基于数字城市的地下管网管理系统

卢岚，刘牛，刘兴权，郭珊珊

（1.长沙环境保护职业技术学院环境科学系，湖南长沙410004；2.长沙市规划信息服务中心，长沙410000；3.中南大学地学与环境工程学院，长沙410083）

基于数字城市的地下管网管理系统

卢岚1，刘牛2，刘兴权3，郭珊珊3

（1.长沙环境保护职业技术学院环境科学系，湖南长沙410004；2.长沙市规划信息服务中心，长沙410000；3.中南大学地学与环境工程学院，长沙410083）

目前，数字城市建设是城市现代化、信息化的热点内容，利用数字城市技术建立地下管网管理系统，已成为城市规划与管理部门的共识。本文完成基于数字城市的地下管网管理系统的设计与实现，获得可扩展的数字城市基础平台组件集和可插拔的管网管理系统的专业功能扩展模块。

地理信息系统；数字城市；地下管网；管理系统

0 引言

随着地理信息系统技术的产生，城市信息的表达和储存模式开始发生转变，由传统的地图加书籍记录的方式变成了电子信息的记载方式，并能够实现实时点击查询等交互操作，越来越多的城市相关信息与电子地图相链接，数字城市的概念应运而生。数字城市，从字面意义上理解，就是对城市其各种信息的数字化，它是以计算机技术为基础，运用遥感、地理信息系统、仿真等技术，采用信息化的手段虚拟展现城市信息的方式，它不仅包含有基础的地物信息，还包含与地物信息相关的人口、经济、军事等各方面信息，是管理信息系统在城市管理方向的应用[1]。数字城市技术以城市地理空间数据和专题数据为基础，以网络计算和通信为媒介工具，协助人们更有效地认识、规划、建设和管理城市，为人们的生存、工作、生活和安全提供良好的科技、人文环境。基于虚拟现实技术的数字城市，也即是我们常说的三维数字城市，借助计算机技术、三维场景建模和虚拟现实技术实现虚拟城市场景模拟及交互，为城市的管理者提供辅助决策支持，同时也能够为民众提供公共服务[2]。发达国家在数字城市方面的研究起步较早，但是限于当时的三维建模技术、虚拟现实技术都不太成熟，并且实现价格昂贵，直到近年来，数字城市才出现飞跃性发展，三维数字城市更是得到了广泛应用。由于城市的信息庞大且复杂，数字城市的实现建立在城市数据采集、处理和存储工作的基础上，针对数字城市的数据分析功能也需要反复实践，目前，数字城市概念更多的衍生为数字社区、数字景区等应用。综合分析目前数字城市的研究现状，虽然取得了明显的、重大的突破，但在很多方面仍有大量问题未能够得到解决，主要有：从现实世界的表达上来看，目前仍然未能就三维数字城市中数据表达方式的规范达成一致意见，多种不同数据格式且缺乏规范的存在模式将会为数字城市的推广带来阻碍，现有的三维城市景观信息，大部分效率低下、难以满足工程化实施要求，并且在精度上也无法保证；从三维数字城市场景方面看，如何进一步完善美化场景、让其具有较高的欣赏价值的同时提高对场景浏览的速度，建立具备良好逻辑和应用功能的数据库提高对数据信息的处理能力，应该是下一步的研究内容；从系统应用方面看，虽然已经出现了很多三维数字城市系统，但大都集中于三维显示，空间分析能力没有做到实际应用的层次上来，不能对决策层提供足够的支持。

数字城市在城市规划管理中重要性日渐突出，基于数字城市的地下管网管理系统成为数字城市重要的专项应用之一。地下管网运输着城市所需的石油、天然气等能源消耗品，是城市生产生活正常运行的生命线。近年来，我国城市化步伐加快，地下管网也随之不断扩张，城市经济发展越来越依赖于地下管网的能源输送。现在，城市地下空间密布着多种运输管道，并在进一步增建当中，这种状况增加了城市地下管网的规划、建设以及管理工作的负担，而陈旧地下管网维修工作的无法有效开展，也隐藏了巨大的安全隐患。运用现代的信息管理技术对城市地下管网进行有效管理，辅助日常规划与建设，已成为城市管理部门的工作重点之一。传统的地下管理系统采用的是二维平面的显示方式，为了更好的展示管线之间的空间关系，基于数字城市的地下管网管理系统应运而生，它为用户提供各类管网的三维建模和三维显示。本课题旨在开发基于数字城市的地下管网管理系统，以三维的形式展示城市管网相关信息，真实直观的再现城市综合管线的空间分布情况，为城市管理、规划提供有力支持。该应用系统可以进一步强化工作过程管控和提升工作效率，不但为城市未来健康发展提供强有力的基础三维地理信息平台支持，而且将管网专业业务集成其中[3-8]。

