基于ArcGIS三維管網(wǎng)系統(tǒng)在高校中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 嘉，黃敏娟

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528300）

0 引言

近年來，順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，地下管線建設(shè)不斷加快，管線類型不斷擴(kuò)展、管線長度不斷增多、地下管線鋪設(shè)急劇復(fù)雜多樣。在學(xué)校建設(shè)中因地下管線資料缺失而導(dǎo)致誤挖造成爆管等事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，管線數(shù)據(jù)圖紙的缺失、信息化管理不足也加劇了后勤維護(hù)的困難。因此進(jìn)行地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)開發(fā)、完善地下管線的信息化建設(shè)尤為重要[1]。地下管網(wǎng)信息化可以為權(quán)屬單位提供較為準(zhǔn)確的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，及時(shí)為建設(shè)與施工提供信息服務(wù)，為相關(guān)部門提供決策。提供基礎(chǔ)現(xiàn)狀信息共享，避免重復(fù)物探工作，為管線規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)節(jié)省資金、時(shí)間、人力及物力。本系統(tǒng)還提供了手機(jī)端查看功能，方便工作人員隨時(shí)查看，提供工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院地下管線測繪及三維可視管理系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)思路可以概括為：“以管理為導(dǎo)向，以數(shù)據(jù)為核心，以更新為重點(diǎn)，以整合為手段”。規(guī)范化，系統(tǒng)性，開放性，關(guān)聯(lián)性，適用性的設(shè)計(jì)原則。本項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容包括順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院（面積約1.2平方公里）范圍內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)、地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)建設(shè)兩部分內(nèi)容。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)

通過開展全面的地形圖及地下管線探測，掌握地下管網(wǎng)的位置、尺寸、材質(zhì)等基礎(chǔ)信息；利用三維虛擬仿真技術(shù)，完成地面建筑、構(gòu)筑物（含監(jiān)控設(shè)備和音箱）、道路、水系、綠化等對(duì)象的三維模型制作；完成地下管網(wǎng)自動(dòng)化建模，管線探測成果快速生成三維管線模型，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的快速批量三維化。

地下管線探測包括地下管線探查和地下管線測繪兩個(gè)基本內(nèi)容，地下管線探查是通過現(xiàn)場調(diào)查和不同的探測方法探尋各類管線的埋設(shè)位置和深度、管徑、材質(zhì)等內(nèi)容，并在地面上設(shè)立測量點(diǎn)，即管線點(diǎn)；地下管線測繪是對(duì)已查明的地下管線位置即管線點(diǎn)的平面位置和高程進(jìn)行測量，并繪制地下管線圖。為開發(fā)三維可視化管理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 管線探測工作流程

本次地下管線普查的工作內(nèi)容：已有資料的收集、現(xiàn)場踏勘；儀器校驗(yàn)、物探方法試驗(yàn)、編寫設(shè)計(jì)書；地下管線調(diào)查與探查；地下管線測量；建立地下管線數(shù)據(jù)庫、地下管線圖編繪、成果輸出以及檢查驗(yàn)收和歸檔等[2]。具體工作流程如圖1所示。

圖1 管線探測工作流程圖

本次管線探測自2020年7月8日進(jìn)場施工，到2020年10月18日結(jié)束外業(yè)探測主體工作，共計(jì)投入1.5個(gè)作業(yè)小組。歷時(shí)100天。完成各類型管線探測長度155.42公里。

結(jié)合本測區(qū)地下管線種類及其分布特征，本次地下管線普查工作選用英國雷迪公司生產(chǎn)的RD8100型管線探測儀。RD8100工作頻率選用33 kHz為主，8 kHz、65 kHz為輔。在本項(xiàng)目使用結(jié)果表明該儀器性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、效率快、精度高、一致性好、輕便、易操作，既可用于電力、電信電纜探查，也可用于金屬給水管道及燃?xì)夤艿赖奶讲椋瑵M足在本測區(qū)開展地下管線探查工作的需要。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

保證各項(xiàng)工序的順利銜接，保證質(zhì)量，提高效率，此次采取的工作流程，具體如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

物探三級(jí)檢查工作量嚴(yán)格按照《規(guī)程》的要求，本測區(qū)工程共完成明顯管線點(diǎn)9 771個(gè)，隱蔽管線點(diǎn)3 509個(gè)。物探共完成明顯管線點(diǎn)檢查1874個(gè)，占明顯點(diǎn)的19.18%；隱蔽管線點(diǎn)檢查664個(gè)，占隱蔽點(diǎn)的18.92%。結(jié)果合格。管線點(diǎn)物探檢查精度統(tǒng)計(jì)具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 管線點(diǎn)物探檢查精度統(tǒng)計(jì)總表

