夏夢蓮，張云霄，段陽華，郝彤

(1.同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上?！?00092；　2.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上?！?00092)

1　引　言

城市地下管線是非常重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著多種輸送功能，是城市的“生命線”[1]，其建設(shè)和維護是城市正常運轉(zhuǎn)的基本保障。

然而近年來，地下管線問題頻發(fā)，越來越多的城市已開展地下管線數(shù)據(jù)普查及管線管理系統(tǒng)的開發(fā)工作。但是，地下管線隱蔽性大、埋設(shè)位置集中[2]、位置精度低且獲取難等特點都加大了地下管線數(shù)據(jù)獲取及管理、維護的難度?；诘乩硇畔⒓夹g(shù)(Geographic Information System，GIS)的管線管理系統(tǒng)具有許多優(yōu)點[3]，正逐漸得到應(yīng)用[4]。其中部分基于計算機系統(tǒng)的管理平臺在城市規(guī)劃和管線管理尤其是空間分析方面的水平已有所提高，例如青島市綜合地下管線管理系統(tǒng)[5]。然而大部分管線管理系統(tǒng)在解決實際問題時多有不便，如專用設(shè)備不便攜帶、地理位置獲取困難、現(xiàn)場操作復(fù)雜等。

為解決基于計算機的管線管理應(yīng)用在實際施工時存在的不足，并探究基于手機平臺開發(fā)管線管理系統(tǒng)的可能性，作者開發(fā)了基于Android平臺的手機APP。除具有基于計算機的管線管理應(yīng)用對地下管線空間信息的存儲、查詢、檢索及空間分析功能外，本應(yīng)用還實現(xiàn)了基于GPS進行用戶自身定位、周邊管線尋找等功能，更好地顯示了管線實地環(huán)境；同時，基于Android的APP可適用于多種終端，便于外業(yè)人員攜帶和操作。本應(yīng)用研發(fā)過程中遵循了地下管線GIS系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)原則[6]等。本平臺研發(fā)雖僅基于同濟大學(xué)校園內(nèi)管網(wǎng)，但該研究工作立足于研發(fā)具有可推廣性的產(chǎn)品，為未來地下管線管理提供了一種新思路。

2　城市地下管線管理應(yīng)用設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有研究情況[7]進行分析，本應(yīng)用面向三類用戶：政府用戶、企業(yè)用戶和普通用戶。政府用戶(規(guī)劃管理、市政管理、城市應(yīng)急指揮等部門)可通過本應(yīng)用了解現(xiàn)有管線分布情況，為地下管線設(shè)計、維護提供決策支持；企業(yè)用戶(建設(shè)或施工單位、專業(yè)管線權(quán)屬管理部門、設(shè)計單位、房產(chǎn)開發(fā)商等)可通過本應(yīng)用對管線信息加以維護更新，通過手持設(shè)備準(zhǔn)確找到已有管線位置或待鋪設(shè)管線位置，避免在施工過程中破壞管線。

使用本應(yīng)用的外業(yè)人員，在埋設(shè)、維護管線等過程中可通過小型手持設(shè)備(如手機)，利用GPS定位功能、相關(guān)管線標(biāo)志(通常位于目標(biāo)管線上方或者周圍)及周邊環(huán)境信息(用于確定施工管線的實際位置)等準(zhǔn)確找到已有管線的位置及與周圍管線關(guān)系，避免由于對地下情況不明而破壞管線。

3　管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

地下管線雖然種類較多，但空間結(jié)構(gòu)基本一致，一般都由管線點、管線段及其附屬物構(gòu)成。附屬物如道路名等可通過調(diào)用電子地圖提供的接口(API)方便獲得。筆者采用地下管線實體關(guān)系模型(E-R模型)，如圖1所示。埋藏深度、地面高程等包含在各個管點(多為井蓋、管線拐彎處)中，非管點位置的空間信息可通過線性內(nèi)插求出。

