基于Web GIS的市政管線三維數字管理平臺設計與實現

周治祥

浙江華東測繪地理信息有限公司 浙江 杭州 310016

一、引言

城市的地下管網線是城市運作的重要基礎設施,堪稱城市的“生命線”[1]。隨著我國城市信息化的高速發展,城市地下管網面臨的難題也越來越多。在我國早期的城市化建設過程中,對地下管網的重視程度不夠,導致地下管網雨水和污水錯接、混接情況時有發生,導致水污染情況嚴重。近年來,各大、中、小城市都在城市管理、市政基礎設施管理、城市安全管理等日常事務下,越來越重視地下綜合管網的排查、治理[2]。隨著云計算技術、大數據技術、空間數據庫技術、導航、遙感技術的飛速發展,地理信息技術的發展和應用已經進入一個嶄新的時代。人工智能、大數據、移動端等新興技術亦廣泛應用在城市地下綜合管網的生產、更新、管理和應用中,極大地推動智慧地下管網的落地和實現,管線已經進入了智慧管網時代[2]。

在這樣的背景下,“市政管線三維數字管理平臺”應運而生,該平臺集成了地面實景三維、地下管線三維、管線缺陷標識等功能,地面實景三維數據是通過無人機現場作業,采集并制作三維成果,形成符合人眼視覺的真實直觀世界,一比一還原現實場景,實景三維模型不僅可以形象生動的展示周邊環境,也為三維場景內其他數據提供依附信息,更直觀、準確的管理、展示市政管線排查工作的成果。

二、系統設計

1.總體架構設計。本平臺體系結構采用了標準三層結構,由數據層、邏輯層和表現層組成,如圖1所示。

1)數據層：數據層是平臺的數據支撐,用于數據的存儲、管理。該平臺數據層由空間數據庫與屬性數據庫構成,為平臺提供空間數據以及元數據服務。本平臺采用Mysql關系型數據庫,實現系統各類元數據、地形、管線等數據的存儲和管理。

2)邏輯層：該層也稱為應用組件層,是數據層和服務層之間的連接,通過構建與系統各功能相關服務,對平臺的業務邏輯進行處理,為應用層提供服務支撐。平臺采用Skyline接口,實現系統業務邏輯,如管線模型管理、存儲、讀取、修改、更新等等。

3)應用層：該層作為平臺的功能實現層,面向用戶需求,提供管線模型管理、管線缺陷管理等應用模塊。

圖1 系統架構圖

2.系統功能設計。本文將平臺按照功能模塊化原則進行設計和劃分,并根據用戶的業務需求,將平臺功能劃分為5個模塊,如圖2所示：

圖2 系統功能模塊圖

三、系統關鍵技術

1、三維建模技術。三維建模技術能夠直觀展現三維空間的具體信息,在數字城市建模中發揮著重要作用[3]。首先,構建物體的三維模型,可以直觀、平面、真實、清晰地反映數字城市的具體情況;其次,能夠基于二維數據進行重構,將三維視場完美地融入到城市的地理信息建設中;并且,該技術能夠有效提高數字城市的數據維護效率,加強用戶的體驗感,為城市的發展提供便利[4]。

無人機傾斜攝影測量三維建模主要是通過傾斜攝影獲取的多角度的影像數據,通過自動化建模軟件,生產三維模型。其整個生產作業流程如圖3所示。

圖3 實景三維建模流程圖

2、Web GIS技術。Web GIS,即Web瀏覽器上的GIS系統,支持用戶在瀏覽器上進行GIS數據處理操作、數據檢索、空間分析、可視化展示等[5]。Web GIS使得以前在GIS軟件中才能實現的功能可以在瀏覽器端實現。

Web GIS體系采用B/S架構,如圖4所示,該體系主要由空間數據庫、Web GIS服務器和客戶端組成。該體系運行過程如下：用戶首先通過界面操作向服務端發起請求,該請求通過HTTP協議被轉移到Web GIS服務器,并在服務器中分析該操作請求,并執行請求,執行請求時根據需求訪問相應的空間數據庫。最后,服務器將分析結果通過HTTP響應返回到客戶端[6]。相較于C/S端的GIS軟件,基于Web GIS的平臺無需安裝任何軟件,具有分布性強、維護方便、開發簡單且共享性強的優勢。因此本平臺采用B/S框架進行平臺搭建。

圖4 Web GIS體系架構

3、Skyline。Skyline系列軟件是基于地理信息系統(GIS)、遙感(RS)、全球定位系統(GPS)和虛擬現實技術的三維可視化地理信息系統。Skyline能夠利用矢量數據、遙感影像數據、數字正射影像(DOM)、數字高程模型(DEM)、3D模型和非空間屬性數據等數據源,創建可視化、交互式的三維場景[8];能夠快速地創建、瀏覽、處理、編輯和分析真實的大范圍的地表三維景觀,支持大型數據庫對數據進行讀取存儲和管理,內嵌了實時信息通訊技術,面對海量數據仍可保持高速流暢的操作。

Skyline Globe6的框架圖如圖5所示：

圖5 Skyline Globe框架圖

Skyline軟件開發采用的是面向對象編程方法,使用的是基于COM 組件的開發技術。使用的編程環境.NET,以及本語言Java Script和Vbscript包含于HTML中,共同實現其系統功能。Skyline的二次開發文檔提供了許多的API接口,這便于編程人員很方便地使用其接口實現所需的功能,而不必知道接口函數封裝實現功能的過程。利用這些接口的組合就足以滿足普通功能的實現。

四、系統功能實現

本文的研究區域為安徽省蕪湖市,蕪湖市位于安徽省東南部,地處長江中下游,城市污水系統以長江為界,分為江北和江南片區,其中江南片區包括朱家橋污水處理系統等7個污水系統,江北片區包括沈巷污水系統等3個污水系統,共計10個污水處理系統,以及10座污水處理廠和若干提成泵站。

“地下管線三維展示與查詢”模塊主要面對城市級的海量管道數據,平臺提供了成果統一展示與管理,同時也提供了豐富的查詢模式,大幅提升數據交互的便利性,平臺支持點擊查詢,所見即所得,可以設定條件查詢,按用戶要求提供成果,可以按任意區域查詢,滿足范圍數據摸底,也可以提供各類剖面、開挖查詢,為工程施工提供輔助。

圖6 地面實景三維

“管線缺陷標識”模塊主要提供了管線檢測的缺陷標識功能,實現了缺陷統計、缺陷分類、缺陷現場照片以及視頻查看。截至目前,蕪湖市共完成1728.1公里檢測,發現了1371個混接點,31058處缺陷,不僅體檢與清掃了蕪湖市血管系統,更是創建了排水系統的缺陷庫,實現了缺陷與管段的地理位置的準確匹配 數據的共享與訪問,依托信息化平臺,用戶可以隨時隨地調取、查閱相關信息,為后續的設計、施工、運維提供了輔助決策。

圖7 地下三維管線模型

圖8 缺陷統計與查看界面

五、結語

在城市數字化穩健發展的今天,對市政排水管網的排查工作進行有效、準確的管理與發布是城市數字化、科學化的必然趨勢。本文基于B/S架構,采用三維GIS技術,實現了市政排水管線的信息化管理。采用Skyline作為基礎平臺,開發了一套功能使用的管線三維數據管理平臺,為管線排查、規劃等工作提供了可靠的技術支撐。