基于ArcGIS三维管网系统在高校中的设计与实现

李 嘉，黄敏娟

（顺德职业技术学院 广东 佛山 528300）

0 引言

近年来，顺德职业技术学院校园基础设施建设不断完善，地下管线建设不断加快，管线类型不断扩展、管线长度不断增多、地下管线铺设急剧复杂多样。在学校建设中因地下管线资料缺失而导致误挖造成爆管等事故，造成不必要的经济损失，管线数据图纸的缺失、信息化管理不足也加剧了后勤维护的困难。因此进行地下管网综合管理信息系统开发、完善地下管线的信息化建设尤为重要[1]。地下管网信息化可以为权属单位提供较为准确的地下管网数据，及时为建设与施工提供信息服务，为相关部门提供决策。提供基础现状信息共享，避免重复物探工作，为管线规划、设计和建设节省资金、时间、人力及物力。本系统还提供了手机端查看功能，方便工作人员随时查看，提供工作效率。

1 系统设计原则

顺德职业技术学院地下管线测绘及三维可视管理系统开发的设计思路可以概括为：“以管理为导向，以数据为核心，以更新为重点，以整合为手段”。规范化，系统性，开放性，关联性，适用性的设计原则。本项目的建设内容包括顺德职业技术学院（面积约1.2平方公里）范围内的基础数据建设、地下管网综合管理信息系统建设两部分内容。

2 基础数据建设

通过开展全面的地形图及地下管线探测，掌握地下管网的位置、尺寸、材质等基础信息；利用三维虚拟仿真技术，完成地面建筑、构筑物（含监控设备和音箱）、道路、水系、绿化等对象的三维模型制作；完成地下管网自动化建模，管线探测成果快速生成三维管线模型，实现管网数据的快速批量三维化。

地下管线探测包括地下管线探查和地下管线测绘两个基本内容，地下管线探查是通过现场调查和不同的探测方法探寻各类管线的埋设位置和深度、管径、材质等内容，并在地面上设立测量点，即管线点；地下管线测绘是对已查明的地下管线位置即管线点的平面位置和高程进行测量，并绘制地下管线图。为开发三维可视化管理系统提供基础数据。

2.1 管线探测工作流程

本次地下管线普查的工作内容：已有资料的收集、现场踏勘；仪器校验、物探方法试验、编写设计书；地下管线调查与探查；地下管线测量；建立地下管线数据库、地下管线图编绘、成果输出以及检查验收和归档等[2]。具体工作流程如图1所示。

图1 管线探测工作流程图

本次管线探测自2020年7月8日进场施工，到2020年10月18日结束外业探测主体工作，共计投入1.5个作业小组。历时100天。完成各类型管线探测长度155.42公里。

结合本测区地下管线种类及其分布特征，本次地下管线普查工作选用英国雷迪公司生产的RD8100型管线探测仪。RD8100工作频率选用33 kHz为主，8 kHz、65 kHz为辅。在本项目使用结果表明该仪器性能稳定、抗干扰能力强、效率快、精度高、一致性好、轻便、易操作，既可用于电力、电信电缆探查，也可用于金属给水管道及燃气管道的探查，满足在本测区开展地下管线探查工作的需要。

2.2 数据处理流程

保证各项工序的顺利衔接，保证质量，提高效率，此次采取的工作流程，具体如图2所示。

图2 数据处理流程图

2.3 质量评价

物探三级检查工作量严格按照《规程》的要求，本测区工程共完成明显管线点9 771个，隐蔽管线点3 509个。物探共完成明显管线点检查1874个，占明显点的19.18%；隐蔽管线点检查664个，占隐蔽点的18.92%。结果合格。管线点物探检查精度统计具体数据见表1。

表1 管线点物探检查精度统计总表

根据管线点物探检查精度统计表得出结论：明显点中误差不超过限差；隐蔽点平面中误差和埋深中误差均满足不超过规定限差0.5倍的要求。

3 地下管网综合管理信息系统设计

结合管理需求开发地下管网综合信息系统，将各类地下管网信息整理入库，系统应具有数据管理、查询统计、空间分析、三维展示、统计报表及用户管理等功能。满足管理者对综合管网管理的需求、提高工作效率和管理水平；以综合管网数据作为整个信息系统的核心，建立适应新时代发展需求的综合管网管理信息系统，实现各部门之间信息的科学组织、共享和协作。

3.1 系统设计

3.1.1 系统的功能设计

高校的三维管网系统主要是实现高校管理自动化、信息数字化、校园虚拟化、服务智能化、资源最大化。此三维系统应能对管网信息、光纤、监控等走线进行添加、删除、修改；对已添加进系统的相关数据进行查询、分析和统计，并且能进行报表输出；能实现图文互访，即从三维地图到属性的查询、浏览和从属性到三维地图的查询定位，增加了学校建筑物和地下管网的三维可视化[3]。此三维系统最大的特点是，具有强大的三维可视化功能，在系统建设完善后能利用该系统快速、准确地掌握学校各种硬件资源及其分布，提高学校管理者的工作效率，为学校规划决策提供重要的信息来源。同时也为学校的老师、学生、参观来访人员了解学校总体布局、资源信息等提供方便。因此，三维管网系统主要有5大功能模块，具体如图3所示。

