地下管线空间数据模型及
三维可视化
Prepared on 22 November 2020
地下管线空间数据模型及三维可视化
摘要：伴随新城镇建设，地下管线规模日益庞大，种类日益繁多，对其进行科学高效的信息化管理尤为重要。
为更好表现各类管线的地下空间分布关系，在二维地下管线信息化的基础上，探索管线信息的三维建模及可视化管理。
通过构建地下管线三维数据模型，利用空间数据库引擎技术，结合ArcGIS Engine组件技术，搭建专业应用系统开发框架，生成地下管线三维模型，并实现三维可视化的信息查询与动态管理功能。
关键词关键词：地下管线；空间数据模型；三维可视化；ArcGIS
DOIDOI：
中图分类号：TP319
0引言
地下管线信息是城镇现代化建设过程中不可或缺的基础资料，也是城市决策的重要基础资源之一。
地下管线的隐蔽性、多变性和不确定性使地下管线信息成为城镇建设、安全、应急、防灾减灾面临的挑战。
因此，地下管线信息的即时获取和科学高效的管理受到社会持续关注。
近年来，地下管线信息化建设工作从逐渐进入人们视线过渡到了需求紧迫的阶段。
城镇地下管线包括给水、排水、电力、电信、燃气等多种管线及其附属设施，是城市的血脉和神经。
地下管线信息化是
充分利用地理信息技术，采集、管理、更新、维护地下管线数据，开发利用地下管线信息资源，促进地下管线信息交流与资源共享，并推动地下管线信息在城市运维中发挥重要作用的过程，它是推动城市现代化建设与管理的重要技术手段之一＼[12＼]。
随着城市管线建设快速发展，二维地下管线信息已经不能够很好地满足需求。
特别是在城市大规模建设并利用城市地下空间的背景下，建设了大量与地下管线相关的地下建筑物，这些地下建筑物中出现了管线共沟、多空管道、一井多盖，以及垂直管道等大量地下管线设备交叠的空间投影信息重叠现象，这些现象二维地下管线信息难以完整表达＼[12＼]。
此外，二维地下管线图具有很强的专业技术特征，不能满足城市发展进程中普通人员对地下管线数据直观显示日益强烈的需求。
因此，有必要将地下管线数据的表示方法在二维的基础上扩展到三维。
三维地下管线信息能够更加直观地展示隐蔽于地面之下的、不可见的管线要素的空间分布、空间结构及空间关系，并与周围地面建筑物匹配显示，使城市管理者及非专业用户都能够更好地浏览、查询并使用地下管线信息，是未来城市地下管线信息化工作的发展方向之一。
目前，针对地下管线三维可视化的研究与应用还比较少，本文构建了地下管线空间数据模型，实现了地下管线三维可视化，并在此基础上搭建管线专用系统开发框架。
1地下管线空间数据结构
地下管线概念层数据模型
为表达地下管线实体及其相互间的联系，在对地下管线特征充分认识、完整抽象的基础上＼[3＼]，依照业内普遍使用的地下管线数据标准，构建地下管线概念层数据模型，如图1所示。
地下管线数据模型是描述数据概念的集合，包括空间数据、属性数据、数据关系及完整性约束条件等概念。
地下管线组织层数据模型
将城市地下管线分为给水、排水、电力、电信、热力、燃气、工业、地下空间设施八大类。
每个大类还可分为小类，如给水管线包括上水、循环水、消防、绿化。
电信管线包括市话、长途、有线电视、宽带等小类＼[12＼]。
地下管线空间信息的几何特征简单，连通性强。
地下管线空间信息几何特征只有呈点状分布的管井和呈线状分布的管线。
地下管线虽然种类较多，但其空间结构基本一致，一般都由管线点、管线段及其附属设施构成，在GIS中均可用点和线进行描述。
从几何角度可以把这些对象分为点、线对象两类，按空间维数分为零维对象（如三通、四通、阀门等），一维对象（如给水管线、燃气管线），可以将上述实体分别设计为不同的对象类。
管井点位信息主要包括管井平面位置、高程、各种构筑物等。
管线线段信息主要包括管径、起止管点号、起止高程、管材、结构类型等。
图1地下管线ER模型
与城市地下管线的八大类相对应，地下管线数据库也可分为8个子库：给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业、地下空间设施。
每个子库包括多个数据层：管井点、管线线段、小室、管线辅助线等。
