丁鵬輝，李志剛，董紹環(huán)，劉曉輝

城市地下管線信息系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究

丁鵬輝1，2，李志剛1，2，董紹環(huán)1，2，劉曉輝1，2

( 1．青島市勘察測繪研究院，山東青島266032; 2．青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東青島266032)

一、引言

隨著我國城市化進程的加快，地下空間的開發(fā)與利用越來越受到相關政府職能部門的重視。地下管線作為地下空間的重要組成部分，尤其是作為城市的“生命線”，關系到城市居民的生產(chǎn)和生活，是城市生存和發(fā)展的血脈，其重要性不言而喻。但是，目前我國城市地下管線信息系統(tǒng)建設的水平參差不齊，東部較發(fā)達城市基本已建立了地下管線信息系統(tǒng)，并結(jié)合管線竣工測量或詳查等工程基本實現(xiàn)了地下管線數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新，總體運轉(zhuǎn)情況良好;中部和西部城市除經(jīng)濟較發(fā)達的城市開展情況良好外，大部分城市由于各種原因，存在地下管線資料不全、不現(xiàn)狀、精度不高等問題，此種情況下即使建立地下管線信息系統(tǒng)也不能發(fā)揮很好的作用，嚴重阻礙了城市的發(fā)展和應急管理等相關工作。因此，盡快開展地下管線普查工作，建立城市地下管線信息系統(tǒng)和動態(tài)更新機制，實現(xiàn)城市地下管線的數(shù)字化、信息化、動態(tài)化和可視化管理已勢在必行。

目前，國內(nèi)多數(shù)已建立的地下管線信息系統(tǒng)大都基于大型地理信息平臺軟件(如ArcGIS、Super-Map、MapGIS等)進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、統(tǒng)計與分析等功能，基本滿足了地下管線的日常管理與應用。這些系統(tǒng)大都是二維或2．5維的，在地下管線空間關系的表達與展示方面不是很直觀。隨著計算機軟硬件、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的快速發(fā)展，地下管線信息系統(tǒng)正朝著地上與地下空間一體化、三維可視化表達與展示、B/S與C/S架構(gòu)相結(jié)合、海量地理信息數(shù)據(jù)集成存儲與管理等方向發(fā)展。本文主要結(jié)合目前青島市正在開展的地下管線普查與信息化建設工作，重點針對地下管線信息系統(tǒng)建設工作提出一些新的思路和方法，為國內(nèi)其他城市在開展類似工作過程中提供參考。

二、關鍵技術(shù)

地下管線信息系統(tǒng)建設的關鍵技術(shù)包括很多，本文主要在開展了相關研究與實踐的基礎上，結(jié)合青島市實際情況，提出如下關鍵技術(shù)，以供參考。

1．B/S與C/S相結(jié)合的多層分布式技術(shù)

關于B/S與C/S兩種架構(gòu)的優(yōu)缺點已有很多專家和學者進行了研究，并發(fā)表了相關論文，在此不再贅述。結(jié)合青島市已建設的地下管線信息系統(tǒng)，本文提出將二者相結(jié)合，通過多層分布技術(shù)的應用實現(xiàn)優(yōu)勢互補，最大化地發(fā)揮各自優(yōu)點。對于專業(yè)性較強的地下管線信息管理與應用工作，可采取C/ S架構(gòu)開發(fā)，實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)庫的入庫、更新、管理及高級分析與利用等功能;對于專業(yè)性較弱的，僅實現(xiàn)地下管線信息的瀏覽、查詢、統(tǒng)計與簡單分析等功能，可采取B/S架構(gòu)開發(fā)。此外，在數(shù)據(jù)庫設計過程中，筆者建議將地下管線生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫與成果發(fā)布數(shù)據(jù)庫在物理上分開存儲設計，這樣雖然在空間存儲上造成了一點浪費，但在系統(tǒng)安全使用方面有很大保障，如當?shù)叵鹿芫€生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫在出現(xiàn)故障問題不能正常啟動的情況下，成果發(fā)布數(shù)據(jù)庫可正常使用，反之亦然。

2．面向數(shù)據(jù)庫更新的內(nèi)外業(yè)一體化技術(shù)

城市地下管線信息系統(tǒng)建成后，必須相應開展數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新工作，只有這樣，才能保證其生命力。因此，圍繞數(shù)據(jù)庫更新工作，筆者研制了一套高效、合理的內(nèi)外業(yè)一體化技術(shù)，改變了地下管線探測的傳統(tǒng)作業(yè)模式。整體技術(shù)思路是:在統(tǒng)一技術(shù)標準的基礎上，統(tǒng)一作業(yè)生產(chǎn)軟件(含圖形繪制、屬性編輯、數(shù)據(jù)檢查等)和數(shù)據(jù)入庫的操作平臺，并建立合理的作業(yè)流程，減少數(shù)據(jù)生產(chǎn)的重復操作環(huán)節(jié)，通過整合地圖制圖、GIS等技術(shù)，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中圖形和屬性關聯(lián)，從而保證圖形和屬性的一致性，實現(xiàn)快速入庫的目的。具體流程如圖1所示。

圖1 青島市地下管線數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新技術(shù)流程

3．地下管線數(shù)據(jù)時態(tài)組織與管理技術(shù)

地下管線信息作為地理信息的重要組成部分，具有非常明顯的時空特征。為更好地組織和管理不同時期、不同時刻的地下管線數(shù)據(jù)，在已有空間數(shù)據(jù)模型的基礎上增加時間維特征，從而實現(xiàn)對地下管線數(shù)據(jù)的時空管理。

在地下管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，針對管點或管線屬性表分別設置入庫時間和更新時間，作為每個實體要素的時間戳標記。其中，入庫時間表示地下管線數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫的時間，一般作為地下管線數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性說明字段;更新時間則是在發(fā)生管線數(shù)據(jù)變化時，當存在已有管線數(shù)據(jù)被更新至歷史庫時所賦予的時間戳標記，表示地下管線數(shù)據(jù)被更新的時間。導致管線數(shù)據(jù)庫中實體要素發(fā)生變化的情況主要有3種:一是因?qū)嵉毓芫€廢棄或拆除等引起的變化;二是同一條管線由不同作業(yè)單位、不同時期探測或因地面沉降等因素導致的變化;三是針對數(shù)據(jù)庫中重復和重疊管線等情況進行編輯時所導致的變化。一般情況下，第1種情況引起的變化所生成的管線歷史數(shù)據(jù)是與實際情況一致的，參考和利用價值最高，筆者將此類歷史數(shù)據(jù)規(guī)定為管線遷改;第2種情況是因外在因素所導致的變化，筆者將其規(guī)定為測量時態(tài);第3種情況是由于數(shù)據(jù)庫建設或管理過程中編輯操作所導致的變化，系統(tǒng)將其規(guī)定為數(shù)據(jù)編輯。上述針對管線歷史數(shù)據(jù)的類別定義和劃分，對于國內(nèi)其他城市在管理和利用管線歷史數(shù)據(jù)工作中有一定的參考價值。

此外，除了以時間點為單位管理管線數(shù)據(jù)之外，還可以以時間段或工程為單位管理，也即版本管理。對每一個管線實體要素的生命周期進行多時態(tài)存儲和管理，并記錄其歷史變更情況，在技術(shù)上采取事務邏輯和時間戳組合的版本管理機制，同時將管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行邏輯分離組織和管理，從而既滿足了地下管線信息時態(tài)管理的要求，又最大限度地減少了數(shù)據(jù)的冗余，提高了數(shù)據(jù)訪問和系統(tǒng)功能使用的效率。

4．地下管線信息的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

近年來，數(shù)據(jù)挖掘引起了信息產(chǎn)業(yè)界的極大關注，其主要原因是存在大量數(shù)據(jù)可以廣泛使用，并且迫切需要將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的信息和知識。城市地下管線數(shù)據(jù)庫存儲了大量地理信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括地上建筑物、道路、植被、河流和地下管線及其附屬設施等。雖然從數(shù)據(jù)量上定義還稱不上大數(shù)據(jù)，但已具備了數(shù)據(jù)挖掘的條件，即具備了可用于挖掘分析的數(shù)據(jù)倉庫。通過數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)手段，可大大提升城市地下管線數(shù)據(jù)庫的利用價值，如將管線數(shù)據(jù)與小區(qū)建筑數(shù)據(jù)疊加，可分析高危管線與小區(qū)的安全距離是否符合規(guī)范要求，分析結(jié)果可為有關監(jiān)管部門提供執(zhí)法依據(jù)。因此，筆者拋磚引玉，實現(xiàn)了從二維矢量管線數(shù)據(jù)中快速發(fā)現(xiàn)穿越暗渠管線的功能，除了找到穿越暗渠的管線數(shù)據(jù)之外，還可分析其類別、屬性信息，以及穿越管線與暗渠的空間關系(在暗渠上、在暗渠中或在暗渠下)。具體實現(xiàn)結(jié)果如圖2所示。