圖1　地下管線結(jié)構(gòu)存儲圖

4　專業(yè)管線數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本應(yīng)用中數(shù)據(jù)庫設(shè)計目標(biāo)是保證數(shù)據(jù)完整高效存儲，消除冗余，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯獨立性，提高系統(tǒng)整體性能。建立地下綜合管線數(shù)據(jù)庫是城市地下管線信息管理應(yīng)用的目標(biāo)之一，可為不同部門提供相應(yīng)的管線數(shù)據(jù)源[8]。

本應(yīng)用數(shù)據(jù)庫包括：專業(yè)管線數(shù)據(jù)庫和用戶權(quán)限數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。管線數(shù)據(jù)庫存儲管線數(shù)據(jù)和管點數(shù)據(jù)；權(quán)限數(shù)據(jù)庫存儲用戶信息及可查看的管線權(quán)限信息。

為適應(yīng)不同類別用戶需求，本應(yīng)用共設(shè)計三類用戶，如圖2所示；權(quán)限分為對用戶和對管線的編輯權(quán)限兩類。

圖2　APP構(gòu)架圖

用戶權(quán)限表　　　　　　　　　　　表1

本應(yīng)用中設(shè)置一名超級管理員，對應(yīng)于政府部門用戶，權(quán)限最高；設(shè)置若干管理員，對應(yīng)于相關(guān)生產(chǎn)單位用戶，權(quán)限次于超級管理員；普通用戶對應(yīng)于社會大眾用戶，權(quán)限最低。各類用戶權(quán)限如表1所示。表1中Y和N分別表示該類用戶具有/不具有該權(quán)限。

5　管線空間分析

5.1　管線上任意點空間位置信息獲取

用戶選中管線后，可查看其管線及管點信息，非管點的位置信息可由附近管點位置內(nèi)插求出。

由于管線實際上是由管點依次相連而成，可將管線看作多段線組成。點到線段最短距離與直線不同，需要考慮參考點在線段所在直線上的投影點是否在線段上。根據(jù)點與線段的位置關(guān)系，可按圖3所示的三種情況分別進行分析。

圖3　不同情況下點到線段距離示意圖

圖3(a)中最短距離為線段PC(點C為點P在直線AB上投影點)；圖3(b)中最短距離為線段PB；圖3(c)中最短距離為線段PA。

其中：

(1)

(2)

由向量的方向性可知：若如圖3(a)所示，則0

故根據(jù)r值判斷最短距離算法，d為點P到線段AB的最短距離。

(3)

判斷用戶選取的點是否為管點時，需遍歷一條管線所有相鄰管點，分別計算最短距離和最近點，比較各次結(jié)果，以該點到所有管段中最短距離為該點到管線距離，并獲得相應(yīng)的最近點。若最近點為A或B，則認為用戶選取的是管點，返回管點信息；若最近點為C，可認為用戶選取的是管點間某一點，其坐標(biāo)可由線性內(nèi)插求出：

(4)

5.2　不同管線空間關(guān)系

(1)按照管線類型判斷

大部分情況下可以認為：不同類型管線(以不同顏色表示)即使在平面中相互重疊或者交叉，實際位置并不相交，而同類型管線(以同種顏色顯示)若在平面上有交叉，則實際相交。此方法計算簡單但不嚴謹，不適用于特殊情況。

(2)計算不同管線間二維交點對應(yīng)各自深度及管徑判斷管線關(guān)系

若二維交點深度差小于兩管間半管徑之和，則認為兩管道實際相通；否則只是二維平面上投影相交，實際位置并不相交。

由于單個管線由多條管道線段連接而成，判斷兩條管線在二維平面上是否相交即可通過遍歷兩條管線上所有相鄰管點連成的線段是否相交。若無交點，則二維平面上兩條管線并不相交，實際位置也不相交。若二維平面上相交則計算二維交點深度差是否小于兩管間半管徑之和，是則認為兩管道實際相通，否則只是二維平面上投影相交，實際位置并不相交。

