基于SuperMap架构二三维地下管线信息系统的设计与实现

梁 国

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

0 引言

住房和城乡建设部于2021年5月发布《城市市政基础设施普查和综合管理信息平台建设工作指导手册》，明确了构建管理信息平台实现城市地下基础设施信息的采集、更新、利用、共享，满足设施规划建设、运行服务、应急防灾等工作需要及支撑新型智慧城市建设的总体目标。

随着中国城镇化进程的不断深入，地下管线信息管理系统的研究不断突破，国内多数建立的地下管线信息系统都基于大型的GIS平台进行二次开发，实现管线数据浏览、查询、统计与分析等功能，基本满足了地下管线的日常管理与应用[1]。这些系统大都是二维或2.5维[2-4]，即地下管线的统计分析、空间分析与应用是通过二维空间数据模型来进行的[5]，三维管线之间只简单的拓扑连接，管线附属设施模型库不齐亦不标准，地上地下空间三维模型融合度差，三维可视化效果不佳；且在管线设施信息具体应用时，只调用二维空间数据，并无二三维一体化[5]，数据也不能同步更新，造成三维统计分析、空间分析存在问题，市政基础设施信息化管理水平较差。

为实现住房和城乡建设部市政基础设施信息化的总体目标，在分析现有三维模型平台的基础上，深研SuperMap平台数据组织框架，利用SuperMap iObjects作为API接口，C#为主要编程代码语言，基于SuperMap平台设计并研发二三维地下管线信息系统，以期实现三维地下管线的自动化建模，深度融合地上实景三维模型，二三维一体化，强化空间统计分析功能，并在SuperMap平台实现地下管线三维可视化及管理应用[3]。

1 系统设计

1.1 总体设计

系统架构需调研用户需求，自下而上进行总体设计。SuperMap iDesktop.NET是可编程、可扩展、可定制，二三维一体化的桌面GIS产品，支持二维数据动态投影到三维场景中显示，设置风格、制作专题图、进行分析、查询等，而且在二维制图中可以使用三维模型和三维符号，文本系统基于桌面核心库的底层开发。SuperMap iObjects.NET基于Microsoft的.NET组件技术标准，以.NET组件的方式提供强大的GIS功能组件式开发平台[6]，具有快捷部署、高性能和易使用的特点，其核心数据模块具有强大的数据处理、空间分析和三维功能等，在传统地理信息系统的基础上扩充更多新功能，适合用户快速开发对应的GIS系统。SuperMap ProcessModeling提供三维数据空间处理建模、显示、分析二三维一体化的三维场景展示，同时，全球尺度的地形数据以及全球尺度的高分辨率影像数据都可以加载到三维模型中进行显示。基于.NET语言开发的业务功能，以插件的形式集成到SuperMap iDesktop.NET基础框架中，并且可以定制和扩展界面。

系统使用微软公司的Visual Studio集成开发环境，以C#语言进行功能开发，利用Oracle关系型数据库存储数据，最终在SuperMap iDesktop.NET平台进行地下管线三维场景展示及管理应用。系统建设全过程遵守标准规范与安全保障体系、运行管理与协同联动机制，系统总体设计架构如图1所示。

图1 系统总体设计架构图

1.2 功能设计

二三维地下管线信息管理系统针对地下管线直观可视化管理，充分展示地下管线三维模型，具有空间分析功能，辅助隐患排查和规划决策，助力新型智慧城市建设。系统通过简洁功能分区、以数据库为后台基础，为用户提供便捷人机交互界面操作界面，主要有6大功能模块，系统功能设计结构如图2所示。

图2 系统功能设计结构图

(1)首页

系统该模块下具有三维自动建模成图功能，导入mdb数据库，配置好投影参数，即可一键生产二维、三维及二三维一体化地下管线图。

(2)地图

三维可视化是系统的核心功能模块，可以进行二三维关联浏览、漫游，更直观的展示地下管线数据的三维立体模型，实时查询分析结果，数据库和地下三维模型可以联动，当数据库数据或三维模型更新或变化时，系统会调用联动编译模块进行实时更新。地图定位、量算、模型开挖显示地表下的管线分布，提供图形输出接口，保存裁切的数据。在可视化展示时，可以通过调节地表和实景三维图的透明度，实现地上地下空间一体化效果，BIM+GIS的深度融合。

