三維地下綜合管網系統的設計及實現

姜波，金明一

(哈爾濱市勘察測繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

三維地下綜合管網系統的設計及實現

姜波?，金明一

(哈爾濱市勘察測繪研究院，黑龍江哈爾濱 150010)

地下管網系統是城市基礎設施的重要組成部分，為適應現代城市地下管網建設、管理、發展的需要，本文以哈爾濱三維地下管網系統構建過程為例，討論了三維地下管網系統構建過程中的數據組織、管線模型制作等關鍵技術，介紹了哈爾濱地下三維綜合管網系統總體設計和系統功能實現情況，并展望了三維地下管網今后的技術難點及發展問題。

：三維GIS；地下綜合管網；數字城市

1 引 言

近年來，隨著城市化的進程的加快，城市地下管線建設發展非常迅猛，但由于地下管網的管理體制、建設監管、規劃設計及日常維護管理等方面的問題，而引發的“馬路拉鏈”、“城市內澇”、“停電停水”等問題對市民生活的影響日趨嚴重，因此如何管理好城市地下管線，更好地為城市規劃、建設和管理服務，成為城市管理者面對和解決的重要課題。

城市地下管線信息是城市空間基礎地理信息的重要組成部分，是城市規劃、建設和管理的重要基礎信息。傳統的二維地下管線探測圖只能表達管線的平面位置，無法表達管線之間的復雜的空間層次關系，通過運用GIS技術，采用三維模型描述地下管線的空間關系，能真實的反應地下管線的空間分布情況，有效解決城市地下管網在建設管理過程中面臨的問題。三維地下綜合管網系統建設也是城市信息化建設和“數字城市”建設的重要內容之一，目前已經有多個城市開展建設并取得了良好的應用效果。

2 三維地下綜合管網應用的關鍵技術

2.1 地下三維管線數據組織

城市地下管網分為給水、排水、燃氣、熱力、工業、電力、電信七大類[1]，每一大類管線還可根據傳輸或排放物質的差異或其功能的差異分為不同的小類。為便于數據的收集和分層管理，根據數據管理部門及實際應用情況將地下管線分為給水管網層、排水管網層、燃氣管網層等7個管網層。管線屬性信息是建立管線數據庫的基礎，是地下三維管線系統中進行空間分析的必要條件，所有的查詢、統計、分析都是基于這些屬性信息。因此各類管網屬性信息的完整與否對地下三維管網系統的模型數據構建、信息數據管理有著至關重要的作用。

地下管線都是由管線和管點所組成，其屬性信息結構如表1、2所示。各類管網層的屬性信息結構基本相同，但根據管線用途的不同，管線的屬性信息結構表略有區別。

管線數據結構表 表1

管點數據結構表 表2

續表1

2.2 地下管網模型制作

地下三維管網空間關系較為復雜，建模過程主要分為管點建模和管線建模。管點建模主要對實體管井、管閥進行建模。管線建模主要是對管道、管塊、管溝等進行建模。目前采用3ds Max軟件對地下管線進行三維建模較多，其優點是模型表現效果好，模型精細程度高，但制作效率較低，無法滿足城市級三維地下管網模型數據建設及后期模型數據維護更新的需要。地下管網模型構建過程中，可采用三維管段自動生成并結合3ds Max精細建模的方式進行模型數據的生產。管段模型以管段起止點坐標、高程、管徑等信息為基礎自動生成模型數據[2]。管點模型如管井、管閥等其標準統一，型號規格一致，可采用建模軟件制作精細的管點模型，構建管點模型符號庫，以管點坐標、高程、管點類別信息判別，自動加載各類管點符號模型。管點與管段的空間位置關系，根據管段流向及拓撲關系進行判斷，最終在三維場景中對搭建地下管網模型。

2.3 地下管網模型場景構建

通過將地上建筑模型和地下管網模型整合，搭建一個虛擬三維場景，還原空間地物的三維空間位置，其構建流程如圖1所示。

圖1 地下管網三維場景構建流程

3 三維地下綜合管網系統的實現

3.1 三維地下綜合管網系統總體設計

哈爾濱三維地下綜合管網系統總體結構采用分層式結構，以管線模型庫、基礎地理信息數據及管線專題數據作為數據層，以CityMaker，ArcGIS平臺作為三維展示及空間分析的開發平臺，開發面向三維地下管網的專業應用服務系統，其總體框架如圖2所示。