圖4　判斷管線相交

判斷線段是否相交并求出交點：

①快速排斥試驗

設(shè)以線段P1P2為對角線的矩形為R，以線段Q1Q2為對角線的矩形為T，若R和T不相交，顯然兩線段不相交，如圖4所示。

②跨立試驗

若兩線段相交，則兩線段必然相互跨立對方，P1P2跨立Q1Q2，矢量(P1-Q1)和(P2-Q1)位于矢量(Q2-Q1)的兩側(cè)，即：

(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(P2-Q1)×(Q2-Q1)<0

(5)

上式可改寫成：

(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(Q2-Q1)×(P2-Q1)>0

(6)

當(dāng)(P1-Q1)×(Q2-Q1)=0時，表明(P1-Q1)和(Q2-Q1)共線，但因為已通過快速排斥試驗，所以P1一定在線段Q1Q2上；

同理，(Q2-Q1)×(P2-Q1)=0表明P2一定在線段Q1Q2上。

所以判斷P1P2、Q1Q2相互跨立的依據(jù)是：

(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(Q2-Q1)×(P2-Q1)≥0

(7)

③求出交點坐標(biāo)(如果判斷兩線段相交)，如圖5所示。

圖5　求管線交點示意圖

記：

(8)

(9)

將線段表示為參數(shù)方程：

(10)

(11)

其中參數(shù)t，u?[0，1]。

兩條線段相交具有如下關(guān)系：

(12)

(13)

(14)

解出參數(shù)t：

(15)

代入式(11)的參數(shù)方程中，即可得線段交點坐標(biāo)：

(16)

將上式中的中間變量用原始線段端點表示，即可得到以線段端點表示的交點。

6　管線可視化

6.1　高德API使用

高德地圖免費提供了內(nèi)容豐富的電子底圖，最大比例尺約為1∶250，其中包括全國大部分市區(qū)建筑、地物、路段等信息。調(diào)用高德地圖提供的應(yīng)用程序編程接口(API)可以方便地獲取電子底圖，不僅內(nèi)容豐富，且反應(yīng)速度很快，為廣大用戶所接受，可以很大程度上解決管線管理應(yīng)用對管線相關(guān)地理信息的需求，極大豐富了管道相關(guān)的其他地理信息。但是經(jīng)處理之后，電子地圖中道路顯示變窄，寬度并不按應(yīng)有比例尺顯示，對于管線的顯示仍有一定困難。

6.2　管線顯示

地下管線根據(jù)《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》[9]進行分類。按照規(guī)范，手機管線管理應(yīng)用中，根據(jù)管線類型用相應(yīng)顏色顯示管線；同時，用戶可自行選擇查看或隱藏某類管線，選擇顯示與感興趣管線相關(guān)的管線。如圖6所示為同濟大學(xué)校區(qū)內(nèi)部分管線。

圖6　Android手機上管線顯示圖

7　結(jié)　語

上述手機地下管線管理應(yīng)用不僅具有通用計算機平臺的空間信息存儲、查詢、檢索、可視化及空間分析等功能，同時還具有以下特點：

(1)GPS定位和導(dǎo)航功能，可在外業(yè)現(xiàn)場準(zhǔn)確對管線進行定位，并能夠協(xié)助外業(yè)人員迅速到達施工位置；

(2)基于高德地圖，地物信息豐富，增強了用戶體驗；

(3)用戶權(quán)限具體化，針對不同用戶需求，設(shè)計了多類用戶和相關(guān)權(quán)限；能夠滿足管線信息保密相關(guān)要求。

(4)基于Android平臺，可適用于手機、平板電腦等多種小型手持終端，便攜、易操作。受數(shù)據(jù)獲取限制，本應(yīng)用暫在同濟大學(xué)范圍內(nèi)做相關(guān)測試，使用效果較好，也驗證了使用基于Android平臺的手機APP開發(fā)管線管理應(yīng)用來解決實際工作問題的可能性。筆者認為，在城市地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)不斷完善的過程中，基于Android平臺的管線管理應(yīng)用具有許多計算機平臺無法比擬的優(yōu)勢，未來會越來越多地應(yīng)用到實踐中。