徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張奎，王軍

(徐州市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 徐州 221000)

1 引 言

由于諸多種類地下管線共處于地下空間中，地下空間在城市發(fā)展中變得十分復(fù)雜，地下管線管理信息系統(tǒng)相對(duì)于其他的空間信息管理系統(tǒng)建立起來更加困難，必須在二維GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展以滿足實(shí)際中的應(yīng)用需求。好在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上的各類三維系統(tǒng)的完善為之提供了很好的借鑒和參考，如果能夠?qū)㈠e(cuò)綜復(fù)雜的地下管線情況用三維圖形信息真實(shí)地還原出來，能夠使管線的規(guī)劃和管理更加簡(jiǎn)便，使得決策的過程變得更加科學(xué)高效[1]。

徐州市三維地下管線管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是利用二維的地下管線基礎(chǔ)信息，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而成。精確的二維地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使得形成的三維地下管線管理系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確、真實(shí)地描繪出城市的地下管線情況，而且由于基于三維的系統(tǒng)能夠給人們呈現(xiàn)出和現(xiàn)實(shí)視覺一致的場(chǎng)景，因此系統(tǒng)能夠更直觀、更立體地展現(xiàn)整個(gè)管線的空間關(guān)系，為管線的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析提供了更有利的空間服務(wù)方式[2]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體開發(fā)技術(shù)路線

(1)基于開放式主流系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)基于主流開發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2005。

Microsoft Visual Studio 2005是Windows環(huán)境下支持B/S與C/S運(yùn)行環(huán)境的強(qiáng)大的開發(fā)工具，在Microsoft Visual Studio 2005環(huán)境下，開發(fā)者能夠充分利用Windows操作系統(tǒng)提供的開發(fā)資源，創(chuàng)建一個(gè)集數(shù)據(jù)庫、通訊、GIS、Web技術(shù)、多媒體[3]等多種技術(shù)的應(yīng)用桌面環(huán)境，并在此環(huán)境下開發(fā)出一套具有可維護(hù)性、穩(wěn)定性好、運(yùn)行效率高、簡(jiǎn)潔無冗余等優(yōu)點(diǎn)的系統(tǒng)。

(2)以C/S為主體，結(jié)合B/S的應(yīng)用體系

徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)將結(jié)合不同的應(yīng)用采用以C/S為主體，結(jié)合B/S的應(yīng)用體系。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)著大量地下管線和地形空間及屬性數(shù)據(jù)，而對(duì)這些數(shù)據(jù)的操作需要專業(yè)的技術(shù)人員來進(jìn)行，包括數(shù)據(jù)的編輯、統(tǒng)計(jì)、分析以及歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性、運(yùn)行速度和運(yùn)行效率，因此為了滿足對(duì)地下管線和地形空間及屬性數(shù)據(jù)的處理和對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的需求，這部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為C/S結(jié)構(gòu)，并為專業(yè)技術(shù)人員提供對(duì)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的大量地下管線和地形空間及屬性數(shù)據(jù)交互和變更操作、空間分析和統(tǒng)計(jì)工具以及便捷靈活的制圖功能。

由于地下管線的權(quán)屬單位和管理單位各不相同，為了滿足各管線權(quán)屬單位、政府其他部門以及公眾對(duì)地下管線數(shù)據(jù)的信息訪問、查詢等需求，這部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為B/S結(jié)構(gòu)，在此模式下，系統(tǒng)為各管線權(quán)屬單位、政府其他部門以及公眾等用戶設(shè)置不同的權(quán)限，以滿足他們對(duì)地下管線數(shù)據(jù)不同的瀏覽、查詢等需求。其中，通過城域網(wǎng)和防火墻的認(rèn)證，地下管線各權(quán)屬單位可以瀏覽查詢自己管轄的地下管線及設(shè)施；通過Internet瀏覽器，政府其他部門及公眾可以訪問不同密級(jí)的地下管線信息；通過本單位的局域網(wǎng)，其他部門可以快速地瀏覽各種地下管線信息，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信息共享。

(3)基于Oracle+ArcSDE數(shù)據(jù)庫環(huán)境

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的核心與基礎(chǔ)，最基本的應(yīng)遵循數(shù)據(jù)與操作的分離原則。建立起的地下管線數(shù)據(jù)庫，需要滿足數(shù)據(jù)的集中管理，集中維護(hù)，分布使用，先進(jìn)的空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)能夠?yàn)槠涮峁┲С?。本系統(tǒng)利用Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)行對(duì)地下管線空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的管理，能夠提供高效的查詢、訪問、分析功能[4，5]。地下管線空間數(shù)據(jù)的操作與管理則通過ArcSDE進(jìn)行，但是數(shù)據(jù)的完整性和更深層次的操作應(yīng)該在應(yīng)用層完成。

