探讨三维数字管网地理信息系统的构建方法

探讨三维数字管网地理信息系统的构建方法

豁辉周德秀

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.