基于ArcGIS三維管網(wǎng)系統(tǒng)在高校中的設計與實現(xiàn)

李 嘉，黃敏娟

（順德職業(yè)技術學院 廣東 佛山 528300）

0 引言

近年來，順德職業(yè)技術學院校園基礎設施建設不斷完善，地下管線建設不斷加快，管線類型不斷擴展、管線長度不斷增多、地下管線鋪設急劇復雜多樣。在學校建設中因地下管線資料缺失而導致誤挖造成爆管等事故，造成不必要的經(jīng)濟損失，管線數(shù)據(jù)圖紙的缺失、信息化管理不足也加劇了后勤維護的困難。因此進行地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)開發(fā)、完善地下管線的信息化建設尤為重要[1]。地下管網(wǎng)信息化可以為權(quán)屬單位提供較為準確的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，及時為建設與施工提供信息服務，為相關部門提供決策。提供基礎現(xiàn)狀信息共享，避免重復物探工作，為管線規(guī)劃、設計和建設節(jié)省資金、時間、人力及物力。本系統(tǒng)還提供了手機端查看功能，方便工作人員隨時查看，提供工作效率。

1 系統(tǒng)設計原則

順德職業(yè)技術學院地下管線測繪及三維可視管理系統(tǒng)開發(fā)的設計思路可以概括為：“以管理為導向，以數(shù)據(jù)為核心，以更新為重點，以整合為手段”。規(guī)范化，系統(tǒng)性，開放性，關聯(lián)性，適用性的設計原則。本項目的建設內(nèi)容包括順德職業(yè)技術學院（面積約1.2平方公里）范圍內(nèi)的基礎數(shù)據(jù)建設、地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)建設兩部分內(nèi)容。

2 基礎數(shù)據(jù)建設

通過開展全面的地形圖及地下管線探測，掌握地下管網(wǎng)的位置、尺寸、材質(zhì)等基礎信息；利用三維虛擬仿真技術，完成地面建筑、構(gòu)筑物（含監(jiān)控設備和音箱）、道路、水系、綠化等對象的三維模型制作；完成地下管網(wǎng)自動化建模，管線探測成果快速生成三維管線模型，實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的快速批量三維化。

地下管線探測包括地下管線探查和地下管線測繪兩個基本內(nèi)容，地下管線探查是通過現(xiàn)場調(diào)查和不同的探測方法探尋各類管線的埋設位置和深度、管徑、材質(zhì)等內(nèi)容，并在地面上設立測量點，即管線點；地下管線測繪是對已查明的地下管線位置即管線點的平面位置和高程進行測量，并繪制地下管線圖。為開發(fā)三維可視化管理系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)。

2.1 管線探測工作流程

本次地下管線普查的工作內(nèi)容：已有資料的收集、現(xiàn)場踏勘；儀器校驗、物探方法試驗、編寫設計書；地下管線調(diào)查與探查；地下管線測量；建立地下管線數(shù)據(jù)庫、地下管線圖編繪、成果輸出以及檢查驗收和歸檔等[2]。具體工作流程如圖1所示。

圖1 管線探測工作流程圖

本次管線探測自2020年7月8日進場施工，到2020年10月18日結(jié)束外業(yè)探測主體工作，共計投入1.5個作業(yè)小組。歷時100天。完成各類型管線探測長度155.42公里。

結(jié)合本測區(qū)地下管線種類及其分布特征，本次地下管線普查工作選用英國雷迪公司生產(chǎn)的RD8100型管線探測儀。RD8100工作頻率選用33 kHz為主，8 kHz、65 kHz為輔。在本項目使用結(jié)果表明該儀器性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、效率快、精度高、一致性好、輕便、易操作，既可用于電力、電信電纜探查，也可用于金屬給水管道及燃氣管道的探查，滿足在本測區(qū)開展地下管線探查工作的需要。

2.2 數(shù)據(jù)處理流程

保證各項工序的順利銜接，保證質(zhì)量，提高效率，此次采取的工作流程，具體如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3 質(zhì)量評價

物探三級檢查工作量嚴格按照《規(guī)程》的要求，本測區(qū)工程共完成明顯管線點9 771個，隱蔽管線點3 509個。物探共完成明顯管線點檢查1874個，占明顯點的19.18%；隱蔽管線點檢查664個，占隱蔽點的18.92%。結(jié)果合格。管線點物探檢查精度統(tǒng)計具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 管線點物探檢查精度統(tǒng)計總表

根據(jù)管線點物探檢查精度統(tǒng)計表得出結(jié)論：明顯點中誤差不超過限差；隱蔽點平面中誤差和埋深中誤差均滿足不超過規(guī)定限差0.5倍的要求。

3 地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)設計

結(jié)合管理需求開發(fā)地下管網(wǎng)綜合信息系統(tǒng)，將各類地下管網(wǎng)信息整理入庫，系統(tǒng)應具有數(shù)據(jù)管理、查詢統(tǒng)計、空間分析、三維展示、統(tǒng)計報表及用戶管理等功能。滿足管理者對綜合管網(wǎng)管理的需求、提高工作效率和管理水平；以綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)作為整個信息系統(tǒng)的核心，建立適應新時代發(fā)展需求的綜合管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)各部門之間信息的科學組織、共享和協(xié)作。

3.1 系統(tǒng)設計

3.1.1 系統(tǒng)的功能設計

高校的三維管網(wǎng)系統(tǒng)主要是實現(xiàn)高校管理自動化、信息數(shù)字化、校園虛擬化、服務智能化、資源最大化。此三維系統(tǒng)應能對管網(wǎng)信息、光纖、監(jiān)控等走線進行添加、刪除、修改；對已添加進系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)進行查詢、分析和統(tǒng)計，并且能進行報表輸出；能實現(xiàn)圖文互訪，即從三維地圖到屬性的查詢、瀏覽和從屬性到三維地圖的查詢定位，增加了學校建筑物和地下管網(wǎng)的三維可視化[3]。此三維系統(tǒng)最大的特點是，具有強大的三維可視化功能，在系統(tǒng)建設完善后能利用該系統(tǒng)快速、準確地掌握學校各種硬件資源及其分布，提高學校管理者的工作效率，為學校規(guī)劃決策提供重要的信息來源。同時也為學校的老師、學生、參觀來訪人員了解學校總體布局、資源信息等提供方便。因此，三維管網(wǎng)系統(tǒng)主要有5大功能模塊，具體如圖3所示。

圖3 三維管網(wǎng)系統(tǒng)功能模塊圖

3.1.2 數(shù)據(jù)標準設計

（1）參考規(guī)范：以國家、省市的相關標準作為參考規(guī)范。

（2）數(shù)據(jù)規(guī)范：以廣州市基礎空間數(shù)據(jù)規(guī)范為參考，以高校基礎數(shù)據(jù)、三維地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)范為基礎，并通過國家元數(shù)據(jù)規(guī)范統(tǒng)一的標準形成有機規(guī)范的整體。

（3）技術規(guī)范：整合接入權(quán)責規(guī)范、數(shù)據(jù)庫設計規(guī)范、權(quán)限管理規(guī)范、系統(tǒng)升級維護規(guī)范、信息編碼規(guī)范、整合接入過程規(guī)范。

3.1.3 數(shù)據(jù)庫設計

ESRI公司推出的ArcGIS中GeoDatabase是一種利用標準的關系數(shù)據(jù)庫技術來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型。GeoDatabase描述地理對象主要通過四種方式：（1）用矢量數(shù)據(jù)描述不連續(xù)的對象；（2）用柵格數(shù)據(jù)描述連續(xù)對象；（3）用TINs描述地理表面；（4）用Locatro或Address描述位址。

3.1.4 順德學院的三維管線數(shù)據(jù)庫設計

（1）地形圖庫：順德學院1:500基礎地形圖（需包含建筑物、道路、綠化、植被、水系、等高線等高點數(shù)據(jù)與信息，其中道路需含道路中心線、道路名標注，建筑需含層數(shù)標注、建筑名稱等）；

（2）管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫；

（3）管線探測單位將探測結(jié)果按照《佛山市地下管線計算機成果數(shù)據(jù)標準》中關于數(shù)據(jù)成果的相關要求，整理成為可以入庫的數(shù)據(jù)格式，通過地下管線數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)錄入到地下管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中；

（4）三維管線庫：三維管線（內(nèi)容與地下管線類似，由系統(tǒng)實時生成）；

（5）地上三維建筑：完成順德學院地面建筑、道路、水系、綠化等對象的三維模型制作。

3.1.5 GIS空間數(shù)據(jù)庫設計

GeoDatabase庫定義了GeoDatabase模型，主要對象有：工作空間（Workspace），數(shù)據(jù)集（Dataset），地理數(shù)據(jù)集（GeoDataset），要素數(shù)據(jù)集（FeatureDataset），柵格數(shù)據(jù)集（RasterDadaset），表（Table），對象類（ObjectClass），要素集（FeatureClass），關系類（RelationshipClass），屬性關系類（AttributedRelationshipClass）。

GIS空間數(shù)據(jù)主要組織采用庫名稱—類名稱—圖層名的三層結(jié)構(gòu)；SDXYGISDATA數(shù)據(jù)文件的容量設定為1 G。

3.1.6 備份策略

數(shù)據(jù)庫采用累積增量備份，雖然增加了一部分數(shù)據(jù)冗余，但是如果使用數(shù)據(jù)恢復時所涉及的數(shù)據(jù)量相對比較少，需要備份的次數(shù)也不超過4次，極大地方便了數(shù)據(jù)恢復所需要的時間[4]。

（1）備份數(shù)據(jù)庫控制文件和所有的數(shù)據(jù)文件；

（2）備份數(shù)據(jù)庫文件后產(chǎn)生所有重做日志文件的歸檔；

（3）通過Oracle多路技術或操作系統(tǒng)鏡像產(chǎn)生的聯(lián)機重做日志的副本；

（4）通過Oracle多路技術或操作系統(tǒng)鏡像產(chǎn)生的控制文件的副本.

