基于SuperMap的城市地下三维管网动态管理和研究
发布时间：2022-04-18
[摘 要]城市地下管网是城市重要的地下基础设施，与人民的生活息息相关，因此保障城市地下管网安全稳定的运行，是关系国计民生的大事。本文通过分析城市地下三维管网的工作情况，设计了城市地下三维管网管理流程。利用 GIS 技术、三维可视化技术和数据库技术，基于 SuperMap 平台，搭建城市三维管网管理平台，实现城市地下管网从二维向三维的升级、城市管网的展示和分析，为政府提供基础信息支撑。
[关键词]GIS; 地下管线; SuperMap; GIS 分析
城市地下管网是城市重要的地下基础设施，与人民的生活息息相关，关系到城市运行和经济发展[1]。由于城市地下管网在地下分布纵横交错，管线沿街铺设，但铺设的地下深度不同，有的可达数米，有的只有几十厘米[2]。目前很多部门针对地下管网建立二维地下管网管理平台，但是由于地下管线埋在地下，二维地图无法直观展现地下管网的深度，在平面看起来是一片管线相交，只有通过查看属性后想象其空间关系[3]。三维管网显示具有非常大的优势，管线可见，管理直观，使用方便，评估简单，养护及时，避免管线损耗上的浪费。本文利用 GIS 技术、三维可视化技术及数据库技术，基于 SuperMap 平台，实现地下管网全过程的管理和二三维一体化展示，为政府提供基础信息支撑。
1 总体思路
1. 1 构建图文一体化城市地下管网管理模式
利用 GIS 技术、三维可视化技术、物联网技术，构建覆盖全市范围的动态化和一体化的城市地下管网管理模式[4]，强化城市地下管线信息和基础地理信息及档案信息的共享，提高城市地下管网从设计、施工、验收、入库、展示、分析和更新的全过程掌控能力。
1. 2 建立统一的城市地下管网的全周期数据库
建立城市地下管网一体化数据模型，构建城市地下管网的全周期数据库。根据时间和区域重新整合已有的信息资源，构建可灵活配置、动态更新的数据库，实现数据的统一处理、管理、分析和统计，进一步为城市地下管网的管理工作提供支撑和保障。
首先对城市地下管线、地形图数据、遥感影像数据和地下管理管线管理中档案数据等进行梳理和检查，形成现有的数据详细目录清单[5]。其次，在统一的坐标系、数据格式、数学基准、标准规范对数据进行梳理、处理、入库和更新等工作。
1. 3 城市地下三维管网管理平台
打造成一套能直观展示、能分析和能决策的城市地下三维管网管理平台，对城市地下管线能进行三维展示和分析，对城市地下管线突发事件能够及时预警和处理，保障城市地下管网的安全运营[6]。通过该平台，可以直观展示城市地下管线全流程和全周期的管理。平台建设的目标有以下几点。
1) 统一的城市地下三维管网平台: 将全市的地下管网，包括给水、排水、电力、通讯、信号电缆、燃气等管线管理业务纳入城市地下管网管理平台中。
( 2) 统一的城市地下三维管网管理流程: 强化地下管网的全周期管理，明确各级管理部门在城市地下管网中的职责，协调其行动。
( 3) 统一的城市地下三维管网的更新管理机制: 建立健全的城市地下管网数据库，制定地下管线更新维护的管理机制，确保管线的现势性，实现地下管线的共建共享，避免重复开挖。
2 平台设计
2. 1 城市地下管网管理的流程设计
通过对城市地下管网管理流程的梳理，整个流程包括地下管网探测、地下管网入库、地下管网展示和分析、地下管线更新四个部分。流程图如图 1 所示。
2. 2 平台架构
平台采用五层架构，包括信息基础层、专业应用层和综合服务层( 图 2) 。信息基础层是以城市地下管网 数据为核心，包括了基础地理信息数据库和城市地下管线等，为专业应用层和综合服务层提供数据支撑。专业应用层是以 SuperMap 作为基础平台，开发城市地下三维管网管理平台，满足城市地下管网的各种业务需求。用户层是平台的使用人员。建立健全的数据规划、技术规范和安全体系，保障平台运行。
3 平台数据库的建设
基于 GIS 的地下管网数据库，将大量、零散的成果地理数据通过地理信息系统数据模型进行组织与存储，对数据进行维护，防止数据丢失，同时满足各用户对系统的应用与数据操作，营造高效稳定的运行环境[7]。
3. 1 数据库建设内容设计
城市地下管网数据库建设内容包括基础地理信息数据库、地下管线数据库、地下构筑物数据库、多媒体数据库及运维管理数据库，具体如图 3 所示。
3. 2 数据库的概念设计
