來源于高分辨率航測影像、衛星影像以及數字產品，柵格數據通過加工后，可以作為城市管線的基礎底圖。

2.3.2 矢量數據結構

矢量數據結構是通過對實體坐標及其關系進行記錄，精確表現點、線、多邊形等地理實體，是一種數據組織方式，并以幾何空間坐標為基礎，記錄取樣點坐標，可以對任意位置、長度以及面積進行精確定義。這種數據組織方式具有數據精度高、數據存儲的冗余度低、便于進行地理實體的網絡分析等優點，能較好地模擬地理實體的空間分布特征。城市管線中的矢量數據主要由管線特征點、管線地面井位與管線線位等數據組成，其中管線的關節節點為井位與管線特征點，通過關節節點之間的鏈接，可以表示管線線位，通過實測管線埋深與關節節點空間坐標，確定管線線位空間位置，并以矢量線數據表示。

2.4 平臺層

平臺層的功能模塊包括平臺工具以及三維基礎地理信息平臺。通過從數據層獲取相關數據，并對其進行編譯處理以及自動化建模實現數據的顯示、搜索和分析功能，還可以實現管線的發布與更新，更新重新鋪設的管線數據，從而實現數據庫的實時更新，使管網數據的實時性得到提高。

圖1 子系統總體框架

2.5 服務層與用戶層

服務層可以劃分成管線綜合管理子系統、管線共享平臺和管線共享應用子系統，向用戶提供管線數據的應用、管理、共享、維護和安全保護等方面的支持。服務層采用B/S和C/S相結合的架構，其中，B/S供相關政府部門和各權屬單位使用，C/S供內網用戶使用。

2.6 地下管線三維可視化子系統總體框架

如圖1所示，地下管線三維可視化子模塊系統主要使用數據庫子模塊提供的控制信息以及數據，從而實現地下管線數據的交互式查詢、數據動態表達、節點信息可視化、空間分析及可視化、多媒體顯示等功能。

可視化查詢子系統結合數據庫管理子系統，可以及時反映城市地下管線的信息動態，從而實現地下管線數據的可視化查詢，并將信息及時、直觀的傳遞給用戶。

3 三維地下管線可視化信息系統功能

3.1 實現地下空間數據的一體化管理

三維可視化地下管線信息系統可以提供完整的管線數據管理功能，通過對地上管廊、架空管線、地下管溝等的專業處理以及真實展現，從而實現地下空間數據的一體化管理，實現地上、地下一體化以及室內、室外一體化。

3.2 實現地下管線歷史空間數據的管理

在建設地下管線三維可視化信息系統的過程中，因地下管線數據會在時間、空間上不斷發生變化，因此，在管線實體數據發生變化時，可以采用增量式歷史數據管理方式，將變化后的數據存儲為現狀數據，將變化前的數據存儲為歷史信息。

4 結語

城市三維地下管線可視化信息系統可以在保持擴展性和靈活性的前提下，集成不同部門業務應用系統與平臺服務，實現地下管線數據的可視化、管理、應用以及共享，從而滿足共享平臺建設需求，促進城市地下管線管理水平的提高。