3.1.7 數(shù)據(jù)庫應用級用戶設計

系統(tǒng)提供了用戶管理定制面板，通過管理員定制相關的用戶信息及密碼，應用人員就能用已經(jīng)設置好的用戶和密碼登錄并使用系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)相關操作都由應用軟件通過訪問WCF數(shù)據(jù)服務進行操作[5]，并封鎖相關SQL輸入入口，防止應用人員直接在應用軟件中用SQL語句操作相關記錄。

3.2 三維模型可視化集成

Multipatch是在平面圖像上添加某些特定的高度數(shù)據(jù)所獲得的三維立體面[6]。三維可視化集成步驟如下：

（1）利用ArcEngine構(gòu)建Multipatch三維立體面；

（2）將三維模型（3DS）格式轉(zhuǎn)換為三維立體面（Multipatch）格式；

將建好的三維模型全部導入到ArcEngine引擎中，并根據(jù)實測地形圖中的位置進行調(diào)整，最后的效果如圖4所示。

圖4 三維建筑模型圖

3.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.3.1 三維場景導航瀏覽功能

為了用戶在漫游虛擬校園系統(tǒng)的同時對學校建筑地理位置、發(fā)展歷史、所處地位等情況有所了解，進而使該系統(tǒng)成為外界認識順德職業(yè)技術學院的一個窗口，本項目開發(fā)了三維校園導航功能模塊，如圖5所示。通過對三維地圖的放大、縮小、漫游、導航、飛行等操作實現(xiàn)對三維場景的瀏覽[7]。

圖5 三維場景瀏覽圖

3.3.2 信息采集與輸入

（1）地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，主要解決管線數(shù)據(jù)的監(jiān)理查錯、成圖、管線數(shù)據(jù)的導入、導出、更新管理，管網(wǎng)數(shù)據(jù)維護和數(shù)據(jù)版本管理等功能[8]，如圖6所示。

圖6 順德學院地下管線測繪及三維可視管理系統(tǒng)開發(fā)組成

（2）二三維一體化系統(tǒng)

二三維一體化系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，實現(xiàn)二三維地圖及數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢統(tǒng)計、空間分析、三維校園展示、系統(tǒng)管理員對訪問權(quán)限的控制等功能，如圖7所示。

圖7 順德學院地下管線測繪及三維可視管理系統(tǒng)開發(fā)組成

3.3.3 信息共享與輸出

（1）三維模型數(shù)據(jù)集成接口

三維模型數(shù)據(jù)集成采用AxDCIGlobe.Init（string strConn）方法實現(xiàn)，根據(jù)strConn給定的鏈接進行初始化，加載三維模型數(shù)據(jù)到系統(tǒng)中。

（2）三維模型數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)接口

三維模型數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)集成通過二維數(shù)據(jù)訪問類讀取屬性數(shù)據(jù)，通過DCIQuery接口的ExecuteLocalSearch方法來獲取查詢記錄，通過關鍵字與屬性數(shù)據(jù)關聯(lián)，顯示三維模型數(shù)據(jù)的屬性信息[9]。

（3）系統(tǒng)與標準數(shù)據(jù)接口

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫訪問類和二維數(shù)據(jù)訪問類，可以支持行業(yè)標準數(shù)據(jù)的讀取，如空間數(shù)據(jù)庫、XML格式等數(shù)據(jù)標準。

4 結(jié)語

綜上所述，校園地下管線三維可視化系統(tǒng)滿足了學校后勤處、信息管理中心等部門對地下管網(wǎng)、光纖布線、監(jiān)控點布線等管理需求，提高了相關工作人員工作效率，為實現(xiàn)各部門之間信息的科學組織、共享和協(xié)作提供了有力的工具。地下管線三維可視化系統(tǒng)在我校達到了以下效果：

（1）實現(xiàn)統(tǒng)一的校園地下給排水管、校園網(wǎng)絡光纖、監(jiān)控布線的管理；

（2）提高相關工作人員的工作效率，增加工作透明度；

（3）為信息達到最大程度的利用和共享提供了有力的工具；

（4）為校園施工開挖和應急指揮搶險提供數(shù)據(jù)基礎，提高學校管理效率；

（5）為適應“數(shù)字校園”后繼發(fā)展的要求，與現(xiàn)有的校園節(jié)能監(jiān)測平臺及其他二級平臺對接，提高校園管線管理水平。