基于ArcScene平臺(tái)的三維管網(wǎng)系統(tǒng)的研究

王星捷，李春花

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614007)

0 引 言

地下管網(wǎng)[1]設(shè)施是城市中核心的基礎(chǔ)設(shè)施，由供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、電網(wǎng)和燃?xì)夤芫W(wǎng)[2]等地下網(wǎng)絡(luò)組成。它的特點(diǎn)有：涉及區(qū)域面積廣、設(shè)施數(shù)量隨城市發(fā)展每年遞增且越來(lái)越快、種類(lèi)各式各樣[3]、空間關(guān)系復(fù)雜[4]等等。

在管網(wǎng)信息展示上，簡(jiǎn)單的二維展示已經(jīng)不能反映各種層疊管網(wǎng)真實(shí)的空間關(guān)系。如果沒(méi)有一個(gè)能夠真實(shí)直觀地反映地下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的軟件，那么不管是在管網(wǎng)建設(shè)、管網(wǎng)維護(hù)或是與管網(wǎng)建設(shè)無(wú)關(guān)的交通道路施工和樓房修建中，都會(huì)因?yàn)榈叵鹿芫W(wǎng)信息不精確導(dǎo)致巨大的事故。文中通過(guò)對(duì)二、三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)以及地形數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。利用ArcScene平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了二、三維數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的無(wú)縫整合，清楚直觀地展示了各個(gè)管線(xiàn)之間的空間關(guān)系以及與地形之間的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了三維管網(wǎng)[5-6]基礎(chǔ)瀏覽、定位查詢(xún)以及管網(wǎng)分析等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)從下到上分別為：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層按數(shù)據(jù)類(lèi)型分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)層就是根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分為不同的功能模塊，完成到達(dá)用戶(hù)的不同目的。最終用戶(hù)看到的就是表現(xiàn)層，表現(xiàn)層實(shí)現(xiàn)用戶(hù)操作系統(tǒng)和獲取系統(tǒng)反饋的信息。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層主要包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù))[7]。空間數(shù)據(jù)包括二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)和三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)：二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于探測(cè)成果表，三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)[8]來(lái)源于二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)三維化結(jié)果。非空間數(shù)據(jù)包含柵格數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)是通過(guò)管點(diǎn)數(shù)據(jù)用地面高程數(shù)據(jù)作為參數(shù)插值分析生成的地形數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)源于成果表導(dǎo)入，存儲(chǔ)管網(wǎng)要素的屬性信息。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層。

各種業(yè)務(wù)功能主要由業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)，這個(gè)是由系統(tǒng)需求決定。該系統(tǒng)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能有基本的操作功能、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)功能和數(shù)據(jù)分析功能。

(3)表現(xiàn)層。

表現(xiàn)層用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與系統(tǒng)的交互，是用戶(hù)可以直觀感受到的三維信息。該系統(tǒng)主要通過(guò)ArcGIS Desktop的ArcGIS Scene實(shí)現(xiàn)三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)的展示和操作[9]。ArcGIS Scene是一個(gè)用于有效表達(dá)三維數(shù)據(jù)信息的平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)在三維視圖上的漫游和交互[10]。ArcGIS Scene支持TIN數(shù)據(jù)展示，能夠在平臺(tái)中展示地形數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

(1)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集。

管網(wǎng)設(shè)備深埋于地下，需要測(cè)繪人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的管網(wǎng)勘測(cè)工作，其中主要工作是查明管網(wǎng)的設(shè)備類(lèi)型、二維坐標(biāo)、管徑、流向、埋深、埋設(shè)方式、材質(zhì)、權(quán)屬單位、地址、安裝日期、維護(hù)日期、壁厚等相關(guān)屬性信息。并將探測(cè)結(jié)果導(dǎo)成Excel成果表，再根據(jù)成果表數(shù)據(jù)矢量化生成要素類(lèi)，存入地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

管網(wǎng)探測(cè)成果表在矢量化后要對(duì)矢量化后的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行連通性檢查，避免探測(cè)的誤差造成數(shù)據(jù)的連通錯(cuò)誤。并且要對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期的更新檢查。

(2)三維地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

地下管網(wǎng)主要是由管點(diǎn)和管線(xiàn)構(gòu)成[11]。管點(diǎn)數(shù)據(jù)包括閥門(mén)、調(diào)壓設(shè)備、氣源等。管道設(shè)施包括高壓、中壓和低壓管道設(shè)施。管道與管道之間由管點(diǎn)連接。通過(guò)管點(diǎn)和管道數(shù)據(jù)的連通關(guān)系可以建立幾何網(wǎng)絡(luò)，幾何網(wǎng)絡(luò)是管網(wǎng)分析的基礎(chǔ)。幾何網(wǎng)絡(luò)中的連通關(guān)系為一個(gè)管點(diǎn)可連接多條管線(xiàn)，而管線(xiàn)相連接的只有前后兩個(gè)管點(diǎn)。在建立幾何網(wǎng)絡(luò)時(shí)，ArcGIS會(huì)分析添加管線(xiàn)圖層和管點(diǎn)圖層要素的空間關(guān)系。如果管線(xiàn)與管線(xiàn)之間有管點(diǎn)要素連接，該管點(diǎn)就會(huì)成為這兩條管線(xiàn)的連接節(jié)點(diǎn)。如果兩個(gè)管線(xiàn)之間沒(méi)有管點(diǎn)要素連接，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)要素會(huì)存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)圖層中。

(3)三維地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

三維地下管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)[12]包括二維數(shù)據(jù)集、三維數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集，如圖2所示。二維數(shù)據(jù)集分為二維管線(xiàn)矢量數(shù)據(jù)、二維管點(diǎn)數(shù)據(jù)和幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。二維管道、管點(diǎn)數(shù)據(jù)是由外業(yè)探測(cè)成果表導(dǎo)入。二維幾何網(wǎng)絡(luò)由二維管線(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和二維管點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS平臺(tái)幾何網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建功能生成。三維管線(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和三維管點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)由二維管線(xiàn)矢量數(shù)據(jù)和二維管點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS平臺(tái)工具箱的“依據(jù)屬性實(shí)現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D”功能實(shí)現(xiàn)。柵格數(shù)據(jù)集中包含地形圖數(shù)據(jù)，地形圖數(shù)據(jù)通過(guò)已有的管點(diǎn)數(shù)據(jù)的地面高程信息，使用“反距離權(quán)重法”功能生成。

圖2 三維地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)

(4)三維地下管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)關(guān)系。

二維數(shù)據(jù)通過(guò)高程信息、材質(zhì)信息和管徑信息等屬性字段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)三維化，并將這些特征效果展示在三維圖層上。下面分別列舉了二、三維管點(diǎn)，管線(xiàn)的幾個(gè)主要字段，描述了它們的作用和相互之間的關(guān)系，如圖3所示。

①管點(diǎn)數(shù)據(jù)字段。

管點(diǎn)材質(zhì)分為PE管和鋼管。不同管點(diǎn)設(shè)備對(duì)地下環(huán)境的要求不同，所以為了增加設(shè)備的安全性和降低成本，應(yīng)選用不同的材質(zhì)。該字段設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了管點(diǎn)的維護(hù)，方便系統(tǒng)用戶(hù)確定管點(diǎn)設(shè)備管材。可以依據(jù)材質(zhì)對(duì)管點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。

管點(diǎn)埋深和管點(diǎn)高程。管點(diǎn)埋深是管點(diǎn)頂部到地面的深度，管點(diǎn)高程是管點(diǎn)相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的高度。通過(guò)這兩個(gè)字段數(shù)據(jù)可以分析出當(dāng)前管點(diǎn)的地面高程，并通過(guò)該字段分析出地形數(shù)據(jù)。管點(diǎn)埋深通過(guò)剖面分析將結(jié)果反映在折線(xiàn)圖上，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的深度變化的觀察。管點(diǎn)高程作為“依據(jù)屬性實(shí)現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D[13-14]”功能的屬性參數(shù)，給二維要素矢量數(shù)據(jù)附上高程值，實(shí)現(xiàn)二維矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)三維矢量數(shù)據(jù)。