(3)查询统计

查询统计模块可以进行整个项目片区地下管线的种类、长度、权属等查询统计，以图表的形式输出查询统计结果。强大的空间分析功能不仅可以为城市规划建设提供决策依据，还可以提供隐患排查机制，提供连通分析、爆管分析、纵横剖面分析、溯源分析和覆土分析等功能，通过分析报告为突发事件和智慧城市建设规划提供可靠依据，进行科学信息化管理。

(4)工具箱

数据入库前需按照CJJ 61—2017《城市地下管线探测技术规程》[7]、GB/T 29806—2013《信息技术 地下管线数据交换技术要求》[8]和CH/T 1037—2015《管线信息系统建设技术规范》[9]对数据库的数据进行逻辑一致性、精度和材质等综合差错、管线类型更正、属性字段转换为标准字段等检查，以形成满足规范要求的入库数据[3]。二维成图的地下管线数据和三维模型所需采集的三维数据进行数据库合并，解决二三维底层数据分离问题。还可进行实景三维图的配置、扩展二三维管点、管线的符号化配置。

(5)用户管理

账号管理可以进行账户的统一管理，可以修改用户名、密码等操作，用户可以通过该模块的产品介绍和帮助文档快速掌握系统的使用功能。

(6)视图

提供友好的人机交互界面，个性化设置，用户可以根据个人爱好配置不同的系统风格、颜色，得到良好的视觉感受。

1.3 数据库设计

系统数据库是数据的存储和管理的仓库，是整个系统建设的核心部分，将各类数据库的建设有逻辑地整合在一起，才能充分发挥数据库在系统应用和建设中的核心作用[10]。本文根据用户需求和数据特点采用集中式数据库设计，统一分类编码，分层存放，有利于数据的快速检索、分析，在安全性和稳定性方面达到系统建设的要求。整个数据库的生命周期里，数据涉及面广，数据在整编和录入的难度大，为保证建库质量，在这过程中应按照统一的标准和参照规范不断维护、补充和完善各类代码。

数据库基础数据和管理层选用SQL Server数据库，数据库主要由空间基础地理信息数据库、城市市政基础设施普查数据库及管点、管线标准模型数据库组成，系统数据库总体框架如图3所示。入库的管线数据为标准的Access格式数据[11]，实景三维图为OSGB格式数据。城市市政基础设施普查数据库是核心库，需参照属性表结构设计标准，完成各类性数据字段数量、字段名称、字段类型、长度、完整性约束等设置。

图3 系统数据库总体框架图

2 关键技术

2.1 自动化三维建模

自动化三维建模作为系统研发的亮点，摒弃了传统三维建模系统人工选择不同管类特征点、附属物的三维管点模型，人工配置附属物的缩放、旋转等冗余繁琐操作；也无需人工干预管类选择顶底、圆方管线等。其实，要满足地下三维管线的建模要求，在二维管线外业采集的基础上，还采集了附属物的三维所需参数，比如，井盖的材质、圆井盖的直径、方井盖的长宽、井深和井脖深等数据[12]。最后要根据二维管线数据库和三维管线数据库合并，通过算法、二次开发代码完成自动化建模的操作。要完成操作，首先需要3ds Max进行特征点和附属物的模型建立，在系统的符号化配置里赋予模型唯一编码，符号化配置具有扩展性，根据市政基础设施的实际情况扩充符号库；还需进行管线模型数据库的建立，比如圆管、方管及顶底管线等管线模型，同样赋予独一编码。特征点和附属设施模型库、地下管线模型库如图4—5所示。

图4 特征点和附属设施模型构建库图

图5 地下管线模型构建库图

在管线三维场景生成时，系统会根据管点的坐标、埋深、管径和管线关联等信息，自动生成管线三维模型，再对管线接头、变径进行二次自动建模处理和装配，根据材质和管段类型匹配材质和颜色，生成较符合实际情况的三维管线模型，最后将管线的各种属性信息与模型建立关联[11]。根据合并数据库信息，调用特征点和附属设施模型库数据生成管点三维模型，采用自动耦合造型法实现管点和管线的无缝衔接，以达到三维展示的最佳视觉效果[11]。

