河南郑州测绘学校河南郑州450000
摘要:“数字城市”的建设是城市空间信息的开发、使用和共享的需要,它对城市的信息化进程产生了极大的推动作用。作为城市地理空间信息不可或缺的重要组成部分,综合管网就像人体内的“神经”和“血管”,日夜担负着传递信息和输送能量等工作,是生产运转的物质基础。本文系统地阐述了管网的测量、矢量化、三维建模及编程开发等技术的实现过程,研究了其中的关键技术,提出了三维数字管网地理信息系统的构建方法,实现了管网的可视化管理。
关键词:数字管网;三维建模;GIS;可视化管理
一、系统设计
(一)功能结构
经过实际调查分析得知,管理部门对现实中管网的管理具有以下几方面重点要求:1)三维场景展示,二维平面图具有众多局限性,用户希望通过管网的真实感三维场景模型,将隐蔽的管线清晰直观地展现在用户面前,提高管线管理和营运的效率;2)图属双向查询,通过图属互查功能快速查询管线的类型、属性、位置和展布方向,及时了解某一特定管线的结构状况。例如,用鼠标点击拾取一段管道,选中的管道高亮显示,并弹出相关属性信息窗口;3)统计报表,通过多条件、多方式查询生成报表,与此同时,还希望生成柱状、饼状、折线等示意图;4)分析量算功能,管网管理需要进行多种统计分析和空间分析,如邻近分析、爆管分析等;5)模拟功能,在场景中可视化添加或修改管线及设备,动态模拟管网的工作状态,对紧急事故的处理,如煤气泄露、水管破裂及地震造成地下管线破坏等进行预演;6)控制功能,在危险区域或人工很难干预的位置安装传感器,通过物联网进行远程自动控制,达到智能化管理的目的。基于以上现实需求,系统的总体功能设计如图1所示。
(二)数据表设计
管网数据库是系统运行的基础,数据库中存放了管道属性信息、附属设备信息、用户管理信息等数据。在建立信息数据表时,应全面考虑信息内容并设置对应字段名称,各信息表内存放的数据如下:
1)管道属性信息表,包括管号、管道长度、管道直径、安装日期、材质、类型、壁厚、描述等。
2)管道附属设备信息表,包括代号、名称、直径、长度、壁厚、材质、类型、描述等;
3)用户管理信息表,用于存储用户名称(USER)密码(PASS-WORD)和权限(RIGHT)。
二、技术实现
(一)技术流程
系统的建设分五大部分,包括:数据获取、数据处理、数据库设计、三维建模、功能开发。技术流程如图2所示。
1)管线数据采集,借助已有的设计图纸和文档资料快速获取管网信息数据,对变更区域和缺少图纸的区域要进行外野测量。外野测量采用雷达探测仪测量地下管网,地上部分采用三维扫描仪进行分段采集,对于三维扫描仪采集不到或是禁用区域,可使用RTK、全站仪、激光测距仪、皮尺等工具进行人工采集;
2)数据处理,将人工采集的数据导入到CAD中保存为.dxf格式,将雷达探测仪和三维扫描仪采集的数据经过处理后导入CAD中和人工采集的数据进行拼接,在CAD中将所有的管线使用线段代替,最后保存的数据格式为.dxf;
3)场景模型创建,在ArcScene10场景中,管道被抽象为其中心线,只考虑其起点、终点、拐点、变径点和接合点。将这些点的三维坐标保存下来,在三维场景中真实再现管线的走向、粗细、种类(根据颜色来区分),并能变换焦点和视角;
4)系统功能开发,系统引入了GIS组件技术,以VisualStudio2010+.NetFramework4.0作为系统开发平台,使用C#语言,严格按照软件工程相关规范编写程序。
(二)关键技术
1.三维激光扫描仪采集要点
1)踏勘场地与布设控制网,根据现场情况估计扫描测站应设的测站数和位置,扫描测站的设置应尽量减少树木遮挡,测站之间应相互弥补,减少不可视区域,扫描测站距离扫描区域不宜太远。控制点的布设要确保每个控制点和两相邻控制点通视;控制点处可视区域应尽可能包含所有欲扫描区域;
2)靶标布设,靶标应在每一站扫描开始前布设,如布设过早,靶标易被挪动或者丢失,采用的靶标包括:Leica平面靶标、Faro球形靶标、自制靶标;
3)扫描作业,采用不同的分辨率扫描管线和靶标,管线的采集分辨率设置低一些以加快采集速度,而为了能够准确地提取靶标中心点,对靶标则应采取较高分辨率单独扫描,一站扫描结束后分别保存区域点云文件和靶标点云文件。由于扫描仪开始工作后,将会默认设置一个坐标系,而该坐标系在扫描仪下次重启之前不会改变,重启之后将重新设置。所以,为保证一站中所有扫描点均在同一个坐标系下,在一站扫描期间扫描仪不能重启;
4)靶标坐标获取,用全站仪测量获取靶标在控制网坐标系下的坐标,靶标测量应在一站扫描结束后立即进行,以防止靶标被挪动或丢失。
2.管线的数据模型
在管线数据采集过程中将管线抽象为线段,经过抽象化简的管线需要进一步的进行细化,使之成为仅由弧段和节点两类元素组成的模型。在管线模型中,弧段与节点相互关联,即弧段的两端为节点,节点之间通过弧段连通。
节点是管线特征点的抽象形式,包括管线交叉点、端点、管线附属设施中心点等。根据连接方式的不同,可以将节点进一步细化,分为一般节点、丁字型节点、十字型节点、斜相交节点。管线节点数据除了具有一组(x,y,z)坐标外,还有描述其特性的一些属性信息。
弧段是管线和泵站等简化后的抽象形式。管线较长时,应将其分成若干条段。管线弧段由两组(x,y,z)坐标来表示,外加一个能表示其特性的编码以及其相关属性信息。
三、实例效果
系统在实际应用中收到了良好效果,方便了管网的日常管理工作,避免盲目施工,杜绝事故,有效地提高了部门综合经济效益。其优越性主要体现在以下几点:一是通过综合查询分析,将管道大修费用投入到最需要的地方,避免某些部位过度维护或欠维护,最大限度地节约费用;二是通过管道完整性管理的专家决策系统和预警规则,能够最快最有效地做出事故抢修决策和方案,使损失降到最低;三是通过物联网、传感器远程自动控制某些危险设备,这样,既可以节省人力劳动,又可以避免人员受伤,使安全生产由被动变主动。
四、结语
借助3DGIS理论和方法,在三维虚拟场景中可视化管理管网空间数据和属性数据,使管网数字化建设迈上新台阶,“数字管网”的进步推动了“数字城市”的发展。但“数字城市”的建设只是城市信息化的起点而不是终点,还存在许多问题需要进一步研究解决。物联网和云计算技术的出现及其产业化,为解决“数字城市”目前面临的问题提供了可能的途径,这就是“智慧城市”。“智慧城市”的应用涉及到方方面面,城市管网系统是其重点应用对象,“数字管网”的进一步深化发展,只能走智慧化之路。
参考文献:
[1]柏捷.浅谈“数字城市”在城市建设中的重要性[J].现代测绘,2006,29(4):45-46.
[2]贾丽琴,高艳.基于GIS/OpenGL的厂区三维数字化管网系统的实现[J].武汉冶金管理干部学院学报,2007,17(4):67-68.