王星捷，李春花

(成都理工大學 工程技術(shù)學院，四川 樂山 614007)

0 引 言

地下管網(wǎng)[1]設(shè)施是城市中核心的基礎(chǔ)設(shè)施，由供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、電網(wǎng)和燃氣管網(wǎng)[2]等地下網(wǎng)絡(luò)組成。它的特點有：涉及區(qū)域面積廣、設(shè)施數(shù)量隨城市發(fā)展每年遞增且越來越快、種類各式各樣[3]、空間關(guān)系復雜[4]等等。

在管網(wǎng)信息展示上，簡單的二維展示已經(jīng)不能反映各種層疊管網(wǎng)真實的空間關(guān)系。如果沒有一個能夠真實直觀地反映地下網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的軟件，那么不管是在管網(wǎng)建設(shè)、管網(wǎng)維護或是與管網(wǎng)建設(shè)無關(guān)的交通道路施工和樓房修建中，都會因為地下管網(wǎng)信息不精確導致巨大的事故。文中通過對二、三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)以及地形數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。利用ArcScene平臺技術(shù)，實現(xiàn)了二、三維數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的無縫整合，清楚直觀地展示了各個管線之間的空間關(guān)系以及與地形之間的關(guān)系。實現(xiàn)了三維管網(wǎng)[5-6]基礎(chǔ)瀏覽、定位查詢以及管網(wǎng)分析等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體架構(gòu)從下到上分別為：數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層、表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)層按數(shù)據(jù)類型分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。業(yè)務層就是根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分為不同的功能模塊，完成到達用戶的不同目的。最終用戶看到的就是表現(xiàn)層，表現(xiàn)層實現(xiàn)用戶操作系統(tǒng)和獲取系統(tǒng)反饋的信息。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層主要包括空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù))[7]?？臻g數(shù)據(jù)包括二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)和三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)：二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于探測成果表，三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)[8]來源于二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)三維化結(jié)果。非空間數(shù)據(jù)包含柵格數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)是通過管點數(shù)據(jù)用地面高程數(shù)據(jù)作為參數(shù)插值分析生成的地形數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)源于成果表導入，存儲管網(wǎng)要素的屬性信息。

(2)業(yè)務邏輯層。

各種業(yè)務功能主要由業(yè)務邏輯層實現(xiàn)，這個是由系統(tǒng)需求決定。該系統(tǒng)目前已經(jīng)實現(xiàn)的業(yè)務功能有基本的操作功能、查詢統(tǒng)計功能和數(shù)據(jù)分析功能。

(3)表現(xiàn)層。

表現(xiàn)層用于實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互，是用戶可以直觀感受到的三維信息。該系統(tǒng)主要通過ArcGIS Desktop的ArcGIS Scene實現(xiàn)三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)的展示和操作[9]。ArcGIS Scene是一個用于有效表達三維數(shù)據(jù)信息的平臺，可以實現(xiàn)在三維視圖上的漫游和交互[10]。ArcGIS Scene支持TIN數(shù)據(jù)展示，能夠在平臺中展示地形數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

(1)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集。

管網(wǎng)設(shè)備深埋于地下，需要測繪人員進行專業(yè)的管網(wǎng)勘測工作，其中主要工作是查明管網(wǎng)的設(shè)備類型、二維坐標、管徑、流向、埋深、埋設(shè)方式、材質(zhì)、權(quán)屬單位、地址、安裝日期、維護日期、壁厚等相關(guān)屬性信息。并將探測結(jié)果導成Excel成果表，再根據(jù)成果表數(shù)據(jù)矢量化生成要素類，存入地理數(shù)據(jù)庫。

管網(wǎng)探測成果表在矢量化后要對矢量化后的二維數(shù)據(jù)進行連通性檢查，避免探測的誤差造成數(shù)據(jù)的連通錯誤。并且要對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行定期的更新檢查。

(2)三維地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

地下管網(wǎng)主要是由管點和管線構(gòu)成[11]。管點數(shù)據(jù)包括閥門、調(diào)壓設(shè)備、氣源等。管道設(shè)施包括高壓、中壓和低壓管道設(shè)施。管道與管道之間由管點連接。通過管點和管道數(shù)據(jù)的連通關(guān)系可以建立幾何網(wǎng)絡(luò)，幾何網(wǎng)絡(luò)是管網(wǎng)分析的基礎(chǔ)。幾何網(wǎng)絡(luò)中的連通關(guān)系為一個管點可連接多條管線，而管線相連接的只有前后兩個管點。在建立幾何網(wǎng)絡(luò)時，ArcGIS會分析添加管線圖層和管點圖層要素的空間關(guān)系。如果管線與管線之間有管點要素連接，該管點就會成為這兩條管線的連接節(jié)點。如果兩個管線之間沒有管點要素連接，系統(tǒng)會自動生成一個邏輯節(jié)點，該節(jié)點要素會存儲到節(jié)點圖層中。

