城市地下管线信息系统关键技术研究

丁鹏辉，李志刚，董绍环，刘晓辉

城市地下管线信息系统关键技术研究

丁鹏辉1，2，李志刚1，2，董绍环1，2，刘晓辉1，2

( 1．青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032; 2．青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东青岛266032)

一、引言

随着我国城市化进程的加快，地下空间的开发与利用越来越受到相关政府职能部门的重视。地下管线作为地下空间的重要组成部分，尤其是作为城市的“生命线”，关系到城市居民的生产和生活，是城市生存和发展的血脉，其重要性不言而喻。但是，目前我国城市地下管线信息系统建设的水平参差不齐，东部较发达城市基本已建立了地下管线信息系统，并结合管线竣工测量或详查等工程基本实现了地下管线数据库的动态更新，总体运转情况良好;中部和西部城市除经济较发达的城市开展情况良好外，大部分城市由于各种原因，存在地下管线资料不全、不现状、精度不高等问题，此种情况下即使建立地下管线信息系统也不能发挥很好的作用，严重阻碍了城市的发展和应急管理等相关工作。因此，尽快开展地下管线普查工作，建立城市地下管线信息系统和动态更新机制，实现城市地下管线的数字化、信息化、动态化和可视化管理已势在必行。

目前，国内多数已建立的地下管线信息系统大都基于大型地理信息平台软件(如ArcGIS、Super-Map、MapGIS等)进行二次开发，实现了管线数据浏览、查询、统计与分析等功能，基本满足了地下管线的日常管理与应用。这些系统大都是二维或2．5维的，在地下管线空间关系的表达与展示方面不是很直观。随着计算机软硬件、地理信息系统、虚拟现实等技术的快速发展，地下管线信息系统正朝着地上与地下空间一体化、三维可视化表达与展示、B/S与C/S架构相结合、海量地理信息数据集成存储与管理等方向发展。本文主要结合目前青岛市正在开展的地下管线普查与信息化建设工作，重点针对地下管线信息系统建设工作提出一些新的思路和方法，为国内其他城市在开展类似工作过程中提供参考。

二、关键技术

地下管线信息系统建设的关键技术包括很多，本文主要在开展了相关研究与实践的基础上，结合青岛市实际情况，提出如下关键技术，以供参考。

1．B/S与C/S相结合的多层分布式技术

关于B/S与C/S两种架构的优缺点已有很多专家和学者进行了研究，并发表了相关论文，在此不再赘述。结合青岛市已建设的地下管线信息系统，本文提出将二者相结合，通过多层分布技术的应用实现优势互补，最大化地发挥各自优点。对于专业性较强的地下管线信息管理与应用工作，可采取C/ S架构开发，实现地下管线数据库的入库、更新、管理及高级分析与利用等功能;对于专业性较弱的，仅实现地下管线信息的浏览、查询、统计与简单分析等功能，可采取B/S架构开发。此外，在数据库设计过程中，笔者建议将地下管线生产数据库与成果发布数据库在物理上分开存储设计，这样虽然在空间存储上造成了一点浪费，但在系统安全使用方面有很大保障，如当地下管线生产数据库在出现故障问题不能正常启动的情况下，成果发布数据库可正常使用，反之亦然。

2．面向数据库更新的内外业一体化技术

城市地下管线信息系统建成后，必须相应开展数据库的动态更新工作，只有这样，才能保证其生命力。因此，围绕数据库更新工作，笔者研制了一套高效、合理的内外业一体化技术，改变了地下管线探测的传统作业模式。整体技术思路是:在统一技术标准的基础上，统一作业生产软件(含图形绘制、属性编辑、数据检查等)和数据入库的操作平台，并建立合理的作业流程，减少数据生产的重复操作环节，通过整合地图制图、GIS等技术，实现在数据生产环节中图形和属性关联，从而保证图形和属性的一致性，实现快速入库的目的。具体流程如图1所示。

图1 青岛市地下管线数据库动态更新技术流程

3．地下管线数据时态组织与管理技术

地下管线信息作为地理信息的重要组成部分，具有非常明显的时空特征。为更好地组织和管理不同时期、不同时刻的地下管线数据，在已有空间数据模型的基础上增加时间维特征，从而实现对地下管线数据的时空管理。

在地下管线数据结构中，针对管点或管线属性表分别设置入库时间和更新时间，作为每个实体要素的时间戳标记。其中，入库时间表示地下管线数据进入数据库的时间，一般作为地下管线数据的现势性说明字段;更新时间则是在发生管线数据变化时，当存在已有管线数据被更新至历史库时所赋予的时间戳标记，表示地下管线数据被更新的时间。导致管线数据库中实体要素发生变化的情况主要有3种:一是因实地管线废弃或拆除等引起的变化;二是同一条管线由不同作业单位、不同时期探测或因地面沉降等因素导致的变化;三是针对数据库中重复和重叠管线等情况进行编辑时所导致的变化。一般情况下，第1种情况引起的变化所生成的管线历史数据是与实际情况一致的，参考和利用价值最高，笔者将此类历史数据规定为管线迁改;第2种情况是因外在因素所导致的变化，笔者将其规定为测量时态;第3种情况是由于数据库建设或管理过程中编辑操作所导致的变化，系统将其规定为数据编辑。上述针对管线历史数据的类别定义和划分，对于国内其他城市在管理和利用管线历史数据工作中有一定的参考价值。

