昆明三维地下管线系统应用与研究

毕天平，周京春

(1. 沈阳建筑大学 管理学院，辽宁 沈阳 110168； 2. 昆明市城市地下管线探测管理办公室，云南 昆明 650011)

一、引 言

城市综合地下管线是城市的“生命线”，也是城市基础设施的重要组成部分，更是发挥城市功能和确保城市经济、社会健康协调发展的重要物质基础。各大城市纷纷建立起综合地下管线信息管理系统，实现对城市建设中的各类管网数据进行综合有效的存储管理。然而由于综合地下管线的特殊性，其布设遍及路下、水下等，二维方式难以直观地反映各管线之间的空间位置关系。在交错复杂的条件下，三维方式能够切实地表达各管线之间的位置关系，以及管线与周边地物的关系。在客观世界里，管线本是以三维的形式存在，因而在三维视角下来分析和管理管线是管线管理的必然趋势[1-2]。

对于管线管理信息系统来讲，目前国内外普遍采用GIS技术、仿真技术，通过建立数学模型进行管线的模拟现实和分析处理。国内外也有三维GIS的软件产品，如Google Earth、Skyline、Virtual Earth、ArcGlobe、EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、AnGeo、WorldWind等，但由于模型与多种参数有关，各软件有其自身的优点和局限性[3]。由于三维管线具有数据量大、空间关系复杂、精细化表达困难等特点，在Web上实现三维的海量数据存储和快速显示仍然是各软件系统不断优化的目标。本文是在对昆明全市范围内2万多千米地下综合管线进行三维地下管线系统研发的基础上，建立了三维管线动态生成的结构模型，介绍三维管线在Web环境下动态显示的技术思路、实现方法和成果的实际表现，为三维数字城市建设，特别是为城市三维综合管线信息化建设提供借鉴。

二、管网数据结构设计

综合管网的类型包括给水、污水、雨水、燃气、电力、路灯、通信、电视、热力、工业等。每类管线在空间数据库中按照管线层和管点层存储。需要注意的是管线层必须是两点线，管线层的起点点号和终点点号必须和相应管点层的管点编号一一对应。

1. 管线层

管线层存储线状管线，按照起点埋深、终点埋深、起点高程、终点高程、断面尺寸和材质、埋设方式来标识其三维管线实体动态生成的基本条件。断面尺寸标识管线是方形管还是圆形管，其单位为mm,如PSIZE =300代表圆形管，PSIZE=400×300代表方形管。各类管线层的物理结构统一，其具体结构设计见表1。

2. 管点层

管点层存储管线的全部特征点、普通点、物探点、附属物等。利用管点类型字段可标识具体的类别，如三通、四通、五通、多通、转折点、弯头、变深、变径、变材、上杆、预留口、阀门、消火栓、凝水缸、水表等。为了三维管线的快速生成和显示，三通、四通、多通等由程序自动生成。为了三维显示的精细化，点层可以附加精细化的3 ds Max和SketchUp等建模软件制作的三维模型。各类管点层的物理结构统一，其具体结构设计见表2。

表1 管线层结构

表2 管点层结构

三、三维数据生成流程

三维数据包括地上空间三维数据的生成和地下空间三维数据的生成，其中地下空间的数据主要是地下管线。因而在数据层上，三维地下管线系统也包含了数字城市的内容。

1. 三维地表数据生成流程

城市地表可见部分的三维数据往往以航空摄影为基础，通过数字高程模型(DEM)或高程点来构建三维地形骨架，通过在地形骨架上叠加数字正射影像(DOM)、城市建筑物、植被、小品模型来实现城市三维场景的整合[4-5]。其具体流程如图1所示。

图1 三维地表生成流程

2. 三维管线生成流程

为了保持二三维的联动性，三维管线数据由二维管线数据动态生成，在二维管线层和管点层的基础上，通过属性字段中的高程信息、管径信息、特征点的信息(具体结构见表1、表2)，来动态地批量生成三维管线；并建立查询分析所需要的三维实体和属性之间的连接关系，将三维浏览数据、搜索数据、分析数据分别进行存储，其具体过程如图2所示。