Oracle的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高并發(fā)訪問及不間斷運(yùn)行的特點(diǎn)加上ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫引擎，能夠使得系統(tǒng)底層脫離冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)所有高效的地理信息系統(tǒng)的相關(guān)操作。ArcSDE調(diào)用C API和JAVA API接口獲取底層數(shù)據(jù)，這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證開放端口的客戶能夠使用到有效的地理信息數(shù)據(jù)。

(4)基于ArcGIS Engine的GIS組件開發(fā)

為了使系統(tǒng)各個(gè)功能模塊既相互獨(dú)立，相互之間又不受影響，系統(tǒng)必須采用組件化的開發(fā)模式，降低功能模塊的耦合度以避免系統(tǒng)因某個(gè)動(dòng)作或某個(gè)突發(fā)事件導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)癱瘓[6]。ArcObjects組件是ArcGIS產(chǎn)品的核心，為開發(fā)者提供了強(qiáng)有力的工具，ArcGIS Engine作為將ArcObjects的部分組件單獨(dú)打包的組件庫，能夠開發(fā)脫離ArcGIS平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的GIS軟件。使用ArcGIS Engine組件庫能夠在系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用、效率上有較大的優(yōu)勢(shì)[7]。

ArcGIS Engine作為一套完備的嵌入式GIS組件庫和工具庫，提供了包括基本服務(wù)(Base Services)、數(shù)據(jù)存取(Data Access)、地圖表達(dá)(Map Presentation)、開發(fā)組件(Developer Components)、擴(kuò)展功能(Extensions)5部分。

2.2 地下管網(wǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建

由于各種類型的地下管線，在城市地下空間的共存使得地下管線的布設(shè)猶如攪亂的線團(tuán)般，往往難以從二維信息想象立體空間中管線之間的位置關(guān)系，這種不清晰會(huì)給地下管線的建設(shè)帶來阻礙甚至失誤。以此構(gòu)建三維地下管網(wǎng)場(chǎng)景來清晰地反映在交錯(cuò)復(fù)雜的地下各管線之間及管線與周邊地物之間的空間位置關(guān)系，存在必要性?？傮w來說，城市地下管線的三維可視化，除了管線數(shù)據(jù)的探測(cè)、管線數(shù)據(jù)庫的建立之外，主要是三維模型建立，其中建模的關(guān)鍵是在于特征點(diǎn)空間坐標(biāo)的建模。

其構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 地下管網(wǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建流程

地下管網(wǎng)設(shè)備分為管點(diǎn)和管線兩類。

管點(diǎn)三維模型的創(chuàng)建過程如下：①設(shè)計(jì)符合相應(yīng)二維符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的三維管點(diǎn)的樣式；②使用3ds Max三維建模軟件創(chuàng)建三維實(shí)體模型，以統(tǒng)一的格式保存并通過轉(zhuǎn)入器將各類管點(diǎn)三維模型建立符號(hào)庫；③對(duì)管點(diǎn)設(shè)備符號(hào)化。

在城市地下管線中，除較少部分不規(guī)則形狀的管線，其余大部分的地下管線基本上可歸為方形和圓形兩類。建模主要還是以構(gòu)建方形和圓形的管線為主。ArcGIS Engine中IMultipatch提供動(dòng)態(tài)的方式生成三維模型。例如，方形管模型由4個(gè)片及其坐標(biāo)生成；圓形管模型由管線的外環(huán)等分割片組合成。具體來說，通過使用ArcEngine提供的IMultiPatch接口，依據(jù)三維坐標(biāo)將這些特征點(diǎn)集合起來生成多片，按照管徑的屬性組合生成管線的三維模型[8～10]。Geodatabase進(jìn)行存儲(chǔ)和管理各管線的管點(diǎn)坐標(biāo)、起點(diǎn)埋深、終點(diǎn)埋深、管徑大小等數(shù)據(jù)信息。

2.3 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)的功能分析，將系統(tǒng)技術(shù)框架分為5層如圖2所示，數(shù)據(jù)層、GIS服務(wù)層、通用開發(fā)接口層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層。通過在不同層次設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制度和安全保障體系，使得穩(wěn)定性和共享性得以提高，并形成高度整合化的系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層：采用Oracle+ArcSDE為系統(tǒng)提供基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，Oracle儲(chǔ)存空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，利用ArcSDE為Oracle提供的數(shù)據(jù)引擎。