此外，除了以时间点为单位管理管线数据之外，还可以以时间段或工程为单位管理，也即版本管理。对每一个管线实体要素的生命周期进行多时态存储和管理，并记录其历史变更情况，在技术上采取事务逻辑和时间戳组合的版本管理机制，同时将管线现状数据与历史数据进行逻辑分离组织和管理，从而既满足了地下管线信息时态管理的要求，又最大限度地减少了数据的冗余，提高了数据访问和系统功能使用的效率。

4．地下管线信息的数据挖掘技术

近年来，数据挖掘引起了信息产业界的极大关注，其主要原因是存在大量数据可以广泛使用，并且迫切需要将这些数据转换成有用的信息和知识。城市地下管线数据库存储了大量地理信息数据，这些数据包括地上建筑物、道路、植被、河流和地下管线及其附属设施等。虽然从数据量上定义还称不上大数据，但已具备了数据挖掘的条件，即具备了可用于挖掘分析的数据仓库。通过数据挖掘的技术手段，可大大提升城市地下管线数据库的利用价值，如将管线数据与小区建筑数据叠加，可分析高危管线与小区的安全距离是否符合规范要求，分析结果可为有关监管部门提供执法依据。因此，笔者抛砖引玉，实现了从二维矢量管线数据中快速发现穿越暗渠管线的功能，除了找到穿越暗渠的管线数据之外，还可分析其类别、属性信息，以及穿越管线与暗渠的空间关系(在暗渠上、在暗渠中或在暗渠下)。具体实现结果如图2所示。

5．地上与地下一体化三维表达与展示技术

由于地下管线具有隐蔽性与三维空间等特征，采用三维可视化与虚拟现实等技术，将其在三维场景中加以表达与展示，应用效果会更好，因此，需开展三维场景制作及有关系统功能开发等工作。三维场景制作主要包括地上三维模型、地面模型和地下管线三维模型等内容。其中，地上三维模型主要包括重点道路、道路两侧主要建筑物、重点区域模型等;地面模型一般采用数字高程模型( DEM)叠加数字正射影像( DOM)的方式表现;地下管线三维模型中管线附属设施三维模型一般通过专业的三维模型构建软件制作，而管线段三维模型则一般通过研发相应的模型自动构建工具进行制作，重点需要考虑管线附属设施三维模型与其连接的管线段三维模型之间的衔接处理、管线段外观形状与埋设方式的表达、点模型与线模型的按比例表达等关键问题。此外，还需要重点解决数字高程模型与地上三维模型、地下管线三维模型之间的冲突问题，尤其在青岛等丘陵城市的三维场景制作过程中，这样的问题尤为明显。解决方法一般是对数字高程模型进行加密修正，提高其精度;若管线数据精度不高导致冲突，则需要重新复测。

图2 地下管线信息数据挖掘功能图示

此外，可采用目前比较成熟的三维地理信息平台，将制作好的三维场景数据进行导入，并利用其提供的二次开发接口，针对地下管线成果进行开发，包括场景浏览、漫游、查询、统计、分析等功能，实现地上与地下三维一体化表达、展示与利用，从而提高地下管线信息的可利用价值。

三、应用实例

针对上述关键技术的研究，笔者已进行了相关开发与实践，目前研究实现成果已应用于青岛市地下管线信息系统建设工作中，取得了很好的效果。具体应用实例如图3—图8所示。

四、结束语

本文主要结合青岛市地下管线信息化建设工作，针对地下管线信息系统建设的关键技术提出了一些思路和方法，并进行了针对性的研究与实现，实践证明是可行的。目前，全国大多数城市正大力开展城市地下管线普查与信息化建设工作，本文提出的一些关键技术可为其他城市提供一定的参考。

图3 基于C/S架构开发的地下管线数据库管理系统

图4 基于B/S架构开发的地下管线信息浏览查询系统

图5 管线数据入库更新功能图示

图6 管线历史数据浏览功能图示

图7 地上与地下一体化三维表达图示

图8 地下管线爆管分析功能图示

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Research on the Key Technology of Urban Underground Pipeline Information System

DING Penghui，LI Zhigang，DONG Shaohuan，LIU Xiaohui

当前，全国正在开展地下管线普查与信息化建设工作，本文结合青岛市地下管线信息化建设工作，在开展了大量研究与实践的基础上，针对地下管线信息系统建设的关键技术提出了一些新的方法与思路，为国内其他城市开展类似工作提供了方法与思路的参考。

地下管线;管线系统;地理信息系统;关键技术

丁鹏辉( 1972—)，女，高级工程师，主要研究方向为测绘与地理信息系统。E-mail: 729972@ 163．com

P208

B

0494-0911( 2015) 11-0092-04

丁鹏辉，李志刚，董绍环，等．城市地下管线信息系统关键技术研究［J］．测绘通报，2015( 11) : 92-95．

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住房和城乡建设部科技计划项目( 2014-K8-044)