圖3 三維地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)關(guān)系

管點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)。管點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)在探測(cè)成果表導(dǎo)入并矢量化時(shí)，根據(jù)橫、縱坐標(biāo)字段來(lái)創(chuàng)建管點(diǎn)要素。橫、縱坐標(biāo)賦予了管點(diǎn)要素的空間信息。

②管線(xiàn)數(shù)據(jù)字段。

管線(xiàn)材質(zhì)分為PE管和鋼管。不同管線(xiàn)設(shè)備對(duì)地下環(huán)境的要求不同，所以為了增加設(shè)備的安全性和降低成本，應(yīng)選用不同的材質(zhì)。管線(xiàn)的管徑也與其燃?xì)廨敵隽坑嘘P(guān)，不同管線(xiàn)壓力不同所設(shè)計(jì)的管徑也不同。材質(zhì)、管徑字段設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了管線(xiàn)的維護(hù)，方便系統(tǒng)用戶(hù)確定管線(xiàn)設(shè)備管材、管徑。可以依據(jù)材質(zhì)和管徑對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。并且材質(zhì)和管徑會(huì)以不同的顏色和粗細(xì)展示在三維圖層上。

管線(xiàn)起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置。起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置字段記錄了管線(xiàn)連接于兩端的管點(diǎn)設(shè)備的新編號(hào)字段數(shù)據(jù)。在通過(guò)成果表矢量化管線(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)已矢量化的管點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置字段信息，確定管線(xiàn)數(shù)據(jù)的空間位置，來(lái)創(chuàng)建管線(xiàn)要素。通過(guò)這兩個(gè)字段能夠判斷管線(xiàn)設(shè)備在管網(wǎng)中的連通關(guān)系，在后期的管網(wǎng)連通性檢查和管網(wǎng)分析[15]中，作為設(shè)備連通的依據(jù)。

管道起點(diǎn)高程和終點(diǎn)高程。起點(diǎn)高程和終點(diǎn)高程，通過(guò)起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的管點(diǎn)設(shè)備的高程字段獲取。通過(guò)這兩個(gè)字段數(shù)據(jù)賦予二維管線(xiàn)要素高程信息，實(shí)現(xiàn)二維管線(xiàn)維化。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(1)三維管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

二維管網(wǎng)要素和三維管網(wǎng)要素在非空間數(shù)據(jù)上并無(wú)差別，其主要區(qū)別在于空間數(shù)據(jù)不同。空間數(shù)據(jù)的不同主要在于有無(wú)高程信息。在ArcScene展示要素時(shí)，如果要素存在高程信息，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)反映出它的高程信息。

通過(guò)工具箱中的“依據(jù)屬性實(shí)現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D”功能設(shè)置參數(shù)，參數(shù)包括輸入要素、輸出要素類(lèi)、高度字段和終止高度字段。在要素設(shè)置高程信息三維化后，創(chuàng)建幾何網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，由于管網(wǎng)設(shè)備缺少高程字段數(shù)據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)相鄰管線(xiàn)與管點(diǎn)不連通的問(wèn)題。為了避免該類(lèi)問(wèn)題的存在，需要對(duì)管網(wǎng)連通性進(jìn)行檢查。檢查方法是通過(guò)顯示幾何網(wǎng)絡(luò)的流向來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)流向顯示查找無(wú)流向的管段并追蹤未連通的管點(diǎn)，接著使用幾何網(wǎng)絡(luò)編輯工具，將未連通管點(diǎn)添加進(jìn)管段。根據(jù)這個(gè)方法依次解決幾何網(wǎng)絡(luò)中所有無(wú)流向的管段。