以管点、管线模型数据库作为自动建模的基础，根据合并的数据库，研发代码完成自动化建模功能。

2.2 二三维一体化

目前，国内大多数的地下管线二次开发系统都是二三维数据分离开，三维又没有一个统一的标准，造成二三维数据的割裂，而且市政基础设施数据量非常庞大，这造成数据管理维护的困难，从管线数据的特点角度和需求，必须扩展和研究二三维一体化表达。

日新月异的经济社会发展，市政基础设施动态更新也是实时存在的，系统为保持管线数据的实时性，必须要研究其更新机制，能在二维、三维管线显示间直接灵活切换，还可协同、联动操作功能，在进行查询统计、空间分析时能实时显示结果到界面。作为系统的关键技术之一，系统具有二三维一体化自动关联机制，二三维访问同一合并数据库，当管线数据更新或变化时，二维管线图发生变化，三维模型也随之更新，可在三维模型场景下，根据市政基础设施的实时情况添加或删除地下三维管线模型，二维管线和数据库都自动完成更新[16]。

2.3 B/S架构和C/S架构相结合

B/S架构是随着互联网技术的升级而兴起的，用户是通过浏览器来进入工作空间，主要在服务器端完成数据处理。其特点是对电脑配置要求较低，只需要安装浏览器即可，适合版本升级频繁的场景，用户群体广泛，安全性能得不到保障。

C/S架构是客户和服务器之间的交互请求和响应。其特点是对电脑配置要求高，需要安装专门的软件，适合版本升级不频繁的应用场景，用户群体相对固定，安全性能较高。

系统采用基于J2EE的B/S和C/S 2种架构相结合的方式进行设计[2]。为确保系统的安全性能和用户有效性，在登录系统的时候，对登录用户的用户信息和权限信息通过系统认证服务器进行认证，以此进行用户的合法性认证和有效性校验，以避免用户非法访问，并保证页面系统安全性。二三维地下管线信息管理系统专业性较强，根据其特点，以C/S架构为主，两者相结合，发挥各自优点，优势互补。

3 系统实现与应用

系统使用前需安装SuperMap iDesktop.NET桌面端平台软件，输入用户名和密码登录主界面，即可使用系统功能模块对数据进行操作。为了保持系统的生命力，系统具备可拓展性和友好人机交互界面，在使用的过程中不断根据用户体验和需求进行系统定制更新。

系统具有稳定的应用性能，初次调图显示的速度控制在5秒以内，之后的图形调用(刷新、漫游、选择)显示速度在2秒内。数据转换及传输时间在1分钟内采用多线程并发和断点续传模式进行数据下载，提高数据采集效率；数据分段多线程并发入库，采用增量数据与全量数据相结合的方式，即定期进行数据全量入库以保证数据的准确性，其余时间进行数据增量入库以提高处理效率；数据压缩存储和传输，提高系统的吞吐能力。

用户可以根据BIM+GIS三维管线模型进行浏览漫游、属性信息查询统计、空间分析和开挖场景模拟等功能操作，系统部分核心功能模块应用如图6—8所示。

图6 地下三维管线模型和断面空间分析图

图7 二三维一体化联动图

图8 空间三维融合模型及查询统计分析图

4 结语

本文通过系统总体设计、功能设计和关键技术几方面论述了二三维地下管线信息管理系统的建设，达到了预期效果，可有效融合地上地下三维空间一体化展示，实现了自动化三维建模和二三维一体化联动机制，同时具备统计分析和空间分析的功能，完成了地下三维管线模型智能化运维管理，为城市建设规划提供数据决策。

后续将根据实际情况进行添加和修正管点、管线模型库，同时不断更新管线数据成果[3]，保持地下管线运行动态的实时掌控。在未来系统的建设上可以考虑融合数字孪生、AR等技术，改变城市建设的管理方式，提升城市管理效能，推进城市管理现代化和精细化，真正实现智慧城市建设。