排水管线三维信息系统设计与实现

石淼，何伟，张敏，向祎，张义明，袁亚雄

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

随着城市的进步和发展，城市排水管网已进入一个加强管理，提高安全保障的新时期，尤其是近年来我国城市内涝事件频发，更让人们清醒地认识到在排水管网建设的同时更要加强管理，随着计算机技术、测绘技术的发展，排水管网的信息化管理应运而生，成为科学管理的发展方向[1]。

利用三维可视化和虚拟现实技术，开展地下管线三维模型重建，能够直观再现地下管线间纵横交错、上下起伏的空间位置关系，解决传统二维管线空间关系不明晰、显示效果不直观等问题，为辅助地下管线、综合管廊和海绵城市的规划建设、合理集约利用地下空间、保障管线安全提供有效的技术支撑[2]。因此，城市地下管线的信息化管理、表达与应用正经历着从二维到三维的跨越。

本文以建设“武汉市江岸区排水管线三维信息系统”为例，利用三维建模技术，建立了排水管线三维数据库，开发了排水管线三维信息系统，实现了管线三维漫游、快速查询定位、统计分析、空间量算和标注等功能。

2 系统总体架构

系统的总体架构包括基础设施层、数据层、支撑层和应用层。其中，基础设施层包括机房基础设施、网络通信设备、数据服务器和应用服务器；数据层包括三维模型、地名地址、道路数据、社区数据和管线数据；支撑层包括数据服务接口和功能服务接口；应用层表示排水管线三维信息系统的功能实现。总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

3 数据建库

数据建库的内容包括地理空间框架数据、排水管线数据和元数据，其中地理空间框架数据包括三维模型数据、地名地址数据、道路数据和社区数据，排水管线数据包括二维数据和三维模型数据。

3.1 城市三维建模

以江岸区1∶2 000基本比例尺地形图、0.2 m航空影像地图和街景地图数据为基础，通过外业纹理采集，利用3ds Max通用建模软件、模型自动生成工具和图像处理工具，制作地形三维模型、建筑三维模型、交通设施三维模型和其他三维模型，清晰直观地表达城市三维景观。

3.2 排水管线二维数据建库

如图2所示，排水管线二维数据建库是将地下管线普查的成果输入数据库，并进行数据预处理、检查、纠错和处理，形成具有拓扑关系的地下管线点数据表和线数据表[3]。在数据建库过程中主要的流程有：依据探测的原始记录进行地下管线空间数据库结构设计；通过图库一体化检查软件进行入库前的数据检查，以确保入库的数据与现场探测的数据一致；经过软件检查出的数据错误应查明原因，必要时到现场进行复核，并将复核结果在数据库中改正；数据经过改正后应重新用软件进行检查[4]；通过数据检查后，进行重组、转换及图形属性关联等操作，按照比例尺、管线及对象类型和层次关系进行存储建库；数据入库后进行接边处理。

图2 排水管线二维数据建库流程

为了保证江岸排水管线数据库的现势性，管线建库后平台正常运行过程中，平台将提供数据更新功能，可以利用管线普查或管线修补测、管线竣工测量等成果更新管线数据库。

3.3 排水管线三维模型建库

以排水管线二维数据库为基础，在要求的制作范围内，对二维管线数据的质量进行检查，规范图层命名说明，对二维管点、管线等属性信息进行检查，统一椭球参数、投影类型、分带类型、中央子午线等空间参考设置，依照地下管线数据标准，进行入库，二维管线存放到ArcSDE中；建立三维管线、管点基础模型库，依据二维管线数据，采用管线处理工具自动生产三维管线模型，叠加地面三维模型，对三维管线模型进行补充制作、效果渲染和烘焙等步骤[2]。最后将二维数据和三维管线数据入库并进行服务器端发布，实现在网络环境下对三维地图的快速浏览访问和应用。

图3 排水管线三维模型建库流程

4 功能设计

系统主界面如图4所示。系统主要的功能包括三维漫游、图层管理、快速定位、查询统计、空间分析、空间量测和扯旗标注等，具有代表性的功能如图5～图8所示。

图4 系统主界面

图5 属性查询

图6 管线统计

图7 横断面分析

图8 连通分析

(1)三维漫游：提供灵活的运动控制，方便从各个方面审查三维场景：提供自由、鸟瞰、环视、路径等多种浏览模式，从各个角度查看三维场景。

(2)图层管理：采用图层方式管理不同类型的数据(包括排水设施三维模型、交通设施三维模型、地形景观三维模型、地上建筑三维模型等)。

(3)快速定位：支持对地名、道路、社区数据进行模糊搜索并快速定位。

(4)数据查询：提供多种查询方式对排水管线设施进行查询，包括属性查询、空间查询、社区查询、分类查询等。

(5)数据统计：提供给定属性条件和空间范围的统计，并可以生成统计表格和统计图。

(6)空间分析：提供横纵断面分析、连通分析、流向分析等。

(7)空间量测：提供全方位测量工具，包括位置量测、距离量测和面积量测等。

(8)扯旗标注：提供扯旗标注管线属性的功能。

5 关键技术

5.1 闭合式数据更新入库流程构建

为保持管线数据鲜活性，本项目建立了一套完整的闭合式数据更新入库流程。排水管线普查探测的成果经过数据采集、数据加工、数据分析、数据检查、数据入库等流程，最后导入到排水管线基础信息数据库，形成“数据中心”。后续过程中利用排水管线竣工测量的成果数据、修补测数据和详勘数据等对现有“数据中心”进行更新，从而保证数据的现势性和完备性。

5.2 软件开发采用“装配式GIS”技术进行快速构建

系统采用了“装配式”GIS软件开发体系架构[5]。“装配式”GIS技术，让用户可以从数据源、数据展示、要素操作、功能拓展、用户权限等方面根据需求自行配置调整，从而保障了系统的生命力，提高了系统的灵活性、可扩展性与通用性，此外，还方便了系统的扩展维护。

5.3 二三维管线数据同步增量更新技术实现

系统应用自动建模技术和三维管线数据库更新机制，进行任意范围二三维管网数据的同步在线更新。在提取到二维管网空间及属性数据库的更新信息后，主动在三维系统中进行单体管线模型及其附属设施的重建。实现了三维管网模型的局部高效更新，保证三维模型与二维属性数据的严格一致，为基于三维的管线管理和分析提供高时效性的数据基础。

6 总 结

本文结合“武汉市江岸区排水管线三维信息系统”项目，利用三维建模技术，建立了排水管网数据库，开发了排水管线三维信息系统，实现了排水管网信息化管理，为排水管网数据更新、规划与疏涝，排水设施的管理、维护和建设等工作提供数据支撑和信息化支持。同时，该系统也为“智慧水务”的建设奠定了基础，并已经成功运用于武汉市江岸区排水管网的日常管理，提高了排水管网信息化水平。目前该系统主要侧重于排水管网数据的三维可视化查询、统计、分析等功能，如何将系统功能拓展到排水管线规划、建设和监管等管线全生命周期业务[6]，如何利用物联网技术，实现排水管网实时动态监测是下一步研究的重点和难点。