王舒　寧芊

摘要：伴隨新城鎮(zhèn)建設(shè)，地下管線規(guī)模日益龐大，種類日益繁多，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)高效的信息化管理尤為重要。為更好表現(xiàn)各類管線的地下空間分布關(guān)系，在二維地下管線信息化的基礎(chǔ)上，探索管線信息的三維建模及可視化管理。通過構(gòu)建地下管線三維數(shù)據(jù)模型，利用空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)，結(jié)合ArcGIS Engine組件技術(shù)，搭建專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)框架，生成地下管線三維模型，并實(shí)現(xiàn)三維可視化的信息查詢與動(dòng)態(tài)管理功能。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：地下管線；空間數(shù)據(jù)模型；三維可視化；ArcGIS

DOIDOI：10.11907/rjdk.143801

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002007803

0引言

地下管線信息是城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)過程中不可或缺的基礎(chǔ)資料，也是城市決策的重要基礎(chǔ)資源之一。地下管線的隱蔽性、多變性和不確定性使地下管線信息成為城鎮(zhèn)建設(shè)、安全、應(yīng)急、防災(zāi)減災(zāi)面臨的挑戰(zhàn)。因此，地下管線信息的即時(shí)獲取和科學(xué)高效的管理受到社會(huì)持續(xù)關(guān)注。近年來，地下管線信息化建設(shè)工作從逐漸進(jìn)入人們視線過渡到了需求緊迫的階段。

城鎮(zhèn)地下管線包括給水、排水、電力、電信、燃?xì)獾榷喾N管線及其附屬設(shè)施，是城市的血脈和神經(jīng)。地下管線信息化是充分利用地理信息技術(shù)，采集、管理、更新、維護(hù)地下管線數(shù)據(jù)，開發(fā)利用地下管線信息資源，促進(jìn)地下管線信息交流與資源共享，并推動(dòng)地下管線信息在城市運(yùn)維中發(fā)揮重要作用的過程，它是推動(dòng)城市現(xiàn)代化建設(shè)與管理的重要技術(shù)手段之一＼[12＼]。

隨著城市管線建設(shè)快速發(fā)展，二維地下管線信息已經(jīng)不能夠很好地滿足需求。特別是在城市大規(guī)模建設(shè)并利用城市地下空間的背景下，建設(shè)了大量與地下管線相關(guān)的地下建筑物，這些地下建筑物中出現(xiàn)了管線共溝、多空管道、一井多蓋，以及垂直管道等大量地下管線設(shè)備交疊的空間投影信息重疊現(xiàn)象，這些現(xiàn)象二維地下管線信息難以完整表達(dá)＼[12＼]。此外，二維地下管線圖具有很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)特征，不能滿足城市發(fā)展進(jìn)程中普通人員對(duì)地下管線數(shù)據(jù)直觀顯示日益強(qiáng)烈的需求。因此，有必要將地下管線數(shù)據(jù)的表示方法在二維的基礎(chǔ)上擴(kuò)展到三維。三維地下管線信息能夠更加直觀地展示隱蔽于地面之下的、不可見的管線要素的空間分布、空間結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系，并與周圍地面建筑物匹配顯示，使城市管理者及非專業(yè)用戶都能夠更好地瀏覽、查詢并使用地下管線信息，是未來城市地下管線信息化工作的發(fā)展方向之一。

目前，針對(duì)地下管線三維可視化的研究與應(yīng)用還比較少，本文構(gòu)建了地下管線空間數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了地下管線三維可視化，并在此基礎(chǔ)上搭建管線專用系統(tǒng)開發(fā)框架。

1地下管線空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.1地下管線概念層數(shù)據(jù)模型

為表達(dá)地下管線實(shí)體及其相互間的聯(lián)系，在對(duì)地下管線特征充分認(rèn)識(shí)、完整抽象的基礎(chǔ)上＼[3＼]，依照業(yè)內(nèi)普遍使用的地下管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建地下管線概念層數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。地下管線數(shù)據(jù)模型是描述數(shù)據(jù)概念的集合，包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)關(guān)系及完整性約束條件等概念。