(2)GIS服務(wù)層

提供如發(fā)布和訪問空間數(shù)據(jù)的底層GIS功能服務(wù)。

(3)通用開發(fā)接口層

提供對(duì)GIS服務(wù)層的底層訪問接口。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，遵循開放地理空間信息聯(lián)盟的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS Server[11]的應(yīng)用開發(fā)框架(ADF)和元數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)并封裝的一套通用開發(fā)接口。通用開發(fā)接口提供了如點(diǎn)、線、面對(duì)象獲取服務(wù)、視圖服務(wù)、用戶權(quán)限等服務(wù)，并對(duì)其進(jìn)行封裝以便于業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用。

(4)業(yè)務(wù)邏輯層

提供供應(yīng)用層調(diào)用的功能接口。此層以通用開發(fā)接口層的接口為原件，組合封裝B/S應(yīng)用功能和C/S應(yīng)用中的大顆粒度的業(yè)務(wù)功能接口，這些功能接口是采用COM、HTTP和Web Services技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

(5)應(yīng)用層

此層提供了徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)各應(yīng)用功能模塊，包括瀏覽、編輯、分析、統(tǒng)計(jì)、查詢等。

通過這五層架構(gòu)，系統(tǒng)的服務(wù)性能和地下管線空間數(shù)據(jù)的相關(guān)性和動(dòng)態(tài)管理得以加強(qiáng)。

2.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)的根本目的在于建立一個(gè)綜合地下管線管理、更新維護(hù)、應(yīng)用服務(wù)的統(tǒng)一信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全市綜合地下管線數(shù)據(jù)資料的匯集、處理、建庫、管理、維護(hù)、分發(fā)等服務(wù)。它以城市地下管線和數(shù)字地形圖為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、以屬性信息數(shù)據(jù)為資源，通過城市地下管線信息和城市基礎(chǔ)地理信息的聯(lián)合查詢、統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)而為城市地下管線規(guī)劃、建設(shè)、管理提供技術(shù)決策支持[12]。為此，徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了瀏覽應(yīng)用功能模塊、編輯應(yīng)用功能模塊、查詢應(yīng)用功能模塊、分析應(yīng)用功能模塊、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用功能模塊、量算應(yīng)用功能模塊以及標(biāo)注應(yīng)用功能，具體的系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3系統(tǒng)功能模塊

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

當(dāng)前GIS技術(shù)發(fā)展的最新趨勢(shì)是將空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)集成到一體化之中，其中空間數(shù)據(jù)使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫或?qū)ο箨P(guān)系數(shù)據(jù)庫來管理，對(duì)非空間數(shù)據(jù)利用SQL語言進(jìn)行操作，同時(shí)利用海量數(shù)據(jù)管理、事務(wù)處理(Transaction)、記錄鎖定、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)倉庫等關(guān)系數(shù)據(jù)庫的功能集成空間與非空間數(shù)據(jù)。

選擇Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫，實(shí)行對(duì)地下管線空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的管理，能夠提供高效的查詢、訪問、分析功能[13，14]。Oracle的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高并發(fā)訪問及不間斷運(yùn)行的特點(diǎn)加上ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫引擎，能夠使得系統(tǒng)底層脫離冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)GIS應(yīng)用系統(tǒng)所有高效的地理信息系統(tǒng)的相關(guān)操作。ArcSDE調(diào)用C API和JAVA API接口獲取底層數(shù)據(jù)，這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證開放端口的客戶能夠使用到有效的地理信息數(shù)據(jù)。

徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)的建設(shè)涉及對(duì)大量的空間信息數(shù)據(jù)的采集與處理，具體包括各種空間信息的存儲(chǔ)、編輯、空間分析、統(tǒng)計(jì)查詢等。本次設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是：采用ESRI公司提供的空間數(shù)據(jù)模型GeoDatabase對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，采用Oralce大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)，利用ESRI公司的ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎作為數(shù)據(jù)接口，基于ESRI公司提供的ArcEngine和AO作為開發(fā)平臺(tái)，堅(jiān)持先進(jìn)性、實(shí)用性和易用性、安全性和穩(wěn)定性、創(chuàng)新性、擴(kuò)充性和高效性的設(shè)計(jì)原則，建立一個(gè)開放的、靈活的綜合地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，保證建成的數(shù)據(jù)庫能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用，還可以為整個(gè)徐州市的各行各業(yè)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，為需要使用地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的各政府職能部門及商業(yè)機(jī)構(gòu)提供不同數(shù)據(jù)格式的綜合管線數(shù)據(jù)。

