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摘要：随着城市化进程的迅速发展，地下空间的利用，尤其是地下管線的规划管理，往往容易成为人们关注的盲点。为了准确、直观的表示城市地下管网信息，为城市改造和规划决策提供信息服务，急需建立综合地下管线三维信息系统。本文以芜湖市南陵县三维管线系统为例，研究了基于gis的城市综合地下管线三维信息系统的设计和实现。
关键词：三维 地下管线 GIS 管理系统 设计 芜湖
Abstract:With the vigorous development of the city,the use of underground space ,espaecially planning and management of underground pipeline,is easy to be a blind spot. In order to display city underground pipeline information accurately and visually, and provide information services for city renewal and planning, we need to construct the Urban Underground-integrated pipeline 3D information system .This paper take the Wuhu Nanling County 3D pipeline system as an example to study design and realizaition of urban underground-integrated pipeline 3D Information uystem based on GIS.
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1前言
城区地下管线有给水、排水(雨水、污水)、燃气、电信、电力、有线电视等管线，它们担负着传送信息或输送介质的工作，是城市的“地下生命线”。随着城市化进程的迅速发展，地下空间的利用，尤其是地下管线的规划管理，往往容易成为人们关注的盲点。通过建立起综合地下管线三维信息系统，让管理人员能够如现场般得观测管线情况，并且通过计算机自动分析，提出规划建议，并且对施工之后的情况进行模拟，从而降低了专业门槛，让操作人员能够更好的发挥本专业的专长的同时，让整个管线数据，管线系统真正的发挥作用。
2 系统建设目标
本系统综合应用虚拟现实技术、三维可视化及空间分析技术、GIS技术、数据库技术、网络技术等先进的信息技术手段，遵循实用方便、先进灵活、安全可靠以及高可扩展的原则，实现对城市地下管线综合信息数据的集中统一管理与服务，直观的展示城市地下管线开发利用现状，并借助空间分析功能，及时准确地为南陵城市规划、建设和管理提供全面、高质量服务的目的。
通过系统的建设，最终可以达到以下具体目标：
系统可以分为地上地下两种浏览模式。每种模式都实现了360度全方位浏览展示功能，同时系统中每一点都可以查询到其坐标（X\Y\Z）信息，并且可以查询管线的属性信息。
系统采用了先进的网络发布技术，建设成功后，不仅可以供管线管理部门参考，也可以供城管、规划、电信等政府和企事业单位同时使用。
借助于系统强大的空间分析能力、网络分析功能和其它各种模型分析功能，能方便地对管线施工进行模拟；能快速准确对管线运行的突发事故作紧急处理；能协助科学地进行地下管线的规划和辅助设计；
借助于系统强大的三维地形展示功能和数据库管理功能，可以方便地对基础地理信息、管线信息进行修改和更新。
3系统架构
系统将采用多层体系架构模式，采用组件技术实现基础模块的可复用性，实现系统的灵活性、开放性和可扩展性。
图3-1 系统总体框架设计
整个系统架构从逻辑上分为基础设施层、数据层、系统支撑层和应用层来组织。系统软件设计采用分层架构技术，以通用性、稳定性定层次，同一层次以功能划分包，以上层服务为导向，逐级设计，逐步细化系统组件的颗粒度。
4系统设计与实现
系统建设
系统的建设主要包括3个部分：管网数据维护子系统、三维管线分析子系统、运行维护管理子系统。本文将重点介绍三维管线分析子系统的功能设计。
管网数据维护子系统。对2维管线数据的管理，进行管线数据的监理和入库，以及后期的数据更新等维护功能。同时也提供2维管线分析和数据调用等功能，可以方便数据管理人员或者管线从业人员使用。
三维管线分析子系统。将所有的二维地下管网数据添加在三维场景中并生成三维管线模型，通过设置地表层是否透明，查看地下管线的分布情况，可以转换各类视角对地下管线的三维构造做全方位浏览。可以读取管线的属性，并以此为依据，进行管线数据的管理和分析，指导实际工作。
运行维护管理子系统。对系统进行管理和维护，保障整个系统能够为客户端应用访问提供安全、稳定的支撑。
三维管线分析子系统详细设计
三维管线分析子系统根据使用功能的性质区别主要分为几个大的部分：
1.数据监理和处理部分
地下管线位于路面以下，道路工程竣工后，二维管网数据检查非常不方便。但通过将二维管网数据直接导入三维系统，就能自动生成三维管线，如果数据有问题则三维管线就不能正确建立。因此在三位系统里可对管网数据库管线进行严密检查，看节点对接是否正确，从而检查修改二维数据。