1 总体设计

1.1 系统设计约束

应用系统应采用C/S结构。

应用系统的开发工具与技术应采用Microsoft .NET的技术体系。

应用系统中所有数据统一保存到SQL Server 2005以上版本的数据库。

建成后基于高速的内部专网或者虚拟内网（VPN）提供服务。

终端用户应当掌握计算机日常操作，熟悉相关业务流程，掌握空间数据管理与维护。

1.2 系统设计原则

基于数字城市的地下管网管理系统需要分别应用于系统服务器与客户端之上，这种应用需求需要考虑到系统的扩展性、通用性，其设计原则如下：

1.2.1可扩展性

为了方便系统在将来扩展功能，在设计时充分考虑到功能封装和抽象设计的运用。在组件层面上充分尽可能提高组件的内聚而减少其耦合，通过XML格式实现数据层上的通讯，使得各模块功能独立、完整，便于修改。在类设计层面上，充分重视抽象类和接口设计，使得系统可以通过继承、聚合等方式得到扩充。

1.2.2复用性

针对子系统的结构设计时，每个子系统都应当能够独立运行，并可被重复调用；针对业务逻辑的结构设计时，业务逻辑应当保持独立，通过接口与用户及数据库建立连接。业务逻辑组件能够被桌面客户端使用，同时也能被Web服务端使用，从而实现了完整业务辑的复用，降低了开发、维护的成本。

1.2.3稳定性

长期以来，三维数字城市系统存在着复杂性与渲染效率之间的矛盾，尽管技术一直在革新但是就目前而言，新的建模技术对细节的重视和获取所造成的数据膨胀的速度大大超过了计算机硬件和图形学算法的优化所带来的性能提升。

建立基于数字城市的地下管网管理系统，首先要实现三维数字城市基础地理信息的网络发布。当前网络资源的相对匮乏与本系统涉及的巨大数据量之间的矛盾十分地突出，在必要的时候，除了简化模型、降低数据冗余及采用纹理烘焙等技术之外，还将采取降低非重要地物的可视范围等技术，在模型复杂性以及渲染帧速受限之间谋求平衡。

1.3 系统总体结构

1.3.1系统逻辑结构

系统的逻辑结构设计应当遵从“MVC”结构原则，使数据层、业务逻辑层及表现层保持分离。数据控制层的设立旨在提供基本的数据访问、查询、更新的方法，通过该层抽象可以将繁琐的数据访问操作从各业务模块剥离。业务层封装了不同的业务扩展，今后通过类似的方式可以扩展系统的功能。

1.3.2系统部署

基于数字城市的地下管网管理系统是三维数字城市中的一个行业应用子系统，系统包含三维可视化、空间数据管理与维护、管线空间信息查询、管线数据的空间分析、管线数据输出和辅助设计六个子模块。系统的部署情况如图3所示，各个模块与应用服务器部署在同一个内网里，其中管线分析查询与辅助设计以C/S结构的形式部署于客户端，辅助设计也可以被单独部署到图形工作站，同样能够通过局域网与应用服务器之间进行数据的传输。其中，三维可视化基础平台部署在应用服务器上，局域网内的用户能够直接访问。