3 主要模塊功能及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用STAMP三維地理信息引擎軟件實(shí)現(xiàn)三維管線的發(fā)布和展示，主要模塊功能及實(shí)現(xiàn)如下：

3.1 斷面分析

斷面分析的基本原理為：在一定區(qū)域內(nèi)(如某一段馬路、某一條河流等地下管線)對(duì)管線進(jìn)行垂直/水平剖面，通過剖面后會(huì)顯示出管線的斷點(diǎn)與其垂直方向上的屬性，查看該管線的走向、坡度及空間位置管線等。

以橫斷面為例，分析流程如圖4所示。

圖4 橫斷面分析流程圖

3.2 爆管分析

爆管分析是應(yīng)對(duì)爆管事件需要的關(guān)閥處置分析功能。根據(jù)爆管位置通過系統(tǒng)已經(jīng)建立的管道連通情況追查需要關(guān)閉的閥門情況。目前深度優(yōu)先搜索算法是最普遍的爆管分析算法，但在日常使用中比如有向的供水排水燃?xì)饩W(wǎng)，可以采取優(yōu)化的搜索算法，即只需要搜索最近上游的閥門管點(diǎn)，提高分析效率。分析流程圖如圖5所示，分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 爆管分析流程圖

圖6 爆管分析

爆管分析的部分程序如下：

//獲取節(jié)點(diǎn)

Dim PTraceFlowsolver As ITraeeFlowsolverGEN

Dim PEnumNetEID_Junctions As IEnumNetEID

Dim PEnumNetEID_Edges As IEnumNetEID

Dim PNetElements As INetElements；Dim PNetFlag As INetFlag

Dim PTraceFlowsolver As ITraceFlowsolverGEN

PNetElements.QueryDs(intEdgeID，esriElementTyPe.esriETEdge，

intEdgeUserClassID，intEdgeUserID，intEdgeUsersubID)

Debug.Assert((intEdgeUserClassID>0) And (iniEdgeUserID>0))

PNetFlag.UserClassID = intEdgeUserClassID

PNetFlag.UserID = intEdgeUserID

PNetFlag.UsersubID = intEdgeUsersubID

PaNetFlag(i) = iPNetFlag

PTraceFlowSolver.FindFlowElements(esriFlowMethod.esriFMDownstream，

esriFlowElements.esriFEJunctionsAndEdges，pEnumNetEID_Junctions，

PEnumNetEID一dges)

//判斷節(jié)點(diǎn)是否為閥門

Dim pValveLayerPointCol As IPointCollection'//獲取閥門層中所有的點(diǎn)

Dim pfeature As IFeature

Dim pFeatureclass As IFeatureClass

Dim pFeatureCursor As IFeatureCursor

Dim PQueryfilter As IQueryFilter

Dim PPoint As IPoint

Dim pCol As IPointColleetion

PCol = NewMultiPoint

PValveLayerPoiniCol = PCol

PQueryfilter = NewQueryFilter

PFeatureCursor = PFeatureclass.Search(PQueryfilter，F(xiàn)alse)

Pfeature = PFeatureCursor.NextFeature

Dim Pfields As IFields

PEnumEIDInfo.Reset()

Dim PBase As IMultiPoint

Dim PComparison As Point

PBase = NewMultiPoint；PComparison = NewPoint

Dim PRelOP As IRelationalOPerator

PBase = PValveLayerPointCol；PRelOP=PBase

pEIDInfo = pEnurnEDInfo.Next

PGeometry = PEIDInfo.Geometry；PComparison = PGeometry

If PRelOP.Contains(pComparison) = True Then

PNewGeometryColl.AddGeometry(pGeometry)

End If

Next

4 結(jié) 語

本文在分析了國(guó)內(nèi)外三維地下管線系統(tǒng)建設(shè)的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，深入地研究了徐州市三維地下管線數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容和技術(shù)，從實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)的角度分析了系統(tǒng)功能需求設(shè)計(jì)，給出了三維地下管線信息系統(tǒng)的總體框架和技術(shù)體系，并從利于優(yōu)化系統(tǒng)性能的角度選擇了C/S+B/S架構(gòu)模式，結(jié)合AE、AO開發(fā)了徐州市三維地下管線信息系統(tǒng)的主要功能。系統(tǒng)的建成，大大提高了數(shù)據(jù)管理、維護(hù)、更新的效率，提高了地下空間的利用率，有利于充分發(fā)掘地下空間的潛力。