圖2 三維地下綜合管網系統總體框架圖

綜合考慮目前哈爾濱地下管線的應用需求及城市地下管線管理的發展趨勢，結合三維GIS開發平臺的技術水平，三維地下綜合管網系統采用B/S和C/S混合的體系結構進行開發，應用系統既能滿足地下管線的專業應用及管理的需求，又可以實現管線數據發布、共享、維護，通過三維平臺將管線信息及空間位置關系展示出來。

3.2 三維地下管網系統功能實現

三維地下管網空間位置關系復雜，同一平面位置上垂直方向會有多種管線重疊，為便于地下管線的日常管理、信息查詢、數據維護更新及管理部門的專業應用需求，借助三維GIS平臺，從基礎功能模塊、專業應用模塊兩方面實現其功能開發。

基礎功能模塊包括權限管理，管線數據加載、修改、刪除、數據的錄入更新功能；還包括三維場景瀏覽、空間量測、管線信息查詢定位等功能；此外還包括地下管線統計分析、橫斷面分析、流向分析、管線相交分析等專業分析功能，為管線管理部門提供直觀、準確的地下管線信息，為管線的規劃、施工及匯遷管理提供決策依據。提供的管線二三維聯動機制，實現了傳統二維管線系統與三維管線系統的耦合，可以充分發揮二維管線平臺在信息查詢，空間分析等方面的長處，又可以借助三維展示技術對查詢、分析結果進行立體展示，使得查詢及分析結果更利于理解，真實反映規劃及施工現場的地下管線情況，如圖3所示。橫斷面分析、爆管分析、流向分析及影響區域分析等功能，在實際管線管理維護方面都有很廣泛的實際應用價值，如圖4、圖5所示。

圖3 管線信息查詢定位

圖4 三維地下綜合管網橫斷面圖

圖5 管線流向分析圖

4 總 結

隨著城市的發展，城市地下管網也將越來越復雜，傳統的圖檔式二維管線管理方式已不能適應城市管線發展、更新、管理的需要。本文介紹了哈爾濱三維地下綜合管網系統技術流程及功能實現情況，該系統在一定程度上解決了目前哈爾濱城市地下管線在規劃、施工管理等方面的實際問題，但目前系統仍存在很多問題、不足，有待進一步解決和完善，如管線模型動態生成技術、模型數據結構存儲管理，模型的實體化研究等問題。

[1] CJJ61-2003.城市地下管線探測規程[S].

[2] 李清泉，嚴勇，楊必勝等.地下管線的三維可視化研究[J].武漢大學學報·信息科學版，2003(3).

[3] 龔建橋.三維地下綜合管線管理系統關鍵技術研究與實現[D].武漢:華中師范大學，2012.

[4] 鄭國江，陶迎春，楊伯鋼.三維GIS在地下管網管理中的應用研究[J].北京測繪，2012(5).

[5] 肖樂斌，鐘耳順，劉紀遠等.三維GIS的基本問題探討[J].中國圖象圖形學報，2001(9).

[6] Nich George，Object orientation，GIS and Information Technology[R].GISAsia Pacific，1996，Singapore:30～33.

Research and App lication on 3D Underground Pipeline Network System

Jiang Bo，Jin Mingyi
(Harbin Institute of Geotechnical Investigation and Surveying，Harbin 150010，China)

Underground pipeline network system is an important part of the urban infrastructure to adapt tomodern urban underground pipe network construction，management and development needs to build in Harbin 3D underground pipeline network system process，for example，discussed the 3D underground pipeline network system build process organization of data，pipelinemodeling and other key technologies，Harbin underground 3D pipeline network system design and system functions，and look forward to the technical difficulties in the future and development of 3D underground pipeline network.

3D-GIS；underground pipeline networks；digital city

1672-8262(2013)04-53-03

P208.2

B

2013—04—26

姜波(1973—)，女，高級工程師；研究方向:GIS研究。