三维城市地下管线模型的缓冲区分析

王秀超

摘要：城市地下管线作为城市信息传输、物质运送的生命线，在城市基础建设中发挥着重要的作用，随着智慧城市建设的推进，各地三维城市地下管线的建设也取得了一定的进展。在对三维管线的空间分析中，缓冲区分析存在于管线的设计、铺设、维护的各个阶段，具有重要的作用。本文介绍一种三维城市地下管线缓冲区分析的算法。

Abstract： Urban underground pipeline plays an important role in urban infrastructure as the lifeline of the city for the information and material transportation. The speed of the construction of 3D urban underground pipeline progressed rapidly recent years with the development of the Smart City. Buffer analysis is important for the spatial analysis of the 3D urban underground pipeline and it exists in various stages of the pipeline's design， laying and maintenance. In this paper， a new algorithm for the analysis of 3D urban underground pipeline buffer is introduced.

關键词：三维管线；缓冲区分析；市政建设

Key words： 3D-pipeline；buffer analysis；municipal construction

中图分类号：TU990.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）10-0123-03

0 引言

城市地下管线是城市规划建设的重要内容，也是保障城市生存和发展的重要设施和生命线，与人民的日常生活息息相关。地下管线的管理与建设是市政建设的重要内容，而管线数据种类繁多、数据量大、分布范围广、空间分布复杂、形成时间长等特点，使得计算机管理技术在城市管线的科学管理中越来越发挥着重要的作用。在三维管线模型的分析中，缓冲区分析占据着极大的比重，管线的日常维护、开挖、选址以及建筑设计中确定建筑物的影响范围等，都可以利用缓冲区分析功能作为工具，以期取得特定的效果。二维空间的缓冲区建立的研究已日趋成熟，如Ronggui在《栅格缓冲和矢量分析算法的联合研究》中对比了矢量缓冲区分析和栅格缓冲区分析两种算法的优缺点，并提出了一种栅格和矢量合并进行缓冲区分析的算法，以解决各种情况下的缓冲区问题；崔爽在《基于空间实体的缓冲区算法》中提出了对空间实体的大小进行计算，传统缓冲区分析中空间实体分析的间隔问题。

然而随着智慧城市的发展，二维空间的缓冲区分析的定义已不能适应三维可视化空间分析，因此，三维空间的缓冲区分析的研究越发重要起来。《基于布尔运算的高效三维矢量缓冲区算法》中刘新明提出了快速建立三维空间实体缓冲区的算法，邱华在《三维数据的生成及缓冲区分析》中使用距离变换方法实现了三维缓冲区分析。本文将主要讨论三维管线的缓冲区问题并提出一种便捷方法。

1 缓冲区分析简介

定义1：基于空间邻近的定义，缓冲区的建立可以将地图分为两部分，一部分位于选择的空间实体的指定距离之内，另一部分在指定距离之外，指定距离之内的区域称为缓冲区[1]。

定义2：缓冲是指地理空间实体的影响或服务范围。

定义3：设三维空间中指定一个距离r，三维实体周围d范围内所有区域称为实体o的缓冲区，其中d小于r：

B={p：d（p，o）？燮r}

其中B代表三维缓冲区，o为三维实体本身，d（p，o）为缓冲区边缘到实体的距离，p为缓冲区边缘，r代表给定的距离的值。

三维GIS空间分析主要包含四个要素：点、线、面和体，因此三维缓冲区分析可以分为四个部分[2]。

1.1 空间点的缓冲区分析

具体步骤如下所示：

①计算缓冲区域中心节点（xi0，yi0，zi0），其中i为与管线相同的类别，如热力管线等；

②根据中心节点的结构来进行路径分析，生成树状结构，其中中心节点为根节点，相邻节点为子节点；

③计算每个点的缓冲区，缓冲区域为：Bij={xi：d（xj，o）r+r0}；

④计算根节点到各子节点之间管线的缓冲区区域，线状实体的缓冲区为：Lij={lij：d（lij，o）r+r0}∪Bi0∪Bj0；

⑤将节点的缓冲区与线状缓冲区叠加，通过对点实体和线实体的空间互操作，可以形成管线i的缓冲区；

⑥重复①～⑤，计算不同种类管线的缓冲区；

⑦叠加不同类别管线缓冲区。

3 管网缓冲区的应用

3.1 管网选址分析

管线设计过程中，考虑到新管线需要融入到整个城市管线系统中，需要确定新铺设管线的最佳路径，因此需要将现存的管线网络进行缓冲区分析，以半径r1（r1为已有管线与新管线的安全距离）作为半径对管网生成缓冲区，并检测新管线与管网缓冲区有交叉区域。如存在交叉，则需改变新管线的路径，直至新管线与原有管线无交集为止。

3.2 确定影响范围

在城市运行中，经常发生管线爆裂、阀门失效等管线事故，从而导致管线泄漏。通过管线的属性信息、事故原因及发生时间可以通过缓冲区分析计算管线泄漏的影响范围，并给出相应的辅助决策。如图2所示，通过对某区域特定管线的缓冲区分析，可以搜寻出一定范围内受影响的管线的数量、类型、位置等信息，以及管线是否与建筑物发生碰撞，在得到相关信息后将事故缓冲区图与当前数字三维城市场景相叠加，还可以模拟出事故发生后受影响的管线、建筑物等的数量、范围等，如天然气事故后受影响将暂停供气的建筑数量、供水管线爆裂后淹没的范围等等。

3.3 管线维护

过去由于信息的缺失和通讯手段的落后，管线的检测系统一直得不到完善，为管线维护造成了极大的困难，例如当管线发生泄漏时，对管线泄漏点进行挖掘时非常容易破坏到其他管线，造成更大方面的事故，使得管线维护工作量加重甚至引发各种社会问题。

使用三维管线的缓冲区分析功能时，在管网维护之前，确定所需维护管线区域后，在三维场景中查找管道的维护情况，根据管线的属性信息和相邻管线（安全施工距离）确定管道缓冲区的属性信息。确定缓冲区后，覆盖基本地理模型和缓冲区，确定施工现场和土方开挖位置，如图3所示。

4 总结

随着数字城市和智慧城市的持续发展，三维城市的建设不断进步，三维城市地下管线的管理和分析必将受到逐步的重视。通过对三维管线的缓冲区分析研究，可以有效地解决目前地下管线易受破坏，难以维护的状况，有效地提高地下管线的管理和维护水平，实现管线维护的智能化。

参考文献：

[1]刘力玮.城市地下管线三维可视化系统研究与实现[D].西安：西安科技大学，2014，2-4.

[2]林渊钟.GIS支持下的水电工程移民安置区选择模糊评价研究与实现[D].杭州：浙江大学，2011，16.

[3]左海龙.基于OpenGL的山地城市辅助规划系统研究[D].重庆：西南大学，2014，6.

[4]常勇，施闯.基于增强现实的空间信息三维可视化及空间分析[J].系统仿真学报，2007，9.