根據(jù)管線點(diǎn)物探檢查精度統(tǒng)計(jì)表得出結(jié)論：明顯點(diǎn)中誤差不超過限差；隱蔽點(diǎn)平面中誤差和埋深中誤差均滿足不超過規(guī)定限差0.5倍的要求。

3 地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合管理需求開發(fā)地下管網(wǎng)綜合信息系統(tǒng)，將各類地下管網(wǎng)信息整理入庫，系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析、三維展示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表及用戶管理等功能。滿足管理者對(duì)綜合管網(wǎng)管理的需求、提高工作效率和管理水平；以綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)作為整個(gè)信息系統(tǒng)的核心，建立適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展需求的綜合管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各部門之間信息的科學(xué)組織、共享和協(xié)作。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

高校的三維管網(wǎng)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)高校管理自動(dòng)化、信息數(shù)字化、校園虛擬化、服務(wù)智能化、資源最大化。此三維系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)管網(wǎng)信息、光纖、監(jiān)控等走線進(jìn)行添加、刪除、修改；對(duì)已添加進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析和統(tǒng)計(jì)，并且能進(jìn)行報(bào)表輸出；能實(shí)現(xiàn)圖文互訪，即從三維地圖到屬性的查詢、瀏覽和從屬性到三維地圖的查詢定位，增加了學(xué)校建筑物和地下管網(wǎng)的三維可視化[3]。此三維系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是，具有強(qiáng)大的三維可視化功能，在系統(tǒng)建設(shè)完善后能利用該系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地掌握學(xué)校各種硬件資源及其分布，提高學(xué)校管理者的工作效率，為學(xué)校規(guī)劃決策提供重要的信息來源。同時(shí)也為學(xué)校的老師、學(xué)生、參觀來訪人員了解學(xué)校總體布局、資源信息等提供方便。因此，三維管網(wǎng)系統(tǒng)主要有5大功能模塊，具體如圖3所示。

圖3 三維管網(wǎng)系統(tǒng)功能模塊圖

3.1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

（1）參考規(guī)范：以國家、省市的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為參考規(guī)范。

（2）數(shù)據(jù)規(guī)范：以廣州市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)規(guī)范為參考，以高校基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、三維地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)范為基礎(chǔ)，并通過國家元數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)形成有機(jī)規(guī)范的整體。

（3）技術(shù)規(guī)范：整合接入權(quán)責(zé)規(guī)范、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)規(guī)范、權(quán)限管理規(guī)范、系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)規(guī)范、信息編碼規(guī)范、整合接入過程規(guī)范。

3.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

ESRI公司推出的ArcGIS中GeoDatabase是一種利用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型。GeoDatabase描述地理對(duì)象主要通過四種方式：（1）用矢量數(shù)據(jù)描述不連續(xù)的對(duì)象；（2）用柵格數(shù)據(jù)描述連續(xù)對(duì)象；（3）用TINs描述地理表面；（4）用Locatro或Address描述位址。

3.1.4 順德學(xué)院的三維管線數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

（1）地形圖庫：順德學(xué)院1:500基礎(chǔ)地形圖（需包含建筑物、道路、綠化、植被、水系、等高線等高點(diǎn)數(shù)據(jù)與信息，其中道路需含道路中心線、道路名標(biāo)注，建筑需含層數(shù)標(biāo)注、建筑名稱等）；

（2）管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫；

（3）管線探測單位將探測結(jié)果按照《佛山市地下管線計(jì)算機(jī)成果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于數(shù)據(jù)成果的相關(guān)要求，整理成為可以入庫的數(shù)據(jù)格式，通過地下管線數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)錄入到地下管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中；

（4）三維管線庫：三維管線（內(nèi)容與地下管線類似，由系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成）；

（5）地上三維建筑：完成順德學(xué)院地面建筑、道路、水系、綠化等對(duì)象的三維模型制作。

3.1.5 GIS空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

GeoDatabase庫定義了GeoDatabase模型，主要對(duì)象有：工作空間（Workspace），數(shù)據(jù)集（Dataset），地理數(shù)據(jù)集（GeoDataset），要素?cái)?shù)據(jù)集（FeatureDataset），柵格數(shù)據(jù)集（RasterDadaset），表（Table），對(duì)象類（ObjectClass），要素集（FeatureClass），關(guān)系類（RelationshipClass），屬性關(guān)系類（AttributedRelationshipClass）。

GIS空間數(shù)據(jù)主要組織采用庫名稱—類名稱—圖層名的三層結(jié)構(gòu)；SDXYGISDATA數(shù)據(jù)文件的容量設(shè)定為1 G。

3.1.6 備份策略

數(shù)據(jù)庫采用累積增量備份，雖然增加了一部分?jǐn)?shù)據(jù)冗余，但是如果使用數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)所涉及的數(shù)據(jù)量相對(duì)比較少，需要備份的次數(shù)也不超過4次，極大地方便了數(shù)據(jù)恢復(fù)所需要的時(shí)間[4]。

（1）備份數(shù)據(jù)庫控制文件和所有的數(shù)據(jù)文件；

（2）備份數(shù)據(jù)庫文件后產(chǎn)生所有重做日志文件的歸檔；

（3）通過Oracle多路技術(shù)或操作系統(tǒng)鏡像產(chǎn)生的聯(lián)機(jī)重做日志的副本；

（4）通過Oracle多路技術(shù)或操作系統(tǒng)鏡像產(chǎn)生的控制文件的副本.

