城市三维地下管线管理信息系统建设方案

城市三维地下管线管理信息系统

建设方案

1.项目背景

1.1问题和背景

城市重点区域地下管线规模庞大、种类繁多、覆盖面广并且有部分人防工程。尽管地下管线基础信息管理一直在进行整体建设和发展，但是现有地下管线信息化水平，一时还难以满足综合协调管理的需求；基础数据不全、不准，基础管理薄弱，直接影响地下管线规划、建设、运行和保护等各个环节，制约了地下管线管理水平的提高。

随着城市建设快速发展，道路建设和地下管线铺设等挖掘工程作业日益增多，由于部分挖掘工程建设施工单位缺乏与地下管线权属单位间的配合，盲目施工作业，造成施工破坏地下管线的事故时有发生，对地下管线运行安全带来严重威胁，影响城市正常运行。

针对目前地下管线基础数据不全、不准，基础管理薄弱和挖掘工程建设单位与地下管线权属单位间信息沟通不畅、缺乏有效协调配合等问题，拟建设“城市地下管线管理信息系统”，加强重点区域地下管线基础数据建设，提升地下管线精细化管理水平；为挖掘工程建设单位、地下管线权属单位提供管线防护信息沟通平台，为政府部门提供监管方法和手段；实现重点路段市政设施管理。

1.2意义

城市地下管线管理信息系统目的为了使市领导能够直观的了解城市重点区域道路的地下管线的分布情况，管线的详细信息，同时在事故发生时，能够起到直观展示及辅助决策功能，方便做出决策。

借助三维管线管理信息系统，可以使客户更清楚、直观、形象的浏览地下管线的位置、分布，查询市政设施的相关属性。事故发生时，可以定位事故位置，使领导在办公室里形象的了解事故的实际环境，及事故地点管线的粗细、材质、分布等信息。结合三维地理信息系统，可以给领导提供更多的辅助决策信息。

2.可行性分析

2.1社会可行性

城市地下管网的管理是一个复杂的管理项目，随着城市的发展，地下管网建设也在不断的扩张，传统的手工管理模式和管理手段已无法满足“合理规划，科学管理、优质服务”的要求。同时，对于城市管线突发事故的应变要求城市管理部门应在最快的时间内解决问题。这些都需要通过借助于地理信息技术的管理来实现。

2.2经济可行性

地下管网包含着不同种类的管线——供水，供暖，排污，燃气等，这些管线是城市运行的血管，运送着城市所需的能量。对于地下管网的有效管理，有利于协调不同部分之间的工作，节省不必要的人力以及财力资源的浪费；对管网突发事件的快速应急处理，也有利于节省城市能源的流失。

2.3技术可行性

系统的开发依托于自身研发的三维平台，以及稳定可靠的三维数据建模，空间数据库工程技术、.Net技术，软件测试与维护技术等信息技术以及其开发平台，目前来看，这些技术都比较成熟稳定，并且安全可靠，能够完成地下管线管理项目的管理需求与建设。

3.系统建设概述

3.1三维场景的建立

3.1.1三维基础地形的建立

三维工程搭建的第一步是创建三维地形，即用航空影像等纹理数据，叠加DEM数据，合成具有实际大地坐标的、带有地形起伏的三维仿真地形。在该过程中，充分运用了金字塔数据引擎、四叉树数据索引算法、快速LOD算法、小波快速压缩等先进的空间数据处

理、存储和检索方法及三维可视化技术，构建具有高度可信度和可用性的数字化三维仿真地形。

数据准备

获取地区DEM数据和原始的地表纹理图像数据（主要是不同分辨率的正射卫星影像或航空影像）。DEM的制作采用利用地形图进行等高线矢量化的方法，而原始的遥感卫星影像图则要通过调色，正射校正等步骤的处理，才能进行地表纹理的叠加。具体的数据准备流程图如下：

图3.1数据准备流程图

生成DEM和地表纹理的分辨率金字塔模型

随着制作范围的增加和卫星航片精度的提高，三维数据的容量会变得越来越巨大。所以可以对DEM和地表纹理生成多分辨率金字塔模型，能够实现多种不同分辨率、不同大小数据的融合。可以对其进行行之有效管理和检索。

