基于SuperMap架構二三維地下管線信息系統的設計與實現

梁 國

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

住房和城鄉建設部于2021年5月發布《城市市政基礎設施普查和綜合管理信息平臺建設工作指導手冊》，明確了構建管理信息平臺實現城市地下基礎設施信息的采集、更新、利用、共享，滿足設施規劃建設、運行服務、應急防災等工作需要及支撐新型智慧城市建設的總體目標。

隨著中國城鎮化進程的不斷深入，地下管線信息管理系統的研究不斷突破，國內多數建立的地下管線信息系統都基于大型的GIS平臺進行二次開發，實現管線數據瀏覽、查詢、統計與分析等功能，基本滿足了地下管線的日常管理與應用[1]。這些系統大都是二維或2.5維[2-4]，即地下管線的統計分析、空間分析與應用是通過二維空間數據模型來進行的[5]，三維管線之間只簡單的拓撲連接，管線附屬設施模型庫不齊亦不標準，地上地下空間三維模型融合度差，三維可視化效果不佳；且在管線設施信息具體應用時，只調用二維空間數據，并無二三維一體化[5]，數據也不能同步更新，造成三維統計分析、空間分析存在問題，市政基礎設施信息化管理水平較差。

為實現住房和城鄉建設部市政基礎設施信息化的總體目標，在分析現有三維模型平臺的基礎上，深研SuperMap平臺數據組織框架，利用SuperMap iObjects作為API接口，C#為主要編程代碼語言，基于SuperMap平臺設計并研發二三維地下管線信息系統，以期實現三維地下管線的自動化建模，深度融合地上實景三維模型，二三維一體化，強化空間統計分析功能，并在SuperMap平臺實現地下管線三維可視化及管理應用[3]。

1 系統設計

1.1 總體設計

系統架構需調研用戶需求，自下而上進行總體設計。SuperMap iDesktop.NET是可編程、可擴展、可定制，二三維一體化的桌面GIS產品，支持二維數據動態投影到三維場景中顯示，設置風格、制作專題圖、進行分析、查詢等，而且在二維制圖中可以使用三維模型和三維符號，文本系統基于桌面核心庫的底層開發。SuperMap iObjects.NET基于Microsoft的.NET組件技術標準，以.NET組件的方式提供強大的GIS功能組件式開發平臺[6]，具有快捷部署、高性能和易使用的特點，其核心數據模塊具有強大的數據處理、空間分析和三維功能等，在傳統地理信息系統的基礎上擴充更多新功能，適合用戶快速開發對應的GIS系統。SuperMap ProcessModeling提供三維數據空間處理建模、顯示、分析二三維一體化的三維場景展示，同時，全球尺度的地形數據以及全球尺度的高分辨率影像數據都可以加載到三維模型中進行顯示。基于.NET語言開發的業務功能，以插件的形式集成到SuperMap iDesktop.NET基礎框架中，并且可以定制和擴展界面。

系統使用微軟公司的Visual Studio集成開發環境，以C#語言進行功能開發，利用Oracle關系型數據庫存儲數據，最終在SuperMap iDesktop.NET平臺進行地下管線三維場景展示及管理應用。系統建設全過程遵守標準規范與安全保障體系、運行管理與協同聯動機制，系統總體設計架構如圖1所示。

圖1 系統總體設計架構圖

1.2 功能設計

二三維地下管線信息管理系統針對地下管線直觀可視化管理，充分展示地下管線三維模型，具有空間分析功能，輔助隱患排查和規劃決策，助力新型智慧城市建設。系統通過簡潔功能分區、以數據庫為后臺基礎，為用戶提供便捷人機交互界面操作界面，主要有6大功能模塊，系統功能設計結構如圖2所示。

圖2 系統功能設計結構圖

(1)首頁

系統該模塊下具有三維自動建模成圖功能，導入mdb數據庫，配置好投影參數，即可一鍵生產二維、三維及二三維一體化地下管線圖。

(2)地圖

三維可視化是系統的核心功能模塊，可以進行二三維關聯瀏覽、漫游，更直觀的展示地下管線數據的三維立體模型，實時查詢分析結果，數據庫和地下三維模型可以聯動，當數據庫數據或三維模型更新或變化時，系統會調用聯動編譯模塊進行實時更新。地圖定位、量算、模型開挖顯示地表下的管線分布，提供圖形輸出接口，保存裁切的數據。在可視化展示時，可以通過調節地表和實景三維圖的透明度，實現地上地下空間一體化效果，BIM+GIS的深度融合。