（1）数据监理功能。
为了适应以后不同时期和不同业主单位的2维管线数据能够顺利的进行自动三维建模和数据入库，通过数据的监理功能对管线数据进行格式和属性的检查，以确定数据结构的准确性。通过检查，不正确的数据将以文本log的方式输出。
（2）管线自动建模功能。
检查合格的2维数据，通过进行坐标投影，数据转换等操作后，形成每种不同的管线线数据和管线点数据成为单独的一个shp文件，然后使用自动化三维建模工具直接生成三维管线和管件。
2.管线管理基本功能部分
（1）管线浏览。
可以通过地面和地下显示模式的切换，显示地下三维管线的真实埋设情况。并通过鼠标和键盘进行三维视点的选择和变化。
（2）属性查询和选择。
选择三维管线数据，可以读取管线数据的属性字段和属性内容。并且可根据这些属性内容进行反向的查询。使三维管线数据达到承载2维数据全部属性的要求。
3.管线的辅助分析功能部分
（1）管线间距分析及碰撞分析
芜湖市城市管线管理规定和国家管线标准，主要对地下管线的埋设间距进行了要求，通过间距分析功能，将会对全部范围内或者选定的范围内，不同的管线之间的埋设间距进行分析，对不符合规范要求的数据进行集中现实，并且形成报表。对目前已有管线存在的问题进行统计，可根据此统计结果进行野外核查，并且对于将来的管线改造工作提供辅助决策。
（2）管线纵横断面分析。
进行横断面及纵断面分析，并能够定义要标注的字段；包括道路断面分析：沿道路进行断面分析，能将道路及道路下的管线情况采用同一张断面图进行显示、分析，并具有三维展示形式。
（3）管线开挖分析
系统提供了一系列的管网编辑工具，可以将地面挖开，查看地下情况。执行任意形状的开挖分析，开挖对地下管线的影响情况，能够输出报表，可以计算开挖土石方量。
（4）其他管线分析功能
系统还提供了其他的管线分析功能，如管线连通分析、爆管分析等。
4.移动管线管理
在系统的设计中，预期在将来实现2维管线数据在移动设备上的显示和查询的功能，方便在实际施工中的使用。目前此部分功能还在升级过程中。
5.其他功能
系统提供了其他三维管线和三维地面场景的编辑，浏览，查询，创建等基本功能。
平台选择
三维平台在今年来获得了较大的发展，三维平台对大数据量的承载能力、稳定性和与2维GIS平台的融合能力，直接决定了整个三维管线系统的运行状况。已经选择和比较，我们选择了市场占有率较大、应用案例较多的Skyline三维地理信息可视化软件和ARCGIS系列软件平台做为基础的GIS平台。
5结语
根据以上的设计思路，芜湖市南陵县三维管线系统已于2012年6月开始建设实施，计划于2013年完成并正式投入使用。系统正式运行后，为城市建设提供了一双可以透视地下的“眼睛”,无论哪条道路的给水、雨水、污水、天然气等管道,都能在这里看得一清二楚。今后,新工程设计施工、管网维护管理等等工作都将以此为依据，从而可以为城市规划与管理提供可视化的决策手段，提高城市管理效率，实现城市的可持续发展。
参考文献：
[1] 崔新友,李东亮。 基于MapGIS-TDE的城市地下三维信息系统研究[J]。《科技信息》 ，2010
[2] 李清泉,严勇,杨必胜,花向红。地下管线的三维可视化研究[J]。武汉大学学报(信息科学版);2003年03期
[3] 张芳，朱合华，吴江斌。城市地下空间信息化研究综述[J]。地下空间，2006年
[4] 龚健雅等。当代地理信息技术{M]。北京:科学出版社，2004
[5]边馥苓。数字工程的原理与方法[M]。北京：测绘出版社，2006
[6]朱文军。数字城市三维模型的可视化技术[J]. 湖北民族学院学报（自然科学版），2005
[7]孙庆辉，赵军喜等。数字城市的三维景观系统构建[J]. 地球信息科学，2003
关键词：三维 地下管线 GIS 管理系统 设计 芜湖
Abstract:With the vigorous development of the city,the use of underground space ,espaecially planning and management of underground pipeline,is easy to be a blind spot. In order to display city underground pipeline information accurately and visually, and provide information services for city renewal and planning, we need to construct the Urban Underground-integrated pipeline 3D information system .This paper take the Wuhu Nanling County 3D pipeline system as an example to study design and realizaition of urban underground-integrated pipeline 3D Information uystem based on GIS.
