二三維一體化地下管線管理系統研究與設計

吳穎斌 徐啟恒

（1.湖北工業大學，湖北 武漢 430068；2.東莞市國土資源局，廣東 東莞 523129；3.東莞市測繪院，廣東 東莞 523129）

地下管線承擔著傳輸信息、傳輸能量和排送資源的任務，是城市的生命線。傳統的地下管網管理方式主要是地形測繪和數據建庫，而管網數據在地下空間是立體分布的，且地下立體分布關系復雜［1-2］。隨著新建、改建及擴建工程逐漸加多，城市地下管網的管理難度逐漸加大，因而對管網的精細化管理迫在眉捷。

傳統的管線管理模式一般基于CAD和ARCGIS，這種方式能夠描述管線的基本屬性信息和空間分布信息，但對管線的空間立體特征和相互之間的空間交錯關系等難以精確直觀地描述，且大多管網是立體管材，基于二維的管理方式無法對管網進行有效的描述和表達。

三維的地下管網管理系統是涉及管網數據采集、管網數據建庫、管網數據更新、管網定位、管網三維空間布局可視化等方面的綜合管理系統，系統將管線對象以一維、二維方式存儲和管理，以三維模型方式進行數據集成、展示和對象化分析。

1 系統設計

StampGIS平臺采用面向服務架構（SOA）技術，實現多源、海量基礎空間信息資源的瀏覽、管理和服務發布，并提供便捷、直觀的二次開發接口，實現二三維一體化、地上地下一體化、室內室外一體化、360度全景、B/S與C/S一體化等核心功能，為管理人員提供多角度、多方式的查詢、瀏覽、分析功能。

系統基于數字測量技術，支持三維模型數據快速生產工藝，實現城市三維模型高質量、低成本生產。同時，平臺支持光照貼圖、效果渲染等，使場景具有非常逼真的動靜態效果，支持多層紋理技術、骨骼動畫、普通動畫、動畫紋理、視頻紋理及片狀樹等三維渲染效果，三維動態水面、三維粒子系統等特效，豐富了數據展示角度。

數據存儲基于文件格式和數據庫（Oracle）兩種方式，平臺通過數據庫形式將三維模型數據以文件集存放于數據庫中，并通過空間屬性進行標記，實現三維數據的高效加載、瀏覽、管理與更新。

1.1 二三維一體化設計

二維數據具有廣泛使用的特性，包括抽象、宏觀、綜合、易于空間分析、數據組織簡單等，是常用應用系統的空間數據格式；三維數據在效果展示、直觀表達、空間立體分析等方面，具有二維數據無法比擬的優點［3］。由于三維數據建模技術、生成技術、組織方式等方面的影響，三維數據量龐大、生產周期長，數據組織無規則，并且在數據關系化、結構化等方面不如二維數據規則。

如何使二維三維數據集成到統一的平臺中，實現二三維一體化應用，最大程度發揮二三維數據的各自優勢，是目前三維發展的核心。平臺通過“映射”技術，將二維數據映射到有地形起伏的三維空間上，實現真正意義上的二三維一體化（如圖1）。

圖1 二維數據、三維模型一體化（左）和地下空間二三維一體化（右）

1.2 基于B/S架構的三維系統

傳統的三維平臺多為C/S結構，側重于數據的處理、瀏覽、存儲和數據分析，對客戶端要求較高，平臺分發性能和通用性能較低，而基于B/S結構的三維平臺，對三維使用客戶端要求相對較低，并且可便捷地實現三維數據瀏覽、分發、跨平臺使用等，實現三維數據的平臺無關性，跨系統獲取、共享和使用。

1.3 系統功能設計

基于三維平臺的管線管理系統應滿足常用的日常管理和分析需要，并結合主流三維平臺，管理系統的主要功能設計如表1。

2 管線數據組織與分析

2.1 管線實體類型分析

地下管線數據根據本身特性，可分為管線點、管線段、管線斷面、管網、屬性表等細項。

管線點：即管線的節點、附屬結構交叉點、起止點、特征點等，可用點狀要素和符號描述的管線實體；管線段：即節點之間連通的管線實體的數字化描述，管線段一般呈直線連接，特殊情況也有折線連通兩節點，管線段之間一般具有差異性，屬性信息略有不同；管線斷面：是管線段的橫切面，標識管線的管徑、排量、容量等信息；管網：是多種管線連通形成的相互交錯且呈現一定空間關系的管線集合；屬性信息：依托于管線點、線、面，是管網信息的描述和記錄。