图3 三维管网系统功能模块图

3.1.2 数据标准设计

（1）参考规范：以国家、省市的相关标准作为参考规范。

（2）数据规范：以广州市基础空间数据规范为参考，以高校基础数据、三维地下管网数据规范为基础，并通过国家元数据规范统一的标准形成有机规范的整体。

（3）技术规范：整合接入权责规范、数据库设计规范、权限管理规范、系统升级维护规范、信息编码规范、整合接入过程规范。

3.1.3 数据库设计

ESRI公司推出的ArcGIS中GeoDatabase是一种利用标准的关系数据库技术来表现地理信息的数据模型。GeoDatabase描述地理对象主要通过四种方式：（1）用矢量数据描述不连续的对象；（2）用栅格数据描述连续对象；（3）用TINs描述地理表面；（4）用Locatro或Address描述位址。

3.1.4 顺德学院的三维管线数据库设计

（1）地形图库：顺德学院1:500基础地形图（需包含建筑物、道路、绿化、植被、水系、等高线等高点数据与信息，其中道路需含道路中心线、道路名标注，建筑需含层数标注、建筑名称等）；

（2）管线现状数据库；

（3）管线探测单位将探测结果按照《佛山市地下管线计算机成果数据标准》中关于数据成果的相关要求，整理成为可以入库的数据格式，通过地下管线数据库管理子系统录入到地下管线现状数据库中；

（4）三维管线库：三维管线（内容与地下管线类似，由系统实时生成）；

（5）地上三维建筑：完成顺德学院地面建筑、道路、水系、绿化等对象的三维模型制作。

3.1.5 GIS空间数据库设计

GeoDatabase库定义了GeoDatabase模型，主要对象有：工作空间（Workspace），数据集（Dataset），地理数据集（GeoDataset），要素数据集（FeatureDataset），栅格数据集（RasterDadaset），表（Table），对象类（ObjectClass），要素集（FeatureClass），关系类（RelationshipClass），属性关系类（AttributedRelationshipClass）。

GIS空间数据主要组织采用库名称—类名称—图层名的三层结构；SDXYGISDATA数据文件的容量设定为1 G。

3.1.6 备份策略

数据库采用累积增量备份，虽然增加了一部分数据冗余，但是如果使用数据恢复时所涉及的数据量相对比较少，需要备份的次数也不超过4次，极大地方便了数据恢复所需要的时间[4]。

（1）备份数据库控制文件和所有的数据文件；

（2）备份数据库文件后产生所有重做日志文件的归档；

（3）通过Oracle多路技术或操作系统镜像产生的联机重做日志的副本；

（4）通过Oracle多路技术或操作系统镜像产生的控制文件的副本.

3.1.7 数据库应用级用户设计

系统提供了用户管理定制面板，通过管理员定制相关的用户信息及密码，应用人员就能用已经设置好的用户和密码登录并使用系统，系统中所有数据相关操作都由应用软件通过访问WCF数据服务进行操作[5]，并封锁相关SQL输入入口，防止应用人员直接在应用软件中用SQL语句操作相关记录。

3.2 三维模型可视化集成

Multipatch是在平面图像上添加某些特定的高度数据所获得的三维立体面[6]。三维可视化集成步骤如下：

（1）利用ArcEngine构建Multipatch三维立体面；

（2）将三维模型（3DS）格式转换为三维立体面（Multipatch）格式；

将建好的三维模型全部导入到ArcEngine引擎中，并根据实测地形图中的位置进行调整，最后的效果如图4所示。

图4 三维建筑模型图

3.3 系统功能实现

3.3.1 三维场景导航浏览功能

为了用户在漫游虚拟校园系统的同时对学校建筑地理位置、发展历史、所处地位等情况有所了解，进而使该系统成为外界认识顺德职业技术学院的一个窗口，本项目开发了三维校园导航功能模块，如图5所示。通过对三维地图的放大、缩小、漫游、导航、飞行等操作实现对三维场景的浏览[7]。

图5 三维场景浏览图

3.3.2 信息采集与输入

（1）地下管网数据管理系统

地下管网数据管理系统采用C/S架构，主要解决管线数据的监理查错、成图、管线数据的导入、导出、更新管理，管网数据维护和数据版本管理等功能[8]，如图6所示。

图6 顺德学院地下管线测绘及三维可视管理系统开发组成

（2）二三维一体化系统

二三维一体化系统采用B/S架构，实现二三维地图及数据的浏览、查询统计、空间分析、三维校园展示、系统管理员对访问权限的控制等功能，如图7所示。

图7 顺德学院地下管线测绘及三维可视管理系统开发组成

3.3.3 信息共享与输出

（1）三维模型数据集成接口

三维模型数据集成采用AxDCIGlobe.Init（string strConn）方法实现，根据strConn给定的链接进行初始化，加载三维模型数据到系统中。

（2）三维模型数据与属性数据接口

三维模型数据与属性数据集成通过二维数据访问类读取属性数据，通过DCIQuery接口的ExecuteLocalSearch方法来获取查询记录，通过关键字与属性数据关联，显示三维模型数据的属性信息[9]。

（3）系统与标准数据接口

系统通过数据库访问类和二维数据访问类，可以支持行业标准数据的读取，如空间数据库、XML格式等数据标准。

4 结语

综上所述，校园地下管线三维可视化系统满足了学校后勤处、信息管理中心等部门对地下管网、光纤布线、监控点布线等管理需求，提高了相关工作人员工作效率，为实现各部门之间信息的科学组织、共享和协作提供了有力的工具。地下管线三维可视化系统在我校达到了以下效果：

（1）实现统一的校园地下给排水管、校园网络光纤、监控布线的管理；

（2）提高相关工作人员的工作效率，增加工作透明度；

（3）为信息达到最大程度的利用和共享提供了有力的工具；

（4）为校园施工开挖和应急指挥抢险提供数据基础，提高学校管理效率；

（5）为适应“数字校园”后继发展的要求，与现有的校园节能监测平台及其他二级平台对接，提高校园管线管理水平。