排水管線(xiàn)三維信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石淼，何偉，張敏，向祎，張義明，袁亞雄

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

隨著城市的進(jìn)步和發(fā)展，城市排水管網(wǎng)已進(jìn)入一個(gè)加強(qiáng)管理，提高安全保障的新時(shí)期，尤其是近年來(lái)我國(guó)城市內(nèi)澇事件頻發(fā)，更讓人們清醒地認(rèn)識(shí)到在排水管網(wǎng)建設(shè)的同時(shí)更要加強(qiáng)管理，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，排水管網(wǎng)的信息化管理應(yīng)運(yùn)而生，成為科學(xué)管理的發(fā)展方向[1]。

利用三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)展地下管線(xiàn)三維模型重建，能夠直觀(guān)再現(xiàn)地下管線(xiàn)間縱橫交錯(cuò)、上下起伏的空間位置關(guān)系，解決傳統(tǒng)二維管線(xiàn)空間關(guān)系不明晰、顯示效果不直觀(guān)等問(wèn)題，為輔助地下管線(xiàn)、綜合管廊和海綿城市的規(guī)劃建設(shè)、合理集約利用地下空間、保障管線(xiàn)安全提供有效的技術(shù)支撐[2]。因此，城市地下管線(xiàn)的信息化管理、表達(dá)與應(yīng)用正經(jīng)歷著從二維到三維的跨越。

本文以建設(shè)“武漢市江岸區(qū)排水管線(xiàn)三維信息系統(tǒng)”為例，利用三維建模技術(shù)，建立了排水管線(xiàn)三維數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了排水管線(xiàn)三維信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管線(xiàn)三維漫游、快速查詢(xún)定位、統(tǒng)計(jì)分析、空間量算和標(biāo)注等功能。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層包括機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器；數(shù)據(jù)層包括三維模型、地名地址、道路數(shù)據(jù)、社區(qū)數(shù)據(jù)和管線(xiàn)數(shù)據(jù)；支撐層包括數(shù)據(jù)服務(wù)接口和功能服務(wù)接口；應(yīng)用層表示排水管線(xiàn)三維信息系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)建庫(kù)

數(shù)據(jù)建庫(kù)的內(nèi)容包括地理空間框架數(shù)據(jù)、排水管線(xiàn)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，其中地理空間框架數(shù)據(jù)包括三維模型數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)和社區(qū)數(shù)據(jù)，排水管線(xiàn)數(shù)據(jù)包括二維數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)。

3.1 城市三維建模

以江岸區(qū)1∶2 000基本比例尺地形圖、0.2 m航空影像地圖和街景地圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)外業(yè)紋理采集，利用3ds Max通用建模軟件、模型自動(dòng)生成工具和圖像處理工具，制作地形三維模型、建筑三維模型、交通設(shè)施三維模型和其他三維模型，清晰直觀(guān)地表達(dá)城市三維景觀(guān)。

3.2 排水管線(xiàn)二維數(shù)據(jù)建庫(kù)

如圖2所示，排水管線(xiàn)二維數(shù)據(jù)建庫(kù)是將地下管線(xiàn)普查的成果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、檢查、糾錯(cuò)和處理，形成具有拓?fù)潢P(guān)系的地下管線(xiàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)表和線(xiàn)數(shù)據(jù)表[3]。在數(shù)據(jù)建庫(kù)過(guò)程中主要的流程有：依據(jù)探測(cè)的原始記錄進(jìn)行地下管線(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；通過(guò)圖庫(kù)一體化檢查軟件進(jìn)行入庫(kù)前的數(shù)據(jù)檢查，以確保入庫(kù)的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的數(shù)據(jù)一致；經(jīng)過(guò)軟件檢查出的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤應(yīng)查明原因，必要時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行復(fù)核，并將復(fù)核結(jié)果在數(shù)據(jù)庫(kù)中改正；數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)改正后應(yīng)重新用軟件進(jìn)行檢查[4]；通過(guò)數(shù)據(jù)檢查后，進(jìn)行重組、轉(zhuǎn)換及圖形屬性關(guān)聯(lián)等操作，按照比例尺、管線(xiàn)及對(duì)象類(lèi)型和層次關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)建庫(kù)；數(shù)據(jù)入庫(kù)后進(jìn)行接邊處理。

圖2 排水管線(xiàn)二維數(shù)據(jù)建庫(kù)流程

為了保證江岸排水管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性，管線(xiàn)建庫(kù)后平臺(tái)正常運(yùn)行過(guò)程中，平臺(tái)將提供數(shù)據(jù)更新功能，可以利用管線(xiàn)普查或管線(xiàn)修補(bǔ)測(cè)、管線(xiàn)竣工測(cè)量等成果更新管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 排水管線(xiàn)三維模型建庫(kù)

以排水管線(xiàn)二維數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，在要求的制作范圍內(nèi)，對(duì)二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢查，規(guī)范圖層命名說(shuō)明，對(duì)二維管點(diǎn)、管線(xiàn)等屬性信息進(jìn)行檢查，統(tǒng)一橢球參數(shù)、投影類(lèi)型、分帶類(lèi)型、中央子午線(xiàn)等空間參考設(shè)置，依照地下管線(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行入庫(kù)，二維管線(xiàn)存放到ArcSDE中；建立三維管線(xiàn)、管點(diǎn)基礎(chǔ)模型庫(kù)，依據(jù)二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)，采用管線(xiàn)處理工具自動(dòng)生產(chǎn)三維管線(xiàn)模型，疊加地面三維模型，對(duì)三維管線(xiàn)模型進(jìn)行補(bǔ)充制作、效果渲染和烘焙等步驟[2]。最后將二維數(shù)據(jù)和三維管線(xiàn)數(shù)據(jù)入庫(kù)并進(jìn)行服務(wù)器端發(fā)布，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)三維地圖的快速瀏覽訪(fǎng)問(wèn)和應(yīng)用。