(3)查詢統計

查詢統計模塊可以進行整個項目片區地下管線的種類、長度、權屬等查詢統計，以圖表的形式輸出查詢統計結果。強大的空間分析功能不僅可以為城市規劃建設提供決策依據，還可以提供隱患排查機制，提供連通分析、爆管分析、縱橫剖面分析、溯源分析和覆土分析等功能，通過分析報告為突發事件和智慧城市建設規劃提供可靠依據，進行科學信息化管理。

(4)工具箱

數據入庫前需按照CJJ 61—2017《城市地下管線探測技術規程》[7]、GB/T 29806—2013《信息技術 地下管線數據交換技術要求》[8]和CH/T 1037—2015《管線信息系統建設技術規范》[9]對數據庫的數據進行邏輯一致性、精度和材質等綜合差錯、管線類型更正、屬性字段轉換為標準字段等檢查，以形成滿足規范要求的入庫數據[3]。二維成圖的地下管線數據和三維模型所需采集的三維數據進行數據庫合并，解決二三維底層數據分離問題。還可進行實景三維圖的配置、擴展二三維管點、管線的符號化配置。

(5)用戶管理

賬號管理可以進行賬戶的統一管理，可以修改用戶名、密碼等操作，用戶可以通過該模塊的產品介紹和幫助文檔快速掌握系統的使用功能。

(6)視圖

提供友好的人機交互界面，個性化設置，用戶可以根據個人愛好配置不同的系統風格、顏色，得到良好的視覺感受。

1.3 數據庫設計

系統數據庫是數據的存儲和管理的倉庫，是整個系統建設的核心部分，將各類數據庫的建設有邏輯地整合在一起，才能充分發揮數據庫在系統應用和建設中的核心作用[10]。本文根據用戶需求和數據特點采用集中式數據庫設計，統一分類編碼，分層存放，有利于數據的快速檢索、分析，在安全性和穩定性方面達到系統建設的要求。整個數據庫的生命周期里，數據涉及面廣，數據在整編和錄入的難度大，為保證建庫質量，在這過程中應按照統一的標準和參照規范不斷維護、補充和完善各類代碼。

數據庫基礎數據和管理層選用SQL Server數據庫，數據庫主要由空間基礎地理信息數據庫、城市市政基礎設施普查數據庫及管點、管線標準模型數據庫組成，系統數據庫總體框架如圖3所示。入庫的管線數據為標準的Access格式數據[11]，實景三維圖為OSGB格式數據。城市市政基礎設施普查數據庫是核心庫，需參照屬性表結構設計標準，完成各類性數據字段數量、字段名稱、字段類型、長度、完整性約束等設置。

圖3 系統數據庫總體框架圖

2 關鍵技術

2.1 自動化三維建模

自動化三維建模作為系統研發的亮點，摒棄了傳統三維建模系統人工選擇不同管類特征點、附屬物的三維管點模型，人工配置附屬物的縮放、旋轉等冗余繁瑣操作；也無需人工干預管類選擇頂底、圓方管線等。其實，要滿足地下三維管線的建模要求，在二維管線外業采集的基礎上，還采集了附屬物的三維所需參數，比如，井蓋的材質、圓井蓋的直徑、方井蓋的長寬、井深和井脖深等數據[12]。最后要根據二維管線數據庫和三維管線數據庫合并，通過算法、二次開發代碼完成自動化建模的操作。要完成操作，首先需要3ds Max進行特征點和附屬物的模型建立，在系統的符號化配置里賦予模型唯一編碼，符號化配置具有擴展性，根據市政基礎設施的實際情況擴充符號庫；還需進行管線模型數據庫的建立，比如圓管、方管及頂底管線等管線模型，同樣賦予獨一編碼。特征點和附屬設施模型庫、地下管線模型庫如圖4—5所示。

圖4 特征點和附屬設施模型構建庫圖

圖5 地下管線模型構建庫圖

在管線三維場景生成時，系統會根據管點的坐標、埋深、管徑和管線關聯等信息，自動生成管線三維模型，再對管線接頭、變徑進行二次自動建模處理和裝配，根據材質和管段類型匹配材質和顏色，生成較符合實際情況的三維管線模型，最后將管線的各種屬性信息與模型建立關聯[11]。根據合并數據庫信息，調用特征點和附屬設施模型庫數據生成管點三維模型，采用自動耦合造型法實現管點和管線的無縫銜接，以達到三維展示的最佳視覺效果[11]。