图2 三维管线生成流程

四、系统设计

在综合管线二维数据的基础上，结合DOM、DEM、地形数据库、三维模型库，以ArcGIS作为GIS基础平台、AutoNavi AnGeo Uniscope为三维GIS平台、Oracle为数据库服务器、Visual Studio 2008.NET为开发工具，采用C#.NET语言进行系统开发，利用面向服务的架构(service-oriented architecture，SOA)来建立昆明三维综合管线系统。

采用C/S与B/S结构相结合的组织模式、二三维一体化的可视化表现形式，提供对城市地下综合管线数据、地形数据、影像数据等的综合管理与分析，并提供对外服务的功能。系统的逻辑结构如图3所示。

图3 系统逻辑结构图

五、主要功能及效果

系统利用Web Services技术，总体实现对城市地下综合管网及相关数据库的三维显示、查询、统计、分析、规划审批、更新、服务等功能。应用系统主要实现以下系统功能：地下管线的精细化显示、辅助编辑、查询定位、管网分析、三维量测、管线标注、管线统计。其中分析模块是系统功能的精髓，包含管线垂直净距分析、管线水平净距分析、覆土分析、纵断面分析、横断面分析、道路断面分析、缓冲区分析、爆管分析、追踪分析、连通分析、流向分析等。

1. 二三维联动

二三维联动实现二三维一体化，二维以ArcGIS Server为基础地图服务平台，三维以AnGeo Uniscope为基础平台，其效果如图4所示，图中左侧为二维视图，右侧为三维视图。二三维联动除能按照地理坐标实现二三维的联合显示，还能按照管线与地表的实际关系准确地显示管线，直观地显示各类管线、附属设施、道路和地表建筑之间的空间关系，以及不同管线的粗细和各类管线之间的穿插关系。

图4 二三维联动

2. 剖面分析

剖面分析是管网管理系统关键的功能，包含横剖面分析、纵剖面分析、三维剖面分析、道路剖面分析等，其能直观看出地下管线的位置关系，尤其是道路剖面分析(如图5所示)，能看出管线在道路内的机动车道、人行道和绿化带等的相对位置关系，有效地指导管网抢修和地面工程的施工挖掘工作。 三维剖面按照管线和地面的实际尺寸进行切面分析，和二维剖面分析配合，更直观地观测管线的空间位置关系、管线尺寸和地面的位置关系。

图5 三维剖面分析

3. 流向分析

流向分析是管网规划和管理中十分珍贵的分析结果，尤其对雨水、污水等排水管线十分重要。其三维分析效果如图6所示。

图6 流向分析

4. 挖方分析

挖方分析能够看出施工区域下的管线分布状况、计算土方量等。其三维效果如图7所示。

图7 挖方分析

六、主要特色

1. 管线精细化

实现各类管线及其设施的精细化造型和建模，以及管线和设置的自动耦合，同时能在实现设施内部的部件精细化显示，体现三维GIS与建筑信息模型(building information modeling，BIM)的结合。

2. 瓦片金子塔

昆明三维地下管线系统采用三维瓦片金字塔技术，以及目前被广泛使用的视点相关球面LOD(levels of detail)算法[6-8]，解决了海量三维数据发布能力，突破了三维领域容量大、速度慢的技术难题，能够快速地显示和分析地上和地下的完整城市空间，精细化地显示庞大、复杂、种类繁多的管线，整合显示DOM、DEM、数字地物模型等各类城市空间要素。

七、结束语

昆明三维地下管线系统是按照三维视角来管理和展示管线的成功案例，解决了基于Web的综合地下管线信息化建设中常见的三维海量数据快速发布和显示、管线及其附属设施精细化建模，以及二三维联动等热点问题,为地下管线管理部门和各类管线运营单位提供了科学的技术支持和分析手段，能够为各类管网改造和维修工程提供直观、可靠的决策依据。

当前管线三维技术和数字城市技术都向大场景和精细化两个方向发展[9-11]，昆明地下管线系统解决了2万多千米的管线探测数据，330 km2的基础地形地物的三维可视化，解决了行业内三维精细化和大场景数据的显示难题。但三维数据还需要几小时才能完全更新，因此解决整个管网三维模型的时时更新并及时参入可视化分析，是进一步努力的方向。

参考文献：

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