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1前言
城区地下管线有给水、排水(雨水、污水)、燃气、电信、电力、有线电视等管线，它们担负着传送信息或输送介质的工作，是城市的“地下生命线”。随着城市化进程的迅速发展，地下空间的利用，尤其是地下管线的规划管理，往往容易成为人们关注的盲点。通过建立起综合地下管线三维信息系统，让管理人员能够如现场般得观测管线情况，并且通过计算机自动分析，提出规划建议，并且对施工之后的情况进行模拟，从而降低了专业门槛，让操作人员能够更好的发挥本专业的专长的同时，让整个管线数据，管线系统真正的发挥作用。
2 系统建设目标
本系统综合应用虚拟现实技术、三维可视化及空间分析技术、GIS技术、数据库技术、网络技术等先进的信息技术手段，遵循实用方便、先进灵活、安全可靠以及高可扩展的原则，实现对城市地下管线综合信息数据的集中统一管理与服务，直观的展示城市地下管线开发利用现状，并借助空间分析功能，及时准确地为南陵城市规划、建设和管理提供全面、高质量服务的目的。
通过系统的建设，最终可以达到以下具体目标：
系统可以分为地上地下两种浏览模式。每种模式都实现了360度全方位浏览展示功能，同时系统中每一点都可以查询到其坐标（X\Y\Z）信息，并且可以查询管线的属性信息。
系统采用了先进的网络发布技术，建设成功后，不仅可以供管线管理部门参考，也可以供城管、规划、电信等政府和企事业单位同时使用。
借助于系统强大的空间分析能力、网络分析功能和其它各种模型分析功能，能方便地对管线施工进行模拟；能快速准确对管线运行的突发事故作紧急处理；能协助科学地进行地下管线的规划和辅助设计；
借助于系统强大的三维地形展示功能和数据库管理功能，可以方便地对基础地理信息、管线信息进行修改和更新。
3系统架构
系统将采用多层体系架构模式，采用组件技术实现基础模块的可复用性，实现系统的灵活性、开放性和可扩展性。
图3-1 系统总体框架设计
整个系统架构从逻辑上分为基础设施层、数据层、系统支撑层和应用层来组织。系统软件设计采用分层架构技术，以通用性、稳定性定层次，同一层次以功能划分包，以上层服务为导向，逐级设计，逐步细化系统组件的颗粒度。
4系统设计与实现
系统建设
系统的建设主要包括3个部分：管网数据维护子系统、三维管线分析子系统、运行维护管理子系统。本文将重点介绍三维管线分析子系统的功能设计。
管网数据维护子系统。对2维管线数据的管理，进行管线数据的监理和入库，以及后期的数据更新等维护功能。同时也提供2维管线分析和数据调用等功能，可以方便数据管理人员或者管线从业人员使用。
三维管线分析子系统。将所有的二维地下管网数据添加在三维场景中并生成三维管线模型，通过设置地表层是否透明，查看地下管线的分布情况，可以转换各类视角对地下管线的三维构造做全方位浏览。可以读取管线的属性，并以此为依据，进行管线数据的管理和分析，指导实际工作。
运行维护管理子系统。对系统进行管理和维护，保障整个系统能够为客户端应用访问提供安全、稳定的支撑。
三维管线分析子系统详细设计
三维管线分析子系统根据使用功能的性质区别主要分为几个大的部分：
1.数据监理和处理部分
地下管线位于路面以下，道路工程竣工后，二维管网数据检查非常不方便。但通过将二维管网数据直接导入三维系统，就能自动生成三维管线，如果数据有问题则三维管线就不能正确建立。因此在三位系统里可对管网数据库管线进行严密检查，看节点对接是否正确，从而检查修改二维数据。