(3)三維地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫。

三維地下管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)庫[12]包括二維數(shù)據(jù)集、三維數(shù)據(jù)集和柵格數(shù)據(jù)集，如圖2所示。二維數(shù)據(jù)集分為二維管線矢量數(shù)據(jù)、二維管點數(shù)據(jù)和幾何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。二維管道、管點數(shù)據(jù)是由外業(yè)探測成果表導入。二維幾何網(wǎng)絡(luò)由二維管線矢量數(shù)據(jù)和二維管點矢量數(shù)據(jù)通過ArcGIS平臺幾何網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建功能生成。三維管線矢量數(shù)據(jù)和三維管點矢量數(shù)據(jù)由二維管線矢量數(shù)據(jù)和二維管點矢量數(shù)據(jù)，通過ArcGIS平臺工具箱的“依據(jù)屬性實現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D”功能實現(xiàn)。柵格數(shù)據(jù)集中包含地形圖數(shù)據(jù)，地形圖數(shù)據(jù)通過已有的管點數(shù)據(jù)的地面高程信息，使用“反距離權(quán)重法”功能生成。

圖2 三維地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫

(4)三維地下管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)關(guān)系。

二維數(shù)據(jù)通過高程信息、材質(zhì)信息和管徑信息等屬性字段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)三維化，并將這些特征效果展示在三維圖層上。下面分別列舉了二、三維管點，管線的幾個主要字段，描述了它們的作用和相互之間的關(guān)系，如圖3所示。

①管點數(shù)據(jù)字段。

管點材質(zhì)分為PE管和鋼管。不同管點設(shè)備對地下環(huán)境的要求不同，所以為了增加設(shè)備的安全性和降低成本，應選用不同的材質(zhì)。該字段設(shè)計時考慮到了管點的維護，方便系統(tǒng)用戶確定管點設(shè)備管材?？梢砸罁?jù)材質(zhì)對管點進行分類統(tǒng)計。

管點埋深和管點高程。管點埋深是管點頂部到地面的深度，管點高程是管點相對于大地水準面的高度。通過這兩個字段數(shù)據(jù)可以分析出當前管點的地面高程，并通過該字段分析出地形數(shù)據(jù)。管點埋深通過剖面分析將結(jié)果反映在折線圖上，實現(xiàn)對管網(wǎng)的深度變化的觀察。管點高程作為“依據(jù)屬性實現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D[13-14]”功能的屬性參數(shù)，給二維要素矢量數(shù)據(jù)附上高程值，實現(xiàn)二維矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)三維矢量數(shù)據(jù)。

圖3 三維地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)關(guān)系

管點橫、縱坐標。管點橫、縱坐標在探測成果表導入并矢量化時，根據(jù)橫、縱坐標字段來創(chuàng)建管點要素。橫、縱坐標賦予了管點要素的空間信息。

②管線數(shù)據(jù)字段。

管線材質(zhì)分為PE管和鋼管。不同管線設(shè)備對地下環(huán)境的要求不同，所以為了增加設(shè)備的安全性和降低成本，應選用不同的材質(zhì)。管線的管徑也與其燃氣輸出量有關(guān)，不同管線壓力不同所設(shè)計的管徑也不同。材質(zhì)、管徑字段設(shè)計時考慮到了管線的維護，方便系統(tǒng)用戶確定管線設(shè)備管材、管徑?？梢砸罁?jù)材質(zhì)和管徑對管線進行分類統(tǒng)計。并且材質(zhì)和管徑會以不同的顏色和粗細展示在三維圖層上。

管線起點位置和終點位置。起點位置和終點位置字段記錄了管線連接于兩端的管點設(shè)備的新編號字段數(shù)據(jù)。在通過成果表矢量化管線數(shù)據(jù)時，根據(jù)已矢量化的管點數(shù)據(jù)結(jié)合起點位置和終點位置字段信息，確定管線數(shù)據(jù)的空間位置，來創(chuàng)建管線要素。通過這兩個字段能夠判斷管線設(shè)備在管網(wǎng)中的連通關(guān)系，在后期的管網(wǎng)連通性檢查和管網(wǎng)分析[15]中，作為設(shè)備連通的依據(jù)。

管道起點高程和終點高程。起點高程和終點高程，通過起點位置和終點位置對應的管點設(shè)備的高程字段獲取。通過這兩個字段數(shù)據(jù)賦予二維管線要素高程信息，實現(xiàn)二維管線維化。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