表1 地下管線管理功能需求表

按照使用用途，地下管線數據可分為七大類：給水管網、排水管網、燃氣管網、熱力管網、電力管網、電信管網和工業管道等。

2.2 地下管線數據結構化分析

地下管線是非平面特性數據，不同地下高度，分布著不同的管線數據。基于三維地下空間的管線數據管理，要求管線數據具有屬性信息的同時，也要求數據具有空間分布信息，各項管線數據空間關系正確合理，無沖突；管線屬性數據編碼正確、有標準的設計和命名規范。只有經過結構化處理和空間處理的數據，才能在三維平臺上正確表達，并滿足應用和分析的要求。

3 數據處理

3.1 數據檢查與預處理

數據檢查和預處理的目的是保證數據精確、減少錯誤，并根據管線特性賦予特定的點、線、面狀符號，進行顯示優化。

管線數據檢查與預處理步驟包含兩個方面，即圖形預處理和屬性整理。管線數據圖形預處理工作包括檢查管線圖形數據是否有漏、缺情況，拓撲關系正確性，是否有交叉、重疊、懸掛、斷線等空間邏輯錯誤的數據，通過檢查這些錯誤并進行數據預處理，保證管線數據圖形的正確性；屬性整理工作包括屬性字段完整性檢查與預處理、屬性字段格式檢查、屬性內容完整性、屬性表達正確性等內容。

經過預處理，才能形成滿足數據標準和數據庫設計標準、滿足實際生產需求、符合管理要求的規范化管線數據成果。

3.2 管線數據處理

管線數據處理及建庫，按照技術要求可分為數據檢查預處理、空間參考設置、數據編碼、地形匹配、數據映射、數據編譯及集成建庫等階段。

通過數據檢查和處理，可將三維數據通過文件數據庫與空間數據庫形式分類存儲，并通過映射方式將實體數據與“關系”進行存儲，既保證了數據提取效率，又實現了關系化存儲（如圖2）。

圖2 字段映射（左）和值域映射（右）

3.3 管線數據建庫

地下管網系統數據庫主要由基礎地理數據和專業管線數據組成。其中，地理數據包括地形圖數據、交通道路（邊線）數據、河流線數據等；專業管線數據包括給排水、電力、電信、燃氣、熱力、有線網絡及附屬設施、模型庫、映射庫、材質庫等。

1）基礎地理數據庫包括DEM數字高程模型、DOM數字地形模型、DLG數字線畫圖等空間數據；

2）管網數據庫包括給排水、電力、熱、燃氣、電信等管網數據及其屬性信息；

3）模型庫包括樹模型、通用建筑模型、管道模型、螺栓、井等模型數據；

4）映射庫包含了模型數據、材質數據、圖片數據對應的數據庫編碼和位置信息等；

5）材質庫包含了不同材質的材質模型及數據庫編碼信息。

4 功能實現及應用

通過二三維一體化技術，可將二維管線數據與三維城市成果結合，更能直觀表達管線的空間屬性和地下空間特性；通過規范化的映射與編譯過程，實現標準的數據管理和存儲形式；通過數據庫技術，實現文件與數據庫并行的數據存儲和管理方式，提升數據瀏覽的效率。

在城市管理中，通過二三維一體化技術，實現不同資源的相互利用和輔助表達，拓寬數據的應用范圍，發揮地理信息成果的潛在價值（如圖3、圖4）。

圖3 地下管網空間與三維模型疊加透視圖

圖4 地下管線模型單體化、屬性化

5 結語

基于三維的地下管線管理系統，實現了各類管網數據的三維可視化及資源共享，不僅能形象、直觀地管理各種復雜管線數據，實現高效管網信息的快速查看、空間分析，并且能及時進行管線數據的完善、更新和維護，保證管線數據的現勢性和精確性。同時帶動地下管線管理的科學化、精準化。

［1］康紅梅.城市基礎設施與城市空間演化的互饋研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

［2］姚偉.城市地下管線探測與地下管線信息系統設計［D］.成都：成都理工大學，2012.

［3］王貴武，解智強，李世強，等.利用海量探測數據實現昆明市地下管線三維建模的應用研究［J］.測繪科學，2009，34（6）:122-124.