1.4 系统模块设计

1.4.1三维可视化

三维可视化提供基本的拉近、推远、平移、旋转及测距等操作。

图1 系统逻辑结构图Fig. 1 The system logic structure

图2 系统结构示意图Fig. 2 System structure diagram

图3 系统部署图Fig. 3 System deployment diagram

（1）推近、拉远：通过工具按钮或者鼠标滚轮推近或者拉远相机镜头，实现不同细节程度的查看。

（2）平移：通过工具按钮、键盘按钮或者鼠标拖动控制自由相机上下左右平移，查看场景中不同位置的对象。左右平移控制相机沿屏幕水平方向的位置，上下平移控制相机高度。

（3） 前进、后退：通过工具按钮、键盘控制自由相机在屏幕法线方向的位置，模拟人物在场景中以第一人称视角前行或者后退。

（4）旋转：通过鼠标或者键盘控制自由相机旋转，模拟人物在场景中以第一人称视角在某一位置转动，同时能够上下调整视线俯仰角度。

（5）全局查看：建立目标相机，通过鼠标或者键盘控制目标相机，实现对整个场景或者某一目标对象全方位的查看。

（6）搜索定位：通过设置查询条件查询到对应的物体，并在三维场景及二维导览上进行定位显示。

（7）标记：对需要特殊指示的位置，能提供插入图标标记，并可配以文字说明的功能。

（8）测距：通过点击场景平面上两点，测量得到两点间距离。

（9）测面积：能够在场景中直接选中或是画出片区，提供片区的量算面积。

（10）测角：能够对场景中水平或垂直平面上的两条线进行角度的量算。

（11）分类显示：对场景对象进行分类管理，灵活控制场景中某一类对象的显示或者隐藏及其透明度。

（12）选择：能够用鼠标点击选择建筑，查看建筑属性，并能控制其显示或者隐藏。

1.4.2空间数据管理与维护

空间数据管理维护子模块包括空间数据的存储、导入、统计、更新及备份还原功能。

（1）空间数据存储：对空间对象的信息数据进行录入、存储与编辑操作，包括对象的空间信息及属性信息。系统根据录入的空间信息绘制空间节点、管线，生成管线网络，根据节点管线属性信息构建属性数据。

（2）空间数据导入：遵循特定的数据规范开发数据导入工具，将空间数据导入到SQL Server中，建立空间数据库。

（3）空间数据统计：对空间对象的信息进行全面统计，包括对象的空间信息及属性信息，如针对管线，需要统计如物探点号、管线类别、节点类别、管线材质、埋设方式、埋深、总管孔数、已用管孔数、建设时间、权属单位、管径、节点坐标、节点高程、地面高程、井底高程、管顶高程、管底高程、管线状态、备注等等。

图4 三维可视化Fig. 4 3d visualization

图5 空间数据管理维护Fig. 5 Space data management maintenance

（4）空间数据更新：修改指定的空间数据，包括：管线的属性信息和空间信息。如物探点号、管线类别、节点类别、管线材质、埋设方式、埋深、总管孔数、已用管孔数、建设时间、权属单位、管径、节点坐标、节点高程、地面高程、井底高程、管顶高程、管底高程、管线状态、备注等等。

（5）空间数据备份还原：可以通过设计期限，定期对数据进行备份，也可以手动操作备份，还可以进行数据的还原。

1.4.3管线空间信息查询

管线空间信息查询包括图形查属性、属性查图形、空间位置关系查询等。

（1）图形与属性的交互式查询：通过在对话框中设置查询条件或在场景中点选对象等方式选定查询对象，获取对象的相关空间及属性信息。同样，能够通过设置对象属性的查询条件查询定位到符合条件的对象。查询属性包括有物探点号、管线类别、节点类别、管线材质、埋设方式、埋深、总管孔数、已用管孔数、建设时间、权属单位、管径、节点坐标、节点高程、地面高程、井底高程、管顶高程、管底高程、管线状态、备注等等。

（2） 空间位置关系查询：针对管线空间位置特征的查询。如相交、相邻、重叠、区域等。相交查询指管线平面投影交叉；相邻查询指查询目标管线一定范围内的临近管线；重叠查询指管线平面投影重叠，只是高程数据不同的情况；区域查询是限定查询区域，对区域内的所有管线进行查询的方式。

（3） 条件检索功能：对属性信息设定词或一定阀值进行条件检索，如大于、等于、小于或者区间等，内容包括管线的属性信息和空间信息。如物探点号、管线类别、节点类别、管线材质、埋设方式、埋深、总管孔数、已用管孔数、建设时间、权属单位、管径、节点坐标、节点高程、地面高程、井底高程、管顶高程、管底高程、管线状态、备注等等。

1.4.4管线数据的空间分析

管线数据的空间分析包括最短路径、风险评价、故障模拟及碰撞分析功能。

（1）最短路径：结合最短路径的算法，给出地下管网的最便利连通方式。

（2）风险评价：结合地下管网风险评价方法，计算超出风险阈值的地下管网区域并提供预警。

（3）故障模拟：利用故障模拟模型计算某一管段发生事故的影响范围并显示。

（4）碰撞分析：模拟计算铺设管段中可能出现的碰撞情况并预警显示。

1.4.5管线数据输出

管线数据输出包括生成报表、生成柱状图与饼状图、导出报表及报表打印功能。

图6 管线空间信息查询Fig. 6 Line spatial information query

图7 管线数据的空间分析Fig.7 Pipeline data analysis of the space

（1）生成报表：将查询后获取的管线相关信息以报表的形式展示。

（2）生成柱状图：将查询后获取的管线相关信息结果显示为柱状图。

（3）生成饼状图：将查询后获取的管线相关信息结果显示为饼状图。

（4）导出报表：以Excel格式输出查询后获取的管线信息报表。

（5）报表打印：打印相关报表。

1.4.6辅助设计

辅助设计为系统提供添加节点、删除节点、移动节点、生成管线、删除管线及移动管线操作。

（1）添加节点：能够通过坐标输入在指定位置上添加节点，更新管线信息。

（2）删除节点：能够删除指定坐标位置的节点，更新管线信息。（3）移动节点：移动节点，同时移动相应管线。（4）生成管线：根据指定节点生成管线，同时对节点数据进行必要的逻辑检查。

（5）删除管线：删除指定管线，并判断相邻节点，删除其私有节点。

（6）移动管线：移动指定管线，同时移动相应的节点。

1.5 数据库设计

基于数字城市的地下管网管理系统涉及的数据主要有三种：

1） 三维模型：这些模型通过建模软件（主要是3D MAX）进行建模，经过纹理和渲染等处理之后转换输出成.x格式。如果要进一步添加LOD（细节层次）效果则需要利用SkyLine的工具处理成XPL格式。目前使用的三维模型主要包括：1） 大量的建筑模型。2） 部分人手孔模型。3） 不同规格的管网设备和管网设施模型。

2） 地理空间数据：源数据主要是Shpfile格式，在ArcGIS中加工生产。其中人手孔是点图层，管网是线图层。Shpfile数据可以通过项目中自己编写的数据入库工具DataImportTool导入到SQL Server 2008的空间数据库中。在入库的过程中，系统自动向每个数据表添加四个数据列，分别是该地物的最大、最小X坐标和最大、最小Y坐标。

1.5.1数据库的命名规则

（1） 采用0到9十个自然数和26个英文字母

（区分大小写），加_下划线组成，共63个字符。不能出现其他字符（注释除外）。

（2） 数据库对象包括表、存储过程（参数查询）、视图（查询）、函数和约束等。对象名字长度不能超过30，由前缀和实际名字组成。其中前缀使用小写字母。

图8 管线数据输出Fig. 8 Pipeline data output

图9 管线辅助设计Fig. 9 Line aided design

表1 数据库的命名规则Tab.1 Database naming rules

（3） 两个以上的单词之间使用下划线连接，原则上不鼓励使用缩写。

1.5.2物理设计

限于篇幅，只介绍表汇总，其它九种表不予介绍。

表2 表汇总Tab. 2 Table summary

2 结论

本文完成了基于数字城市的地下管网管理系统总体设计，在三维数字城市技术的基础上加上空间数据查询管理和部分空间分析功能，使得系统可以从不同的角度对空间数据进行管理和分析，建立健壮的、可扩展的城市三维地理信息集成、管理和使用的基础平台。基于数字城市的地下管网管理系统在应用过程中虽然受到数据库技术、软件技术、网络技术和数字城市技术局限，但是在长期的实践积累过程中，形成了独特的应用体系，目前正朝着系统集成性、应用化以及开放性的方向发展。

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The Underground Pipe Network Management System Based on Digital City

LU Lan1, LIU Niu2, LIU Xing-quan3, GUO Shan-shan3
(1.Changsha Environmental Protection Vocational College, ChangSha 410004, China; 2. Changsha City Planning Information Service Center, ChangSha 410000, China; 3.Central South University, ChangSha 410083, China; )

At present, the construction of digital city is the hot spot content of urban modernization and informatization. The underground pipe network management system which is using digital city technology has become the consensus of urban planning and management. This paper completed the design of the underground pipe network management system based on digital city and implementation for extensible set of digital city foundation platform components and pluggable pipe network management system of professional function extension module.

GIS; Digital city; Underground pipe network; Management system

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.006

LU Lan, LIU Niu, LIU Xing-quan, et al. The Underground Pipe Network Management System Based on Digital City[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 34-40.

湖南省自然科学基金资助项目（07JJ6076）

卢岚（1983-），女，讲师，地理信息系统；刘牛（1987-），男，本科，地理信息系统；刘兴权（1962-），男，教授，计算机系统；郭姗姗（1986-），女，硕士，地理信息系统

本文引用格式：卢岚，刘牛，刘兴权，等. 基于数字城市的地下管网管理系统［J］. 新型工业化，2016，6（2）：34-40.