仿真地形的可视化生成

将各种原始数据经过上述步骤的组织和处理，由地形生成模块完成对数据的叠加和融合，采用小波等压缩算法，最终形成就有高度真实感的三维仿真地形。

DEM纹理影像矢量数据……

数据准备

数据组织

地形生成模块

三维地形

图3.2三维仿真地形生成流程图

3.1.2地物模型的建立

城市建筑物是一个城市最直观的外貌展现，同样，地物模型的外观也是三维场景展示中尤为重要的一个部分。并且根据建筑物来确定空间位置，也符合人们对空间信息进行处理时的习惯。

数据采集

数据采集包括两部分：已有城市空间数据的收集整理，如城市规划矢量地图等；城市重要地物的信息采集，如标志性建筑的纹理，实体采集拍摄等。

采用三维建模软件（如3DS MAX），按照建筑物的真实尺寸和形状，在保证建筑基本特征的前提下，以尽可能少的三角形面片数量构造建筑物的三维模型，并粘贴编辑好的纹理贴面。为方便模型管理和今后的更新维护，每个单体建筑物都作为一个独立的模型文件进行保存和管理，并给定一个6位的顺序码。

场景整合

为模型附加空间属性信息，并与三维仿真地形数据集成，从而形成系统三维展示所需要的基础场景数据。

3.1.3地下管线模型的建立

数据采集

●管线空间信息的采集。收集城市中地下管线分布的地图资料信息，如管线的规划施工图等；

●管线属性信息的采集。收集整理当前已有的地下管线的属性数据，尤其是管线所属权属单位、高程、管径、材质、埋藏时间等信息；

●对各种管线进行纹理、实体采集拍摄及录制。

模型制作

对于重点地图的三维管线（水、电、气、热、通讯等）及其主要附属设施（检查井、阀门等），采用三维建模软件（如3DS MAX），按照各类管线及管点数据的真实尺寸和形状，在保证建筑基本特征的前提下，以尽可能少的三角形面片数量构造建筑物的三维模型，并粘贴编辑好的纹理贴面。为方便模型管理和今后的更新维护，每个单体都作为一个独立的模型文件进行保存和管理，并给定一个6位的顺序码。

为管线模型附加空间位置信息，并与基础场景数据整合调试，最终形成城市地下管线管理系统所需要的三维场景数据源。

3.2系统开发

3.2.1系统总体架构

图3.3系统总体架构图

系统的目标是对城市中的地下管线进行展示，存储和操作管线数据（空间数据和属性数据），帮助市政部门了解城市地下管线的运行状况，方便管线的管理工作。

系统结构总体分为三层：应用层，中间层，数据层。

应用层为系统与用户的交互层。应用层向用户展示系统所具有的功能，并接收用户的输入，通过一系列的操作获取所需要的结果，最终将结果展现给用户。系统的功能设计主要包括六部分：三维浏览，系统维护，统计查询，空间分析，管线管理，输入输出。

中间层是应用层和数据层的连接层，应用层对数据的查看和操作都需要经过中间层的空间数据引擎来完成。

数据层存储了系统运行分析所需的管线数据以及场景数据。根据系统设计的目的，系统数据库所存储的数据包括：地图数据库，管线属性库，档案资料库以及存储系统所需的

其他信息的数据库，如用户信息等。

3.2.2系统功能结构

系统的主要功能模块可分为六部分：三维浏览，系统维护，统计查询，空间分析，管线管理，输入输出。

图3.4系统功能结构图

数据载入：加载不同类型的模型或者管线数据文件，构造三维场景。

浏览定位：针对三维场景，提供快捷的菜单选项，控制三维场景的展现方式，方便三维场景内的浏览操作。如：地表透明，立体展示等功能。同时，系统提供快速定位功能，方便用户快速的查找和定位感兴趣管线。

统计查询：该功能模块实现对场景内所有建筑模型和管线模型的空间和属性信息的查询。为了满足不同的查询需求，该模块还可以根据用户自定义的查询条件以及系统提供的快捷查询窗口进行查询操作。对于查询的结果，模块可进行相应的统计计算，形成相应的结果报表。

专题分析：为地下管线网络提供分析功能，为管理和决策提供相应的依据。城市地下管线是一个复杂的网络，该功能模块提供了对该网络的分析功能，包括水平净距分析，垂直净距分析，剖面分析，爆管分析，流向分析，关阀分析，阀门影响范围分析，挖方分析，地形断面分析，管点连通分析，最短路径分析，管线预警分析，现势性分析。