1.2地下管線組織層數(shù)據(jù)模型

將城市地下管線分為給水、排水、電力、電信、熱力、燃?xì)?、工業(yè)、地下空間設(shè)施八大類。每個(gè)大類還可分為小類，如給水管線包括上水、循環(huán)水、消防、綠化。電信管線包括市話、長途、有線電視、寬帶等小類＼[12＼]。地下管線空間信息的幾何特征簡(jiǎn)單，連通性強(qiáng)。地下管線空間信息幾何特征只有呈點(diǎn)狀分布的管井和呈線狀分布的管線。地下管線雖然種類較多，但其空間結(jié)構(gòu)基本一致，一般都由管線點(diǎn)、管線段及其附屬設(shè)施構(gòu)成，在GIS中均可用點(diǎn)和線進(jìn)行描述。從幾何角度可以把這些對(duì)象分為點(diǎn)、線對(duì)象兩類，按空間維數(shù)分為零維對(duì)象（如三通、四通、閥門等），一維對(duì)象（如給水管線、燃?xì)夤芫€），可以將上述實(shí)體分別設(shè)計(jì)為不同的對(duì)象類。

管井點(diǎn)位信息主要包括管井平面位置、高程、各種構(gòu)筑物等。管線線段信息主要包括管徑、起止管點(diǎn)號(hào)、起止高程、管材、結(jié)構(gòu)類型等。

圖1地下管線ER模型

與城市地下管線的八大類相對(duì)應(yīng)，地下管線數(shù)據(jù)庫也可分為8個(gè)子庫：給水、排水、燃?xì)?、熱力、電力、電信、工業(yè)、地下空間設(shè)施。每個(gè)子庫包括多個(gè)數(shù)據(jù)層：管井點(diǎn)、管線線段、小室、管線輔助線等。其中主要數(shù)據(jù)層為管井點(diǎn)和管線線段，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1和表2所示。

2地下管線數(shù)據(jù)建庫及可視化

2.1空間數(shù)據(jù)庫引擎

配置ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎，可將復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)作為對(duì)象放在RDBMS中＼[4＼]，并提供管理和檢索數(shù)據(jù)的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行松散存儲(chǔ)，并支持多用戶并發(fā)操作＼[5＼]。

ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎＼[6＼]在關(guān)系數(shù)據(jù)庫（如IBM DB2、Oracle、SQL Server等）的基礎(chǔ)上增加了處理空間數(shù)據(jù)的能力。ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎為RDBMS提供了GIS數(shù)據(jù)類型（如點(diǎn)、線、多邊形、以及這些feature之間的拓?fù)潢P(guān)系和投影坐標(biāo)等相關(guān)信息），并提供了對(duì)這些基礎(chǔ)類型的操作。

2.2管線數(shù)據(jù)建庫及可視化

本文采用Xian_1980_GK_Zone_20作為投影坐標(biāo)系，WGS 1984作為高程坐標(biāo)系在ArcGIS中構(gòu)建要素?cái)?shù)據(jù)集，每個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)一類地下管線。再在要素?cái)?shù)據(jù)集中創(chuàng)建要素類＼[7＼]，如要素類water_supply_pipe_line對(duì)應(yīng)給水管線線段，fuel_gas_famen對(duì)應(yīng)燃?xì)忾y門，fuel_gas_tiaoyaqi對(duì)應(yīng)燃?xì)庹{(diào)壓器。這些要素類會(huì)映射為RDBMS數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系表。

依據(jù)各類地下管網(wǎng)的拓?fù)湟?guī)則，為各要素類添加數(shù)據(jù)。如下為添加一行燃?xì)夤芫€線段對(duì)象的sql語句。

INSERT INTO fuel_gas_pipe_line（OBJECTID，SHAPE，PipeLineType，PipeRadius，Pressure）

VALUES（1，geometry：：STGeomFromText（'LINESTRING（-140 60 -10，-160 40 -10）'，2334），'供電'，80，'高'）；

對(duì)RDBMS數(shù)據(jù)庫中關(guān)系表進(jìn)行的所有操作，都將映射在其空間圖形上。地下管線三維可視化如圖2所示。

圖2地下管線三維可視化

3系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)及可視化

3.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

地下管線專用系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)城市地下管線數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理和信息應(yīng)用為目標(biāo)，科學(xué)分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究所需的信息。該系統(tǒng)主要功能包括管線信息錄入、編輯更新、管線信息可視化選擇與查詢、圖形與屬性雙向查詢、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析、輔助規(guī)劃、數(shù)據(jù)輸出等，如圖3所示。