(2)地形實(shí)現(xiàn)。

地形圖數(shù)據(jù)在一般方法無(wú)法獲取時(shí)，可通過(guò)現(xiàn)有管點(diǎn)數(shù)據(jù)的地面高程字段數(shù)據(jù)來(lái)生成。其實(shí)現(xiàn)方法分為兩步：第一，通過(guò)插值分析實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)柵格化；第二，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TIN數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)柵格化是通過(guò)工具箱插值分析中的反距離權(quán)重法實(shí)現(xiàn)。反距離權(quán)重法通過(guò)已經(jīng)設(shè)置完成的一系列已知值的矢量點(diǎn)結(jié)合權(quán)重來(lái)生成像素并設(shè)置像素的值。設(shè)置的冪值越大，單位距離范圍內(nèi)的插值越趨近于最近采樣點(diǎn)的值。

柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)TIN數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)不能在ArcScene展示三維立體效果，要將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TIN數(shù)據(jù)。TIN數(shù)據(jù)是矢量數(shù)據(jù)的一種，是不規(guī)則三角網(wǎng)模型。TIN數(shù)據(jù)由三角形、邊和頂點(diǎn)構(gòu)成。在ArcScene可視化控件中能夠展示三維效果，并且根據(jù)設(shè)置在不同高程上還能展示不同效果。ArcGIS Desktop分析算法中支持柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)TIN數(shù)據(jù)。

三維管網(wǎng)與地形疊加具體實(shí)現(xiàn)的效果如圖4所示。

圖4 三維管網(wǎng)系統(tǒng)效果

(3)分析功能。

分析功能包括爆管、閥門(mén)追蹤、連通性、橫縱剖面分析和緩沖分析等。

爆管分析實(shí)現(xiàn)通過(guò)點(diǎn)選一段管網(wǎng)模擬該管網(wǎng)發(fā)生爆管，就會(huì)根據(jù)該管段附近的網(wǎng)絡(luò)流向，分析出該管段上游最近的閥門(mén)設(shè)施，該閥門(mén)設(shè)施為待關(guān)閉的閥門(mén)，還會(huì)分析出下游受影響的所有管段和調(diào)壓設(shè)施。使用者可以根據(jù)分析結(jié)果來(lái)判斷待關(guān)閉的閥門(mén)并預(yù)測(cè)出爆管事故所影響的范圍，如圖5所示。

圖5 爆管分析

閥門(mén)追蹤分析是只針對(duì)于閥門(mén)的追蹤查詢(xún)。該功能根據(jù)選擇的管線(xiàn)查詢(xún)出其附近的最近閥門(mén)，操作人員在檢修管線(xiàn)時(shí)就可以通過(guò)這個(gè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。連通性分析首先要選擇兩條管道設(shè)施，然后計(jì)算出連接兩條管道設(shè)施的最優(yōu)化途徑路線(xiàn)，如圖6所示。橫、縱剖面分析，分析出管線(xiàn)的橫向和縱向的埋深變化，對(duì)于地面施工建設(shè)極大的幫助。緩沖分析則是通過(guò)手動(dòng)繪制點(diǎn)線(xiàn)面根據(jù)輸入距離參數(shù)進(jìn)行緩沖，緩沖過(guò)后還能夠查詢(xún)到與緩沖幾何相交的要素。

圖6 連通性分析

4 結(jié)束語(yǔ)

文中分析了管網(wǎng)的二維、三維數(shù)據(jù)以及地形柵格數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和特征，設(shè)計(jì)了二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系、各數(shù)據(jù)之間的分層關(guān)系，建立了三維地下管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)ArcScene平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和具體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了三維管網(wǎng)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)結(jié)果中可以看出地形數(shù)據(jù)、二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)和三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)無(wú)縫的結(jié)合，顯示效果好；在功能上實(shí)現(xiàn)了多種分析功能、基本瀏覽和查詢(xún)功能，證明該技術(shù)方案的可行性。為三維管網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種技術(shù)路線(xiàn)和方法。