管线编辑：为了方便对管线数据的修改和扩展，提供了对城市地下管线进行编辑的功能，包括添加，删除和移动管点或者管线，以及打断管线和合并管线等功能。

工程档案：城市地下管线建设施工过程中的项目信息也是一项重要的资料，该模块提供对管线工程设计施工信息的查看和管理，帮助管理者掌握管线工程在其生命周期内的各种信息。

辅助规划：帮助管理者在设计规划地下管线时提供相应的决策，包括：市政管线选线，相互影响分析，建筑物对比分析，管线方案对比。

空洞探测：结合城市地下空洞探测项目，将探测结果显示在三维场景中，并对空洞数据进行管理，查询和统计分析等功能。

系统维护：控制和设置系统用户登录以及系统操作的工作目录等系统运行信息。利用该功能模块系统管理员可以对系统登录用户进行管理和操作，系统的实际用户则可以根据自身使用习惯对软件进行定制。

3.2.3数据载入

系统可以加载多种数据，从而形成丰富的场景。系统加载的数据内容包括地下管线数据，建筑物数据，地质环境数据等。同时系统也支持多种类型的数据，如模型数据，矢量数据，栅格影像数据。支持的三维模型包括：3ds模型，dwg模型，obj模型等。

图3.5模型数据和栅格数据的载入

3.2.4浏览定位

图3.6三维场景界面

三维场景是系统最主要的展现窗口。场景的操作方式主要有平移，旋转和缩放。通过鼠标左键的点按动作，根据鼠标移动的方向，实现对场景任意方向的平移。通过鼠标右键的点按动作，根据鼠标移动的方向，以场景中心点为终点，实现对场景任意方向的软转。通过鼠标的滚轮滑动，实现当前场景的放大和缩小的操作。另外为了便于场景的操作，系统还提供了以下快捷的操作，便于对管线和场景的浏览。具体功能包括：

场景控制

操作器切换：为了便于浏览，三维场景具有两种操作模式，地球操作器和第一人称视角操作器。地球操作器适用于大尺度区域的浏览操作，第一人称视角操作器则适用于小区域的浏览操作。

