基于高德地图和安卓平台的管线管理应用设计实践

夏梦莲，张云霄，段阳华，郝彤

(1.同济大学 测绘与地理信息学院，上海　200092；　2.同济大学 环境科学与工程学院，上海　200092)

1　引　言

城市地下管线是非常重要的城市基础设施，承担着多种输送功能，是城市的“生命线”[1]，其建设和维护是城市正常运转的基本保障。

然而近年来，地下管线问题频发，越来越多的城市已开展地下管线数据普查及管线管理系统的开发工作。但是，地下管线隐蔽性大、埋设位置集中[2]、位置精度低且获取难等特点都加大了地下管线数据获取及管理、维护的难度。基于地理信息技术(Geographic Information System，GIS)的管线管理系统具有许多优点[3]，正逐渐得到应用[4]。其中部分基于计算机系统的管理平台在城市规划和管线管理尤其是空间分析方面的水平已有所提高，例如青岛市综合地下管线管理系统[5]。然而大部分管线管理系统在解决实际问题时多有不便，如专用设备不便携带、地理位置获取困难、现场操作复杂等。

为解决基于计算机的管线管理应用在实际施工时存在的不足，并探究基于手机平台开发管线管理系统的可能性，作者开发了基于Android平台的手机APP。除具有基于计算机的管线管理应用对地下管线空间信息的存储、查询、检索及空间分析功能外，本应用还实现了基于GPS进行用户自身定位、周边管线寻找等功能，更好地显示了管线实地环境；同时，基于Android的APP可适用于多种终端，便于外业人员携带和操作。本应用研发过程中遵循了地下管线GIS系统设计相关原则[6]等。本平台研发虽仅基于同济大学校园内管网，但该研究工作立足于研发具有可推广性的产品，为未来地下管线管理提供了一种新思路。

2　城市地下管线管理应用设计

结合现有研究情况[7]进行分析，本应用面向三类用户：政府用户、企业用户和普通用户。政府用户(规划管理、市政管理、城市应急指挥等部门)可通过本应用了解现有管线分布情况，为地下管线设计、维护提供决策支持；企业用户(建设或施工单位、专业管线权属管理部门、设计单位、房产开发商等)可通过本应用对管线信息加以维护更新，通过手持设备准确找到已有管线位置或待铺设管线位置，避免在施工过程中破坏管线。

使用本应用的外业人员，在埋设、维护管线等过程中可通过小型手持设备(如手机)，利用GPS定位功能、相关管线标志(通常位于目标管线上方或者周围)及周边环境信息(用于确定施工管线的实际位置)等准确找到已有管线的位置及与周围管线关系，避免由于对地下情况不明而破坏管线。

3　管线数据结构模型

地下管线虽然种类较多，但空间结构基本一致，一般都由管线点、管线段及其附属物构成。附属物如道路名等可通过调用电子地图提供的接口(API)方便获得。笔者采用地下管线实体关系模型(E-R模型)，如图1所示。埋藏深度、地面高程等包含在各个管点(多为井盖、管线拐弯处)中，非管点位置的空间信息可通过线性内插求出。

图1　地下管线结构存储图

4　专业管线数据库设计

本应用中数据库设计目标是保证数据完整高效存储，消除冗余，实现数据的逻辑独立性，提高系统整体性能。建立地下综合管线数据库是城市地下管线信息管理应用的目标之一，可为不同部门提供相应的管线数据源[8]。

本应用数据库包括：专业管线数据库和用户权限数据库，如图2所示。管线数据库存储管线数据和管点数据；权限数据库存储用户信息及可查看的管线权限信息。

为适应不同类别用户需求，本应用共设计三类用户，如图2所示；权限分为对用户和对管线的编辑权限两类。

图2　APP构架图

用户权限表　　　　　　　　　　　表1

本应用中设置一名超级管理员，对应于政府部门用户，权限最高；设置若干管理员，对应于相关生产单位用户，权限次于超级管理员；普通用户对应于社会大众用户，权限最低。各类用户权限如表1所示。表1中Y和N分别表示该类用户具有/不具有该权限。

5　管线空间分析

5.1　管线上任意点空间位置信息获取

用户选中管线后，可查看其管线及管点信息，非管点的位置信息可由附近管点位置内插求出。

由于管线实际上是由管点依次相连而成，可将管线看作多段线组成。点到线段最短距离与直线不同，需要考虑参考点在线段所在直线上的投影点是否在线段上。根据点与线段的位置关系，可按图3所示的三种情况分别进行分析。

图3　不同情况下点到线段距离示意图

图3(a)中最短距离为线段PC(点C为点P在直线AB上投影点)；图3(b)中最短距离为线段PB；图3(c)中最短距离为线段PA。

其中：

(1)

(2)

由向量的方向性可知：若如图3(a)所示，则0

故根据r值判断最短距离算法，d为点P到线段AB的最短距离。

(3)