实体 - 关系( E - R) 方法是描述现实世界概念结构模型的有效方法，是表示概念模型的一种方式，用各种框图表示出来[8]。由于城市地下管网数据库数据量巨大，数据种类复杂，为了更好地利用和使用数据，需进行数据库概念设计，保证数据内容的正确。图 4 为地下管线信息实体 E - R 图。
4 平台功能模块的建设
4. 1 基础平台的选择
目前，市面上的三维平台大体可分成两类，第一类是构建的三维场景效果精美，并且支持仿真和虚拟现实技术。如: City - Maker 软件。第二类是三维 GIS 平台，它是将三维和二维 GIS 相结合，在 GIS 技术之上，实现三维展示。第一类平台虽然展示效果好并且支持海量数据，但是其二三维结合一般，尤其是二三维联动，在三维平台处理 GIS 数据效果差。第二类平台三维展示效果没有之前好，但是它和 GIS 平台无缝集成，二三维联动效果好。因此本文采用 SuperMap 基础平台，在 C#开发平台进行开发。
4. 2 平台功能模块
基于 GIS 的城市地下三维管网管理平台覆盖了数据录入、人员管理、二三维展示、三维查询统计和分析、运维管理等功能，其核心工作有地下管网三维全过程管理、城市地下管网录入和编辑管理、城市地下管网查询、分析和统计管理、城市地下管网突发事件管理。该平台实现三维直观展现地下管线信息; 根据地下管线信息和相关人员管理维护信息，当管线出现泄漏的时候，第一时间将信息发送工作人员终端，尽可能减少事故造成的人员和财产损失; 三维管网专题分析，如爆管分析、横断面分析、承压分析等，为领导决策提供支持。图 5 为平台的功能结构图。
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4. 2. 1 地下管网三维全过程管理
在宏观层面，对城市地下管网类别进行分类管理，在三维地图上可以直观展现地下管网的类别和位置; 在微观层面，可以查看每根城市管线的信息，如给水管线、编号、材质、管径等。地下管网三维展示界面如图 6 所示。
4. 2. 2 城市地下管网录入和编辑管理
城市地下管网录入实现自动化检查，可管理地下管线、建筑物、绿地、水系、道路等实体，用户可根据实际需要扩充数据类型。城市地下管网编辑功能是方便在三维空间中进行编辑，如删除、移动、复制等，空间实体还可以块的方式进行快速操作，比如比例缩放、角度旋转等。 4. 2. 3 城市地下管网查询、分析和统计管理平台实现对城市地下管网的各类数据进行统计分析，并以图、表等多种形式进行展示。具体查询、分析和统计的指标有管网类别、埋深、材质、探测单位、建设单位、年代、管线信息、管点信息等。
4. 2. 4 城市地下管网突发事件管理
城市地下管网突发事件处理快慢直接影响人民的生活，因此当突发事件发生后，需到现场并拍摄突发事件的相关信息。因此，突发事件的上传与可视化是处理城市地下管网突发管理的重点。本平台利用 SuperMap 二次开发接口，实现图片、视频等多媒体信息的实时上传。具体流程如图 7 所示。
5 平台建设的关键技术
5. 1 城市地下管网二三维一体化展示
三维可视化技术应用于地下管线时间比较早，但是很长时间三维 GIS 无法代替二维 GIS，因为早期三维 GIS 是以展示为主，分析统计和二三维联动效果不佳。随着传统 GIS 软件平台商的崛起，ArcGIS 和 SuperMap 开始支持三维，并无缝集成二维相关的查询、分析和统计功能，使城市地下管网二三维一体化成为可能。平台二三维一体化包括两方面，一是城市地下管网存储二三维一体化; 二是城市地下管网应用二三维一体化。
5. 2 三维高精度自动建模技术
本文采用一套三维高精度自动建模技术方法[9]。建模思路是借助地下管线探查结果，根据各类管线点和管线段的特点，对于形态规则单一的管线段，通过管线段的定位、空间信息、属性信息以及材质信息映射，利用 SuperMap 软件生成地下管线三维模型。对于形态不规则管线点，如三通、检修井、阀门井等，可以通过构建高精度的三维模型构件库，通过管线段的定位、空间信息、属性信息以及材质信息映射，实时生成三维管线点，最后连接形成完整的实体模型。
6 结语
本文以城市三维管网平台的构建为主题，实现城市地下管网数据全周期管理，但目前还存在一些不足。应多考虑后期地下管线信息的修测、更新，更新后与管线信息的整合，是地下管线信能否正常、有效、经济运行的瓶颈。地下管线信息管理和建库应向标准化方向发展，这样便于平台的开发、管理和维护，也便于信息的交流和共享。——论文作者：高益忠，何瑞棉，欧阳松南
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