以管點、管線模型數據庫作為自動建模的基礎，根據合并的數據庫，研發代碼完成自動化建模功能。

2.2 二三維一體化

目前，國內大多數的地下管線二次開發系統都是二三維數據分離開，三維又沒有一個統一的標準，造成二三維數據的割裂，而且市政基礎設施數據量非常龐大，這造成數據管理維護的困難，從管線數據的特點角度和需求，必須擴展和研究二三維一體化表達。

日新月異的經濟社會發展，市政基礎設施動態更新也是實時存在的，系統為保持管線數據的實時性，必須要研究其更新機制，能在二維、三維管線顯示間直接靈活切換，還可協同、聯動操作功能，在進行查詢統計、空間分析時能實時顯示結果到界面。作為系統的關鍵技術之一，系統具有二三維一體化自動關聯機制，二三維訪問同一合并數據庫，當管線數據更新或變化時，二維管線圖發生變化，三維模型也隨之更新，可在三維模型場景下，根據市政基礎設施的實時情況添加或刪除地下三維管線模型，二維管線和數據庫都自動完成更新[16]。

2.3 B/S架構和C/S架構相結合

B/S架構是隨著互聯網技術的升級而興起的，用戶是通過瀏覽器來進入工作空間，主要在服務器端完成數據處理。其特點是對電腦配置要求較低，只需要安裝瀏覽器即可，適合版本升級頻繁的場景，用戶群體廣泛，安全性能得不到保障。

C/S架構是客戶和服務器之間的交互請求和響應。其特點是對電腦配置要求高，需要安裝專門的軟件，適合版本升級不頻繁的應用場景，用戶群體相對固定，安全性能較高。

系統采用基于J2EE的B/S和C/S 2種架構相結合的方式進行設計[2]。為確保系統的安全性能和用戶有效性，在登錄系統的時候，對登錄用戶的用戶信息和權限信息通過系統認證服務器進行認證，以此進行用戶的合法性認證和有效性校驗，以避免用戶非法訪問，并保證頁面系統安全性。二三維地下管線信息管理系統專業性較強，根據其特點，以C/S架構為主，兩者相結合，發揮各自優點，優勢互補。

3 系統實現與應用

系統使用前需安裝SuperMap iDesktop.NET桌面端平臺軟件，輸入用戶名和密碼登錄主界面，即可使用系統功能模塊對數據進行操作。為了保持系統的生命力，系統具備可拓展性和友好人機交互界面，在使用的過程中不斷根據用戶體驗和需求進行系統定制更新。

系統具有穩定的應用性能，初次調圖顯示的速度控制在5秒以內，之后的圖形調用(刷新、漫游、選擇)顯示速度在2秒內。數據轉換及傳輸時間在1分鐘內采用多線程并發和斷點續傳模式進行數據下載，提高數據采集效率；數據分段多線程并發入庫，采用增量數據與全量數據相結合的方式，即定期進行數據全量入庫以保證數據的準確性，其余時間進行數據增量入庫以提高處理效率；數據壓縮存儲和傳輸，提高系統的吞吐能力。

用戶可以根據BIM+GIS三維管線模型進行瀏覽漫游、屬性信息查詢統計、空間分析和開挖場景模擬等功能操作，系統部分核心功能模塊應用如圖6—8所示。

圖6 地下三維管線模型和斷面空間分析圖

圖7 二三維一體化聯動圖

圖8 空間三維融合模型及查詢統計分析圖

4 結語

本文通過系統總體設計、功能設計和關鍵技術幾方面論述了二三維地下管線信息管理系統的建設，達到了預期效果，可有效融合地上地下三維空間一體化展示，實現了自動化三維建模和二三維一體化聯動機制，同時具備統計分析和空間分析的功能，完成了地下三維管線模型智能化運維管理，為城市建設規劃提供數據決策。

后續將根據實際情況進行添加和修正管點、管線模型庫，同時不斷更新管線數據成果[3]，保持地下管線運行動態的實時掌控。在未來系統的建設上可以考慮融合數字孿生、AR等技術，改變城市建設的管理方式，提升城市管理效能，推進城市管理現代化和精細化，真正實現智慧城市建設。