判断用户选取的点是否为管点时，需遍历一条管线所有相邻管点，分别计算最短距离和最近点，比较各次结果，以该点到所有管段中最短距离为该点到管线距离，并获得相应的最近点。若最近点为A或B，则认为用户选取的是管点，返回管点信息；若最近点为C，可认为用户选取的是管点间某一点，其坐标可由线性内插求出：

(4)

5.2　不同管线空间关系

(1)按照管线类型判断

大部分情况下可以认为：不同类型管线(以不同颜色表示)即使在平面中相互重叠或者交叉，实际位置并不相交，而同类型管线(以同种颜色显示)若在平面上有交叉，则实际相交。此方法计算简单但不严谨，不适用于特殊情况。

(2)计算不同管线间二维交点对应各自深度及管径判断管线关系

若二维交点深度差小于两管间半管径之和，则认为两管道实际相通；否则只是二维平面上投影相交，实际位置并不相交。

由于单个管线由多条管道线段连接而成，判断两条管线在二维平面上是否相交即可通过遍历两条管线上所有相邻管点连成的线段是否相交。若无交点，则二维平面上两条管线并不相交，实际位置也不相交。若二维平面上相交则计算二维交点深度差是否小于两管间半管径之和，是则认为两管道实际相通，否则只是二维平面上投影相交，实际位置并不相交。

图4　判断管线相交

判断线段是否相交并求出交点：

①快速排斥试验

设以线段P1P2为对角线的矩形为R，以线段Q1Q2为对角线的矩形为T，若R和T不相交，显然两线段不相交，如图4所示。

②跨立试验

若两线段相交，则两线段必然相互跨立对方，P1P2跨立Q1Q2，矢量(P1-Q1)和(P2-Q1)位于矢量(Q2-Q1)的两侧，即：

(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(P2-Q1)×(Q2-Q1)<0

(5)

上式可改写成：

(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(Q2-Q1)×(P2-Q1)>0

(6)

当(P1-Q1)×(Q2-Q1)=0时，表明(P1-Q1)和(Q2-Q1)共线，但因为已通过快速排斥试验，所以P1一定在线段Q1Q2上；

同理，(Q2-Q1)×(P2-Q1)=0表明P2一定在线段Q1Q2上。

所以判断P1P2、Q1Q2相互跨立的依据是：

(P1-Q1)×(Q2-Q1)*(Q2-Q1)×(P2-Q1)≥0

(7)

③求出交点坐标(如果判断两线段相交)，如图5所示。

图5　求管线交点示意图

记：

(8)

(9)

将线段表示为参数方程：

(10)

(11)

其中参数t，u⊆[0，1]。

两条线段相交具有如下关系：

(12)

(13)

(14)

解出参数t：

(15)

代入式(11)的参数方程中，即可得线段交点坐标：

(16)

将上式中的中间变量用原始线段端点表示，即可得到以线段端点表示的交点。

6　管线可视化

6.1　高德API使用

高德地图免费提供了内容丰富的电子底图，最大比例尺约为1∶250，其中包括全国大部分市区建筑、地物、路段等信息。调用高德地图提供的应用程序编程接口(API)可以方便地获取电子底图，不仅内容丰富，且反应速度很快，为广大用户所接受，可以很大程度上解决管线管理应用对管线相关地理信息的需求，极大丰富了管道相关的其他地理信息。但是经处理之后，电子地图中道路显示变窄，宽度并不按应有比例尺显示，对于管线的显示仍有一定困难。

6.2　管线显示

地下管线根据《城市地下管线探测技术规程》[9]进行分类。按照规范，手机管线管理应用中，根据管线类型用相应颜色显示管线；同时，用户可自行选择查看或隐藏某类管线，选择显示与感兴趣管线相关的管线。如图6所示为同济大学校区内部分管线。

图6　Android手机上管线显示图

7　结　语

上述手机地下管线管理应用不仅具有通用计算机平台的空间信息存储、查询、检索、可视化及空间分析等功能，同时还具有以下特点：

(1)GPS定位和导航功能，可在外业现场准确对管线进行定位，并能够协助外业人员迅速到达施工位置；

(2)基于高德地图，地物信息丰富，增强了用户体验；

(3)用户权限具体化，针对不同用户需求，设计了多类用户和相关权限；能够满足管线信息保密相关要求。

(4)基于Android平台，可适用于手机、平板电脑等多种小型手持终端，便携、易操作。受数据获取限制，本应用暂在同济大学范围内做相关测试，使用效果较好，也验证了使用基于Android平台的手机APP开发管线管理应用来解决实际工作问题的可能性。笔者认为，在城市地下管线信息系统建设不断完善的过程中，基于Android平台的管线管理应用具有许多计算机平台无法比拟的优势，未来会越来越多地应用到实践中。