圖3 排水管線(xiàn)三維模型建庫(kù)流程

4 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面如圖4所示。系統(tǒng)主要的功能包括三維漫游、圖層管理、快速定位、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)、空間分析、空間量測(cè)和扯旗標(biāo)注等，具有代表性的功能如圖5～圖8所示。

圖4 系統(tǒng)主界面

圖5 屬性查詢(xún)

圖6 管線(xiàn)統(tǒng)計(jì)

圖7 橫斷面分析

圖8 連通分析

(1)三維漫游：提供靈活的運(yùn)動(dòng)控制，方便從各個(gè)方面審查三維場(chǎng)景：提供自由、鳥(niǎo)瞰、環(huán)視、路徑等多種瀏覽模式，從各個(gè)角度查看三維場(chǎng)景。

(2)圖層管理：采用圖層方式管理不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)(包括排水設(shè)施三維模型、交通設(shè)施三維模型、地形景觀(guān)三維模型、地上建筑三維模型等)。

(3)快速定位：支持對(duì)地名、道路、社區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊搜索并快速定位。

(4)數(shù)據(jù)查詢(xún)：提供多種查詢(xún)方式對(duì)排水管線(xiàn)設(shè)施進(jìn)行查詢(xún)，包括屬性查詢(xún)、空間查詢(xún)、社區(qū)查詢(xún)、分類(lèi)查詢(xún)等。

(5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：提供給定屬性條件和空間范圍的統(tǒng)計(jì)，并可以生成統(tǒng)計(jì)表格和統(tǒng)計(jì)圖。

(6)空間分析：提供橫縱斷面分析、連通分析、流向分析等。

(7)空間量測(cè)：提供全方位測(cè)量工具，包括位置量測(cè)、距離量測(cè)和面積量測(cè)等。

(8)扯旗標(biāo)注：提供扯旗標(biāo)注管線(xiàn)屬性的功能。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 閉合式數(shù)據(jù)更新入庫(kù)流程構(gòu)建

為保持管線(xiàn)數(shù)據(jù)鮮活性，本項(xiàng)目建立了一套完整的閉合式數(shù)據(jù)更新入庫(kù)流程。排水管線(xiàn)普查探測(cè)的成果經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)入庫(kù)等流程，最后導(dǎo)入到排水管線(xiàn)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，形成“數(shù)據(jù)中心”。后續(xù)過(guò)程中利用排水管線(xiàn)竣工測(cè)量的成果數(shù)據(jù)、修補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)和詳勘數(shù)據(jù)等對(duì)現(xiàn)有“數(shù)據(jù)中心”進(jìn)行更新，從而保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性和完備性。

5.2 軟件開(kāi)發(fā)采用“裝配式GIS”技術(shù)進(jìn)行快速構(gòu)建

系統(tǒng)采用了“裝配式”GIS軟件開(kāi)發(fā)體系架構(gòu)[5]。“裝配式”GIS技術(shù)，讓用戶(hù)可以從數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)展示、要素操作、功能拓展、用戶(hù)權(quán)限等方面根據(jù)需求自行配置調(diào)整，從而保障了系統(tǒng)的生命力，提高了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性與通用性，此外，還方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展維護(hù)。

5.3 二三維管線(xiàn)數(shù)據(jù)同步增量更新技術(shù)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)應(yīng)用自動(dòng)建模技術(shù)和三維管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)更新機(jī)制，進(jìn)行任意范圍二三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)的同步在線(xiàn)更新。在提取到二維管網(wǎng)空間及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的更新信息后，主動(dòng)在三維系統(tǒng)中進(jìn)行單體管線(xiàn)模型及其附屬設(shè)施的重建。實(shí)現(xiàn)了三維管網(wǎng)模型的局部高效更新，保證三維模型與二維屬性數(shù)據(jù)的嚴(yán)格一致，為基于三維的管線(xiàn)管理和分析提供高時(shí)效性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6 總 結(jié)

本文結(jié)合“武漢市江岸區(qū)排水管線(xiàn)三維信息系統(tǒng)”項(xiàng)目，利用三維建模技術(shù)，建立了排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)了排水管線(xiàn)三維信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了排水管網(wǎng)信息化管理，為排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新、規(guī)劃與疏澇，排水設(shè)施的管理、維護(hù)和建設(shè)等工作提供數(shù)據(jù)支撐和信息化支持。同時(shí)，該系統(tǒng)也為“智慧水務(wù)”的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，并已經(jīng)成功運(yùn)用于武漢市江岸區(qū)排水管網(wǎng)的日常管理，提高了排水管網(wǎng)信息化水平。目前該系統(tǒng)主要側(cè)重于排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維可視化查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析等功能，如何將系統(tǒng)功能拓展到排水管線(xiàn)規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管等管線(xiàn)全生命周期業(yè)務(wù)[6]，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是下一步研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。