3.2系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

采用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，結(jié)合ArcSDE，統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效管理和存儲(chǔ)優(yōu)化＼[8＼]。在Visual Studio .NET 開發(fā)環(huán)境中嵌入ArcGIS Engine組件＼[910＼]，采用C#作為系統(tǒng)開發(fā)語言，利用COM技術(shù)構(gòu)建地下管線專用系統(tǒng)。

3.3應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1管線數(shù)據(jù)錄入

交互式錄入管線數(shù)據(jù)，其中管線種類應(yīng)選擇管線小類，如上水、循環(huán)水、消防、綠化等；坐標(biāo)范圍應(yīng)作限定，若輸入坐標(biāo)超限，系統(tǒng)應(yīng)提示錯(cuò)誤，必須重新錄入。

圖3地下管線專用系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.3.2編輯管線屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)，創(chuàng)建要素

地下管線數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)勢(shì)性，伴隨時(shí)間的推移，必然有管線的變更、新增、廢除等事件不斷發(fā)生，這些事件會(huì)引起管線實(shí)體空間或?qū)傩詳?shù)據(jù)的變化。

可對(duì)已有管線的屬性和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯更新（見圖4），可利用鼠標(biāo)在相應(yīng)管線圖層中手工繪制新的要素并精確定位，也可刪除、移動(dòng)選中的圖形對(duì)象，所做的編輯更新會(huì)在數(shù)據(jù)庫中同步更新（見圖5）。

4結(jié)語

本文構(gòu)建了地下管線空間數(shù)據(jù)模型，利用空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)基于ArcGIS實(shí)現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)建庫及三維可視化，實(shí)現(xiàn)了地下管線專用系統(tǒng)基礎(chǔ)功能，為后期空間分析、開挖計(jì)算、干涉檢測(cè)、決策支持等高級(jí)功能的擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。由于尚處于研究階段，一方面還沒有一個(gè)較為完善的地下管線專用系統(tǒng)，需結(jié)合前期實(shí)踐，進(jìn)一步研究針對(duì)管線數(shù)據(jù)的空間分析和數(shù)據(jù)挖掘，這將是本系統(tǒng)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)；另一方面地下管線三維數(shù)據(jù)集包括地上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和地下專題數(shù)據(jù)兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，為增強(qiáng)可視化效果，應(yīng)在專題數(shù)據(jù)的基本上添加基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如地面建筑物模型、道路及其附屬設(shè)施等模型。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

＼[1＼]解智強(qiáng)，王貴武.城市地下管線信息化方法與實(shí)踐＼[M＼].北京：測(cè)繪出版社，2012.

＼[2＼]楊伯鋼，張保鋼，等.城市地下管線數(shù)據(jù)建庫與共享應(yīng)用＼[M＼].北京：測(cè)繪出版社，2011.

＼[3＼]朱合華，王長虹，李曉軍，等.數(shù)字地下空間與工程數(shù)據(jù)庫模型建設(shè)＼[J＼].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（7）：10981102.

＼[4＼]徐立，陳曉慧，趙斌彬，等.空間數(shù)據(jù)模型發(fā)展綜述＼[J＼].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，13（3）：370374.

＼[5＼]李崇貴，陳崢，豐德恩，等.ArcGIS Engine組件式開發(fā)及應(yīng)用＼[M＼].北京：科學(xué)出版社，2012.

＼[6＼]李黎，李劍.基于空間數(shù)據(jù)庫引擎的綜合地下管線數(shù)據(jù)組織＼[J＼].測(cè)繪科學(xué)，2007，32（2）：133134.

＼[7＼]牟乃夏，劉文寶.ArcGIS10地理信息系統(tǒng)教程：從初學(xué)到精通.＼[M＼].北京：測(cè)繪出版社，2012.

＼[8＼]李忠武，任平，王振興，等.基于ArcGIS Engine的水稻生產(chǎn)潛力預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＼[J＼].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，38（11）：7681.

＼[9＼]寇衛(wèi)利，甘淑，王丹丹.基于ArcGIS Engine/ArcSDE的農(nóng)用地定級(jí)模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＼[J＼].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（6）：238242.

＼[10＼]吳楠，高佳.基于ArcEngine的信息管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究＼[J＼].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：7477.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫娟）