城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用分析

孟 玉， 任宗強(qiáng)

(1.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051； 2.安徽省地理信息智能技術(shù)工程研究中心，安徽 合肥 230051)

0 引 言

隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)、三維呈現(xiàn)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)的發(fā)展，利用三維技術(shù)來(lái)表現(xiàn)空間信息被人們所重視，并廣泛應(yīng)用，它所能包含的信息量和資源共享的便利性都超乎尋常。

城市綜合地下管網(wǎng)的信息化建設(shè)、管理是“智慧城市”的一項(xiàng)非常重要的、具有前瞻性的基礎(chǔ)工作。城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)能夠全面提升城市管網(wǎng)的信息化管理水平，并在災(zāi)害處置、緊急救援、城市地下空間利用等方面提供重要保障。

1 城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)建設(shè)的必要性

城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)是城市運(yùn)營(yíng)、管理的核心組成部分，它不僅在城市內(nèi)澇治理、地下空間綜合利用、日常巡視和維護(hù)中發(fā)揮重要的作用，同時(shí)也融入城市總體規(guī)劃、海綿城市、內(nèi)河治理等多方面綜合城市管理的領(lǐng)域。

結(jié)合新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)可以把物聯(lián)網(wǎng)、地理信息等技術(shù)進(jìn)行融合使用，也可以融匯多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)展示、分析、立體規(guī)劃等功能，最大限度地發(fā)揮管網(wǎng)一張圖的效用。數(shù)據(jù)可以是無(wú)人機(jī)獲取的DEM、DOM和三維模型，也可以是各種管網(wǎng)傳感器感知系統(tǒng)依靠通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)母鞣N運(yùn)行信息，最終匯集于利用地理信息技術(shù)搭建的綜合系統(tǒng)平臺(tái)中，讓我們的城市健康運(yùn)行得到了保障，讓城市管理變得更加高效和便捷。

2 城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)建設(shè)的流程和方法

2.1 總體框架

城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)需要接收的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、背景影像數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、傳感器的感知數(shù)據(jù)和管道檢測(cè)數(shù)據(jù)?？傮w框架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧其包容性、共享性和標(biāo)準(zhǔn)化?？傮w框架圖如圖1所示。

圖1 城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)總體框架圖

2.2 系統(tǒng)建設(shè)的主要流程和方法

城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的建設(shè)需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理、標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、重構(gòu)，統(tǒng)一基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)化，以及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入等一系列流程，還要根據(jù)不同的用戶需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。本文限于篇幅，僅對(duì)前期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行闡述。具體流程如圖2所示，對(duì)于多源數(shù)據(jù)，采用不同的處理方式，具體方法在見(jiàn)本文2.3.1節(jié)。

圖2 數(shù)據(jù)采集和輸入端的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化處理

多數(shù)據(jù)融合除了對(duì)數(shù)據(jù)格式的解析、重構(gòu)、疊加之外，還要做好不同數(shù)據(jù)坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一。目前，Web端統(tǒng)一顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)一般采用WGS1984，坐標(biāo)采用大地坐標(biāo)系表示方法，即大地經(jīng)度L和大地緯度B，高程根據(jù)需要選擇大地高或者正常高。

為了統(tǒng)一不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，需要做好坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其中最常用的方法是：七參數(shù)和四參數(shù)+高程擬合，具體方法在見(jiàn)本文2.3.2節(jié)。

二維管線圖的點(diǎn)位符號(hào)采用可縮放矢量圖形(SVG)表示。SVG的優(yōu)點(diǎn)是矢量數(shù)據(jù)顯示平滑度與畫面放縮大小無(wú)關(guān)，缺點(diǎn)是制作過(guò)程較為復(fù)雜。一般可以根據(jù)符號(hào)的規(guī)格和形狀在AutoCAD中先繪制好，然后再用程序直接轉(zhuǎn)換為SVG，這種方式可以解決不同符號(hào)制作過(guò)程復(fù)雜的困難。

2.3 關(guān)鍵問(wèn)題的解決方法

2.3.1 數(shù)據(jù)的解析、重構(gòu)方法

(1) DXF文件的解析、重構(gòu)、加載方法。DXF文件的解析、重構(gòu)主要解決用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示到Web端的問(wèn)題，結(jié)合AutoCAD二次開(kāi)發(fā)中擴(kuò)展數(shù)據(jù)的使用，可以很容易地做到AutoCAD數(shù)據(jù)加上圖形屬性同步轉(zhuǎn)換、重構(gòu)，既能保證圖形的準(zhǔn)確性，也能保證屬性的完整性。一般情況下，采用如圖3所示的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3 DXF文件的解析、重構(gòu)、加載方法

(2) DEM和DOM數(shù)據(jù)加載方法。很多情況下，我們會(huì)選擇一些商業(yè)公司的影像地圖作為底圖，但清晰度有限，當(dāng)與其他信息疊加后，無(wú)法將地形信息有效地融合，所以大多數(shù)時(shí)候需要用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍后生成DEM和DOM數(shù)據(jù)，再疊加到底圖中，這樣地形、地物都很清晰，不同點(diǎn)位的地物也不容易混淆。但這項(xiàng)工作需要進(jìn)行影像的裁切、瓦片化、發(fā)布服務(wù)等一系列操作才能實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)影像裁切可以使用Global Mapper軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、裁切，瓦片化則可以使用CesiumLab軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，至于瓦片的發(fā)布，不同基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，一般都會(huì)提供數(shù)據(jù)加載的API。

(3) 三維模型構(gòu)建方法。為了更加形象地描述管點(diǎn)的附屬物，如閥門、消火栓、路燈、交接箱、井體(井蓋、井脖、井室)、井蓋等，這些需要建立各自不同規(guī)格的三維模型，而對(duì)于管段來(lái)說(shuō)，就沒(méi)有那么復(fù)雜，只需要構(gòu)建時(shí)做好截面圖形，然后再進(jìn)行拉伸即可，但要處理好管截面中心與實(shí)際管網(wǎng)高程的換算關(guān)系。管點(diǎn)的三維模型可以在3DMax或AutoCAD中建立，貼圖后用插件導(dǎo)出gltf文件，也可以保存成obj文件后再用插件轉(zhuǎn)換為3dtiles文件，然后進(jìn)行加載，這里推薦使用第二種方式，可以減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用。井體一般包括井蓋、井脖、井室三個(gè)部分，井蓋的處理方式和普通管點(diǎn)的三維模型處理方式一致，一般先加載一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(1.0 m×1.0 m×1.0 m)的3dtiles格式的模型，再按照實(shí)地情況修改放縮、位移、旋轉(zhuǎn)變換矩陣參數(shù)，這樣即可滿足不同規(guī)格的井蓋、井脖和井室的模型構(gòu)建需求。

2.3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通常采用七參數(shù)或者四參數(shù)+高程擬合的方式，一般情況下，七參數(shù)適用于50 km2左右的范圍使用，而四參數(shù)則在20～30 km2范圍內(nèi)更加適用。兩種的方法的計(jì)算方式如下：

(1) 七參數(shù)。其坐標(biāo)變換公式為：

將誤差方程改寫成矩陣形式：

V=B·δX+L

根據(jù)最小二乘法VTPV=min的原則，其中，同精度獨(dú)立觀測(cè)值的P=I，從而求得δX=-(BTPB)-1BTPL。

最終計(jì)算得到三個(gè)平移參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)比例參數(shù)，即為七參數(shù)。

(2) 平面四參數(shù)。首先，需要對(duì)測(cè)量點(diǎn)對(duì)根據(jù)高斯正算，計(jì)算出大地坐標(biāo)系下的(B、L)通過(guò)高斯投影后的平面坐標(biāo)(x、y)，并獲取當(dāng)?shù)赝c(diǎn)對(duì)的區(qū)域坐標(biāo)系(例如：1954北京坐標(biāo)系)的坐標(biāo)(x0、y0)至少2點(diǎn)。然后，代入計(jì)算公式，計(jì)算出四參數(shù)，通過(guò)其他點(diǎn)對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證，符合精度要求時(shí)，對(duì)未知點(diǎn)再進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可?；竟綖椋?/p>

根據(jù)誤差方程，改寫為矩陣形式為：

求得參數(shù)估值：

通過(guò)已知點(diǎn)的調(diào)整，再計(jì)算估值和精度評(píng)定，直到精度達(dá)到要求或增加其他已知點(diǎn)參與計(jì)算。最終得到平移量x0、y0、尺度比例因子λ和旋轉(zhuǎn)因子α，共四個(gè)參數(shù)。

(3) 高程擬合。主要使用的方法有平面擬合法、二次曲面擬合法等。

平面擬合法：設(shè)某點(diǎn)的高程異常與該點(diǎn)的平面坐標(biāo)的關(guān)系：ξi=ɑ1+ɑ2xi+ɑ3yi其中，ɑ1、ɑ2、ɑ3為模型參數(shù)。誤差方程：νi=ɑ1+ɑ2xi+ɑ3yi-ξi，用矩陣表示為V=Ax-ξ，根據(jù)最小二乘原理，A=(XTX)-1XTξ，最終解算出ɑ1、ɑ2、ɑ3。

2.3.3 傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)選點(diǎn)

為了保證管網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)安全，需要在主要管網(wǎng)上的關(guān)鍵點(diǎn)安裝各種傳感器，監(jiān)測(cè)壓力、溫度、流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而選擇合適的布點(diǎn)位置尤為重要，它關(guān)系到整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要考慮管網(wǎng)本身的用途、管道級(jí)別(主干管、次干管、末梢管)、管道建設(shè)年代和使用狀況、管網(wǎng)覆蓋區(qū)域的人口數(shù)量及是否為特殊區(qū)域(學(xué)校、醫(yī)院、政府機(jī)構(gòu)、大型企業(yè)、公共設(shè)施)等因素，最終形成選點(diǎn)熱力圖，分級(jí)選擇布點(diǎn)位置。

3 城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用

城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)在城市內(nèi)澇模擬、城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)、地下空間規(guī)劃和利用，以及城市應(yīng)急處置等方面有著舉足輕重的作用，成為城市健康運(yùn)行的重要依據(jù)。

在城市內(nèi)澇模擬方面，利用管網(wǎng)一張圖，以及內(nèi)河、池塘等水域的水位變化情況，加上城市調(diào)蓄設(shè)施、雨水泵站等運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)也應(yīng)考慮城市地勢(shì)、硬化路面、綠化和自然地表覆蓋范圍等，再結(jié)合降雨情況以及各區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的雨情信息等各個(gè)因素綜合考慮。并對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行分類和賦予不同權(quán)值，通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)證、修正，最終得出區(qū)域的內(nèi)澇形成點(diǎn)、成因分析和疏導(dǎo)內(nèi)澇的方案。

未來(lái)的城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)將更多地借鑒數(shù)字孿生的概念進(jìn)行數(shù)字化、智能化設(shè)計(jì)，而地下管網(wǎng)系統(tǒng)正是為此提供現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，結(jié)合三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以模擬設(shè)計(jì)成果的合理性、可靠性，并且系統(tǒng)提供的虛擬開(kāi)挖可以指導(dǎo)后期的施工。

城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)能更加準(zhǔn)確、直觀地呈現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的地下空間，可對(duì)地下空間的規(guī)劃與利用提供有力的數(shù)據(jù)支撐，為管線最優(yōu)路徑、綜合管廊、地鐵、道路選線等提供依據(jù)，同時(shí)在人防規(guī)劃、國(guó)土空間規(guī)劃等方面也將發(fā)揮重要的作用。

城市的應(yīng)急指揮能力是衡量一個(gè)城市管理水平的重要指標(biāo)，而應(yīng)急指揮需要數(shù)字化、智能化、信息化的支持，城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)中的爆管關(guān)閥、應(yīng)急輔助功能也將為管道搶修、人員轉(zhuǎn)移、城市內(nèi)澇疏導(dǎo)等提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)通過(guò)不斷的技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、標(biāo)準(zhǔn)化，做到了多源數(shù)據(jù)的融合，解決了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)解析、重構(gòu)、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵問(wèn)題，普遍應(yīng)用于城市綜合管理和內(nèi)澇治理，為地下空間規(guī)劃和利用提供依據(jù)，另外在城市管網(wǎng)設(shè)計(jì)和城市應(yīng)急處置方面也將發(fā)揮重要的作用。隨著傳感器技術(shù)的不斷突破，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)等，城市綜合地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)將讓我們生活的城市更加安全、更加智慧、更加便捷。