5．地上與地下一體化三維表達與展示技術(shù)

由于地下管線具有隱蔽性與三維空間等特征，采用三維可視化與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，將其在三維場景中加以表達與展示，應用效果會更好，因此，需開展三維場景制作及有關系統(tǒng)功能開發(fā)等工作。三維場景制作主要包括地上三維模型、地面模型和地下管線三維模型等內(nèi)容。其中，地上三維模型主要包括重點道路、道路兩側(cè)主要建筑物、重點區(qū)域模型等;地面模型一般采用數(shù)字高程模型( DEM)疊加數(shù)字正射影像( DOM)的方式表現(xiàn);地下管線三維模型中管線附屬設施三維模型一般通過專業(yè)的三維模型構(gòu)建軟件制作，而管線段三維模型則一般通過研發(fā)相應的模型自動構(gòu)建工具進行制作，重點需要考慮管線附屬設施三維模型與其連接的管線段三維模型之間的銜接處理、管線段外觀形狀與埋設方式的表達、點模型與線模型的按比例表達等關鍵問題。此外，還需要重點解決數(shù)字高程模型與地上三維模型、地下管線三維模型之間的沖突問題，尤其在青島等丘陵城市的三維場景制作過程中，這樣的問題尤為明顯。解決方法一般是對數(shù)字高程模型進行加密修正，提高其精度;若管線數(shù)據(jù)精度不高導致沖突，則需要重新復測。

圖2 地下管線信息數(shù)據(jù)挖掘功能圖示

此外，可采用目前比較成熟的三維地理信息平臺，將制作好的三維場景數(shù)據(jù)進行導入，并利用其提供的二次開發(fā)接口，針對地下管線成果進行開發(fā)，包括場景瀏覽、漫游、查詢、統(tǒng)計、分析等功能，實現(xiàn)地上與地下三維一體化表達、展示與利用，從而提高地下管線信息的可利用價值。

三、應用實例

針對上述關鍵技術(shù)的研究，筆者已進行了相關開發(fā)與實踐，目前研究實現(xiàn)成果已應用于青島市地下管線信息系統(tǒng)建設工作中，取得了很好的效果。具體應用實例如圖3—圖8所示。

四、結(jié)束語

本文主要結(jié)合青島市地下管線信息化建設工作，針對地下管線信息系統(tǒng)建設的關鍵技術(shù)提出了一些思路和方法，并進行了針對性的研究與實現(xiàn)，實踐證明是可行的。目前，全國大多數(shù)城市正大力開展城市地下管線普查與信息化建設工作，本文提出的一些關鍵技術(shù)可為其他城市提供一定的參考。

圖3 基于C/S架構(gòu)開發(fā)的地下管線數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

圖4 基于B/S架構(gòu)開發(fā)的地下管線信息瀏覽查詢系統(tǒng)

圖5 管線數(shù)據(jù)入庫更新功能圖示

圖6 管線歷史數(shù)據(jù)瀏覽功能圖示

圖7 地上與地下一體化三維表達圖示

圖8 地下管線爆管分析功能圖示

［1］ 簡季，吳劍，楊武年，等．基于OpenGL的三維地下管線信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］．計算機輔助設計與圖形學報，2004，16( 10) : 1466-1468．

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［4］ 殷麗麗，施苗苗，張書亮．GIS時空數(shù)據(jù)模型在城市地下管線數(shù)據(jù)庫中的應用［J］．測繪科學，2006，31( 5) :151-152．

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Research on the Key Technology of Urban Underground Pipeline Information System

DING Penghui，LI Zhigang，DONG Shaohuan，LIU Xiaohui

當前，全國正在開展地下管線普查與信息化建設工作，本文結(jié)合青島市地下管線信息化建設工作，在開展了大量研究與實踐的基礎上，針對地下管線信息系統(tǒng)建設的關鍵技術(shù)提出了一些新的方法與思路，為國內(nèi)其他城市開展類似工作提供了方法與思路的參考。

地下管線;管線系統(tǒng);地理信息系統(tǒng);關鍵技術(shù)

丁鵬輝( 1972—)，女，高級工程師，主要研究方向為測繪與地理信息系統(tǒng)。E-mail: 729972@ 163．com

P208

B

0494-0911( 2015) 11-0092-04

丁鵬輝，李志剛，董紹環(huán)，等．城市地下管線信息系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究［J］．測繪通報，2015( 11) : 92-95．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0355

2015-06-02

住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目( 2014-K8-044)