3.1.7 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用級(jí)用戶設(shè)計(jì)

系統(tǒng)提供了用戶管理定制面板，通過管理員定制相關(guān)的用戶信息及密碼，應(yīng)用人員就能用已經(jīng)設(shè)置好的用戶和密碼登錄并使用系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)相關(guān)操作都由應(yīng)用軟件通過訪問WCF數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行操作[5]，并封鎖相關(guān)SQL輸入入口，防止應(yīng)用人員直接在應(yīng)用軟件中用SQL語句操作相關(guān)記錄。

3.2 三維模型可視化集成

Multipatch是在平面圖像上添加某些特定的高度數(shù)據(jù)所獲得的三維立體面[6]。三維可視化集成步驟如下：

（1）利用ArcEngine構(gòu)建Multipatch三維立體面；

（2）將三維模型（3DS）格式轉(zhuǎn)換為三維立體面（Multipatch）格式；

將建好的三維模型全部導(dǎo)入到ArcEngine引擎中，并根據(jù)實(shí)測地形圖中的位置進(jìn)行調(diào)整，最后的效果如圖4所示。

圖4 三維建筑模型圖

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1 三維場景導(dǎo)航瀏覽功能

為了用戶在漫游虛擬校園系統(tǒng)的同時(shí)對(duì)學(xué)校建筑地理位置、發(fā)展歷史、所處地位等情況有所了解，進(jìn)而使該系統(tǒng)成為外界認(rèn)識(shí)順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院的一個(gè)窗口，本項(xiàng)目開發(fā)了三維校園導(dǎo)航功能模塊，如圖5所示。通過對(duì)三維地圖的放大、縮小、漫游、導(dǎo)航、飛行等操作實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場景的瀏覽[7]。

圖5 三維場景瀏覽圖

3.3.2 信息采集與輸入

（1）地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，主要解決管線數(shù)據(jù)的監(jiān)理查錯(cuò)、成圖、管線數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、更新管理，管網(wǎng)數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)版本管理等功能[8]，如圖6所示。

圖6 順德學(xué)院地下管線測繪及三維可視管理系統(tǒng)開發(fā)組成

（2）二三維一體化系統(tǒng)

二三維一體化系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二三維地圖及數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析、三維校園展示、系統(tǒng)管理員對(duì)訪問權(quán)限的控制等功能，如圖7所示。

圖7 順德學(xué)院地下管線測繪及三維可視管理系統(tǒng)開發(fā)組成

3.3.3 信息共享與輸出

（1）三維模型數(shù)據(jù)集成接口

三維模型數(shù)據(jù)集成采用AxDCIGlobe.Init（string strConn）方法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)strConn給定的鏈接進(jìn)行初始化，加載三維模型數(shù)據(jù)到系統(tǒng)中。

（2）三維模型數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)接口

三維模型數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)集成通過二維數(shù)據(jù)訪問類讀取屬性數(shù)據(jù)，通過DCIQuery接口的ExecuteLocalSearch方法來獲取查詢記錄，通過關(guān)鍵字與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，顯示三維模型數(shù)據(jù)的屬性信息[9]。

（3）系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫訪問類和二維數(shù)據(jù)訪問類，可以支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的讀取，如空間數(shù)據(jù)庫、XML格式等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

綜上所述，校園地下管線三維可視化系統(tǒng)滿足了學(xué)校后勤處、信息管理中心等部門對(duì)地下管網(wǎng)、光纖布線、監(jiān)控點(diǎn)布線等管理需求，提高了相關(guān)工作人員工作效率，為實(shí)現(xiàn)各部門之間信息的科學(xué)組織、共享和協(xié)作提供了有力的工具。地下管線三維可視化系統(tǒng)在我校達(dá)到了以下效果：

（1）實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的校園地下給排水管、校園網(wǎng)絡(luò)光纖、監(jiān)控布線的管理；

（2）提高相關(guān)工作人員的工作效率，增加工作透明度；

（3）為信息達(dá)到最大程度的利用和共享提供了有力的工具；

（4）為校園施工開挖和應(yīng)急指揮搶險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高學(xué)校管理效率；

（5）為適應(yīng)“數(shù)字校園”后繼發(fā)展的要求，與現(xiàn)有的校園節(jié)能監(jiān)測平臺(tái)及其他二級(jí)平臺(tái)對(duì)接，提高校園管線管理水平。