(1)三維管網(wǎng)實現(xiàn)。

二維管網(wǎng)要素和三維管網(wǎng)要素在非空間數(shù)據(jù)上并無差別，其主要區(qū)別在于空間數(shù)據(jù)不同?？臻g數(shù)據(jù)的不同主要在于有無高程信息。在ArcScene展示要素時，如果要素存在高程信息，系統(tǒng)會自動反映出它的高程信息。

通過工具箱中的“依據(jù)屬性實現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D”功能設(shè)置參數(shù)，參數(shù)包括輸入要素、輸出要素類、高度字段和終止高度字段。在要素設(shè)置高程信息三維化后，創(chuàng)建幾何網(wǎng)絡(luò)的過程中，由于管網(wǎng)設(shè)備缺少高程字段數(shù)據(jù)，經(jīng)常出現(xiàn)相鄰管線與管點不連通的問題。為了避免該類問題的存在，需要對管網(wǎng)連通性進行檢查。檢查方法是通過顯示幾何網(wǎng)絡(luò)的流向來實現(xiàn)。通過流向顯示查找無流向的管段并追蹤未連通的管點，接著使用幾何網(wǎng)絡(luò)編輯工具，將未連通管點添加進管段。根據(jù)這個方法依次解決幾何網(wǎng)絡(luò)中所有無流向的管段。

(2)地形實現(xiàn)。

地形圖數(shù)據(jù)在一般方法無法獲取時，可通過現(xiàn)有管點數(shù)據(jù)的地面高程字段數(shù)據(jù)來生成。其實現(xiàn)方法分為兩步：第一，通過插值分析實現(xiàn)數(shù)據(jù)柵格化；第二，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TIN數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)柵格化是通過工具箱插值分析中的反距離權(quán)重法實現(xiàn)。反距離權(quán)重法通過已經(jīng)設(shè)置完成的一系列已知值的矢量點結(jié)合權(quán)重來生成像素并設(shè)置像素的值。設(shè)置的冪值越大，單位距離范圍內(nèi)的插值越趨近于最近采樣點的值。

柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)TIN數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)不能在ArcScene展示三維立體效果，要將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TIN數(shù)據(jù)。TIN數(shù)據(jù)是矢量數(shù)據(jù)的一種，是不規(guī)則三角網(wǎng)模型。TIN數(shù)據(jù)由三角形、邊和頂點構(gòu)成。在ArcScene可視化控件中能夠展示三維效果，并且根據(jù)設(shè)置在不同高程上還能展示不同效果。ArcGIS Desktop分析算法中支持柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)TIN數(shù)據(jù)。

三維管網(wǎng)與地形疊加具體實現(xiàn)的效果如圖4所示。

圖4 三維管網(wǎng)系統(tǒng)效果

(3)分析功能。

分析功能包括爆管、閥門追蹤、連通性、橫縱剖面分析和緩沖分析等。

爆管分析實現(xiàn)通過點選一段管網(wǎng)模擬該管網(wǎng)發(fā)生爆管，就會根據(jù)該管段附近的網(wǎng)絡(luò)流向，分析出該管段上游最近的閥門設(shè)施，該閥門設(shè)施為待關(guān)閉的閥門，還會分析出下游受影響的所有管段和調(diào)壓設(shè)施。使用者可以根據(jù)分析結(jié)果來判斷待關(guān)閉的閥門并預測出爆管事故所影響的范圍，如圖5所示。

圖5 爆管分析

閥門追蹤分析是只針對于閥門的追蹤查詢。該功能根據(jù)選擇的管線查詢出其附近的最近閥門，操作人員在檢修管線時就可以通過這個功能來實現(xiàn)。連通性分析首先要選擇兩條管道設(shè)施，然后計算出連接兩條管道設(shè)施的最優(yōu)化途徑路線，如圖6所示。橫、縱剖面分析，分析出管線的橫向和縱向的埋深變化，對于地面施工建設(shè)極大的幫助。緩沖分析則是通過手動繪制點線面根據(jù)輸入距離參數(shù)進行緩沖，緩沖過后還能夠查詢到與緩沖幾何相交的要素。

圖6 連通性分析

4 結(jié)束語

文中分析了管網(wǎng)的二維、三維數(shù)據(jù)以及地形柵格數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和特征，設(shè)計了二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系、各數(shù)據(jù)之間的分層關(guān)系，建立了三維地下管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)庫，依據(jù)ArcScene平臺進行了系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計和具體技術(shù)的實現(xiàn)，實現(xiàn)了三維管網(wǎng)系統(tǒng)。實現(xiàn)結(jié)果中可以看出地形數(shù)據(jù)、二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)和三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)無縫的結(jié)合，顯示效果好；在功能上實現(xiàn)了多種分析功能、基本瀏覽和查詢功能，證明該技術(shù)方案的可行性。為三維管網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種技術(shù)路線和方法。