其中主要数据层为管井点和管线线段，数据结构如表1和表2所示。
2地下管线数据建库及可视化
空间数据库引擎
配置ArcSDE空间数据库引擎，可将复杂的空间数据作为对象放在RDBMS中＼[4＼]，并提供管理和检索数据的方法，以实现对海量数据进行松散存储，并支持多用户并发操作＼[5＼]。
ArcSDE空间数据库引擎＼[6＼]在关系数据库（如IBM
DB2、Oracle、SQL Server等）的基础上增加了处理空间数据的能力。
ArcSDE空间数据库引擎为RDBMS提供了GIS数据类型（如点、线、多边形、以及这些feature之间的拓扑关系和投影坐标等相关信息），并提供了对这些基础类型的操作。
管线数据建库及可视化
本文采用Xian_1980_GK_Zone_20作为投影坐标系，WGS 1984作为高程坐标系在ArcGIS中构建要素数据集，每个要素数据集对应一类地下管线。
再在要素数据集中创建要素类＼[7＼]，如要素类water_supply_pipe_line对应给水管线线段，
fuel_gas_famen对应燃气阀门，fuel_gas_tiaoyaqi对应燃气调压器。
这些要素类会映射为RDBMS数据库中的关系表。
依据各类地下管网的拓扑规则，为各要素类添加数据。
如下为添加一行燃气管线线段对象的sql语句。
INSERT INTO fuel_gas_pipe_line（OBJECTID，SHAPE，PipeLineType，PipeRadius，Pressure）VALUES（1，geometry：：STGeomFromText（'LINESTRING（-140 60 -10，-160 40 -10）'，2334），'供电'，80，'高'）；
对RDBMS数据库中关系表进行的所有操作，都将映射在其空间图形上。
地下管线三维可视化如图2所示。
图2地下管线三维可视化
3系统应用开发及可视化
系统功能设计
地下管线专用系统以实现城市地下管线数据动态管理和信息应用为目标，科学分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需的信息。
该系统主要功能包括管线信息录入、编辑更新、管线信息可视化选择与查询、图形与属性双向查询、统计分析、空间分析、辅助规划、数据输出等，如图3所示。
系统开发环境
采用SQL Server数据库管理系统，结合ArcSDE，统一管理空间数据和属性数据，实现数据高效管理和存储优化＼[8＼]。
在Visual Studio .NET 开发环境中嵌入ArcGIS Engine组件＼[910＼]，采用C#作为系统开发语言，利用COM技术构建地下管线专用系统。
应用功能实现
交互式录入管线数据，其中管线种类应选择管线小类，如上水、循环水、消防、绿化等；坐标范围应作限定，若输入坐标超限，系统应提示错误，必须重新录入。
图3地下管线专用系统功能结构
地下管线数据具有很强的现势性，伴随时间的推移，必然有管线的变更、新增、废除等事件不断发生，这些事件会引起管线实体空间或属性数据的变化。
可对已有管线的属性和空间数据进行编辑更新（见图4），可利用鼠标在相应管线图层中手工绘制新的要素并精确定位，也可删除、移动选中的图形对象，所做的编辑更新会在数据库中同步更新（见图5）。
4结语
本文构建了地下管线空间数据模型，利用空间数据库引擎技术基于ArcGIS实现了管线数据建库及三维可视化，实现了地下管线专用系统基础功能，为后期空间分析、开挖计算、干涉检测、决策支持等高级功能的扩展奠定了基础。
由于尚处于研究阶段，一方面还没有一个较为完善的地下管线专用系统，需结合前期实践，进一步研究针对管线数据的空间分析和数据挖
掘，这将是本系统进一步研究的重点；另一方面地下管线三维数据集包括地上基础数据和地下专题数据两部分数据，为增强可视化效果，应在专题数据的基本上添加基础数据，如地面建筑物模型、道路及其附属设施等模型。
参考文献参考文献：
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责任编辑（责任编辑：孙娟）。