全屏功能：隐藏工具栏和边栏，使三维场景充满屏幕，利于以更大的视角操作浏览三维场景，通过Esc键返回正常状态。

立体展示：将当前场景进行重新渲染，以红蓝立体效果进行显示。配合红蓝立体眼镜，则可以观看场景的三维立体显示效果。

图3.7经过红蓝偏移的立体展示效果图

场景复位：转换场景的视角为初始视角，方便不熟练的用户在误操作的情况下，无法返回场景的初始视角。

视图操作

地表透明：设置地表影像的透明度，以显示地下管线信息。

图3.8地表透明视图

高程模式：利用该功能可实现城区范围内底图，高清影像图和栅格地形图的切换显示。

空间量测

系统提供了简单的量算功能，用来计算两点之间的距离或多边形区域范围内的面积。

主要包括如下功能：

?距离量测：测量场景中两点之间的距离，测量的类型包括：地表两点距离，模型

间距离，模型地表距离；

地表两点距离：测量地表上两点之间的距离。

模型间距离量算：测量场景中模型上点与点之间的距离。

模型地面距离量算：测量场景中模型上点与地面上的点之间的距离。

图3.9距离量测：模型间距离量算，模型地面量算

?周长量测：用户通过点击鼠标在场景中确定感兴趣的区域，通过该功能计算区域

的周长信息。

?面积量测：用户通过点击鼠标在场景中确定感兴趣的区域，通过该功能计算区域

的周长信息。圆形区域面积量测、矩形区域面积量测、多边形区域面积量测；

图3.10圆形选择区域的周长和面积测量

?体积量测：测量场景内空间的体积。用户通过在场景内确定感兴趣的区域和区域

的深度，系统会自动计算该控件的体积。计算的类型包括挖填计算，挖方计算，填方计算。

?角度量测：显示地球上两点间的方位角。

图3.11角度量测

快速定位

为了方便用户快速的寻找目标管线和区域，系统提供了一系列的快速定位功能，定位的种类包括：管线定位，管点定位，道路桩号定位，坐标定位，道路定位，综合定位。

图3.12管线定位

管线定位：通过设定管线类型，其实管点和终止管点查找到对应的管线，并在场景中定位管线。

管点定位：通过输入管点的编号，定位管点的位置；

道路桩号定位：输入道路桩号，在三维场景中对此道路桩号进行定位显示；

坐标定位：输入点的经纬度坐标值，在场景中对其目标进行定位；

道路定位：输入道路名称，在场景中对相关道路进行查询定位；

综合定位：根据查询数据类型，查询字段和匹配的参考值，获得查询结果列表，选择列表中的记录，可定位到其所在位置处。

3.2.5统计查询

属性查询

在图上单击鼠标选择建筑物或者管线，查询结果以高亮度显示，并在属性窗口中显示管线的详细属性内容。此外系统会根据查询的管点或管道，返回与其相关的管线相关数据。如查询阀门数据时，则会显示该阀门信息以及阀门所在管道的信息。当查询管道数据时，则会将管道所具有的管点信息同时显示出来。

图3.13管线信息属性

属性标注

标注是指场景内模型的简略注释，通过双击场景内的模型弹出标注。系统允许用户自定义添加修改模型的标注内容。利用标注，用户可以更方便的了解和掌握场景内模型的属性内容。

图3.14管线标注设置

圆选查询，框选查询，多边形查询

当用户对某区域内的管线或建筑物属性感兴趣时，系统提供了圆选，框选，多边形选

择三种选择方式，供用户确定感兴趣区域。当感兴趣区域确定后，系统将查询出区域内模型的属性信息。

图3.15圆选查询

快捷查询

系统提供简单快捷的窗口供用户快速查询管线，获得目标管线。系统提供的快捷查询包括：按点号查询，按修建日期查询，按地址查询；

图3.16快捷查询窗口（按管点编号、修建日期、埋藏地址查询）

自定义查询

城市地下管线具有多种多样的属性信息，当用户仅对具有特定属性的某一类管线感兴趣时，自定义查询功能可以使用户通过简单快捷的窗口操作，构造出复杂的SQL数据库查询语句，获得查询结果。

图3.17自定义属性查询

区域统计

对查询结果进行统计，使人能够更直观的掌握查询结果的概况。系统可以对根据管线类型统计出用户感兴趣的区域中管线的数目，管线的总长度，管点的个数等相关统计信息，并以图表的形式显示出来。感兴趣区域的选择方式包括圆选，框选，多边形选择三种。

自定义统计

自定义统计功能允许用户进行统计的管线数据并不局限于一个特定的区域，用户可以通过设置管线属性的筛选条件获得查询管线的结果集，系统会根据结果集统计不同类型管线的管线数目，管线总长度，管点个数等相关统计信息，并以图表的形式显示出来。

图3.18统计结果图

管线维修查询

城市管线的检修记录也是一部分重要的管线数据，通过检修记录可以掌握管线的最新状态，包括维修的时间，维修的内容，维修人员等信息。此外系统还提供对临近检修期的管线进行提示的功能。

图3.19管线维修查询

3.2.6专题分析

城市地下管线是一个复杂的网络系统，因此管网的分析功能是系统的重要方面，可以为管理者的决策提供辅助。系统提供的管网分析功能主要有：水平净距分析，垂直净距分析，剖面分析，爆管分析，流向分析，关阀分析，阀门影响范围分析，挖方分析，地形断面分析，管点连通分析，最短路径分析，管线预警分析，现势性分析。

水平净距分析

实现两条管线间水平距离的计算，并判断是否符合国家规范。用户通过选择场景内的两条管线，系统会自动判断管线的水平投影是否相交，计算出两条管线在水平方向上的距离。

图3.20水平净距分析

垂直净距分析

实现两条管线间垂直距离的计算，并判断是否符合国家规范。用户通过选择场景内的两条管线，系统会自动判断管线的水平投影是否相交，计算出两条管线垂直方向上的距离。

图3.21垂直净距分析

剖面分析

选择剖面分析功能，并在场景中绘制一条能够剖切管线的直线，系统将显示在该横断面上的管线剖面图，并标绘处各管线距路面中心线的距离。

图3.22剖面分析图

爆管分析

当管线出现爆裂时，系统可以显示出应该关闭的该管道的上有阀门以及该管道损坏时能影响到的所有下游管道，并在三维场景中高亮显示管线并进行闪烁。下图中红色箭头指示的管道即为损坏的管道，红色箭头指示的管点即为需要关闭的阀门，该损坏管道和后续管道已经高亮并且闪烁。