（1）数据监理功能。
为了适应以后不同时期和不同业主单位的2维管线数据能够顺利的进行自动三维建模和数据入库，通过数据的监理功能对管线数据进行格式和属性的检查，以确定数据结构的准确性。通过检查，不正确的数据将以文本log的方式输出。
（2）管线自动建模功能。
检查合格的2维数据，通过进行坐标投影，数据转换等操作后，形成每种不同的管线线数据和管线点数据成为单独的一个shp文件，然后使用自动化三维建模工具直接生成三维管线和管件。
2.管线管理基本功能部分
（1）管线浏览。
可以通过地面和地下显示模式的切换，显示地下三维管线的真实埋设情况。并通过鼠标和键盘进行三维视点的选择和变化。
（2）属性查询和选择。
选择三维管线数据，可以读取管线数据的属性字段和属性内容。并且可根据这些属性内容进行反向的查询。使三维管线数据达到承载2维数据全部属性的要求。
3.管线的辅助分析功能部分
（1）管线间距分析及碰撞分析
芜湖市城市管线管理规定和国家管线标准，主要对地下管线的埋设间距进行了要求，通过间距分析功能，将会对全部范围内或者选定的范围内，不同的管线之间的埋设间距进行分析，对不符合规范要求的数据进行集中现实，并且形成报表。对目前已有管线存在的问题进行统计，可根据此统计结果进行野外核查，并且对于将来的管线改造工作提供辅助决策。
（2）管线纵横断面分析。
进行横断面及纵断面分析，并能够定义要标注的字段；包括道路断面分析：沿道路进行断面分析，能将道路及道路下的管线情况采用同一张断面图进行显示、分析，并具有三维展示形式。
（3）管线开挖分析
系统提供了一系列的管网编辑工具，可以将地面挖开，查看地下情况。执行任意形状的开挖分析，开挖对地下管线的影响情况，能够输出报表，可以计算开挖土石方量。
（4）其他管线分析功能
系统还提供了其他的管线分析功能，如管线连通分析、爆管分析等。
4.移动管线管理
在系统的设计中，预期在将来实现2维管线数据在移动设备上的显示和查询的功能，方便在实际施工中的使用。目前此部分功能还在升级过程中。
5.其他功能
系统提供了其他三维管线和三维地面场景的编辑，浏览，查询，创建等基本功能。
平台选择
三维平台在今年来获得了较大的发展，三维平台对大数据量的承载能力、稳定性和与2维GIS平台的融合能力，直接决定了整个三维管线系统的运行状况。已经选择和比较，我们选择了市场占有率较大、应用案例较多的Skyline三维地理信息可视化软件和ARCGIS系列软件平台做为基础的GIS平台。
5结语
根据以上的设计思路，芜湖市南陵县三维管线系统已于2012年6月开始建设实施，计划于2013年完成并正式投入使用。系统正式运行后，为城市建设提供了一双可以透视地下的“眼睛”,无论哪条道路的给水、雨水、污水、天然气等管道,都能在这里看得一清二楚。今后,新工程设计施工、管网维护管理等等工作都将以此为依据，从而可以为城市规划与管理提供可视化的决策手段，提高城市管理效率，实现城市的可持续发展。
参考文献：
[1] 崔新友,李东亮。 基于MapGIS-TDE的城市地下三维信息系统研究[J]。《科技信息》 ，2010
[2] 李清泉,严勇,杨必胜,花向红。地下管线的三维可视化研究[J]。武汉大学学报(信息科学版);2003年03期
[3] 张芳，朱合华，吴江斌。城市地下空间信息化研究综述[J]。地下空间，2006年
[4] 龚健雅等。当代地理信息技术{M]。北京:科学出版社，2004
[5]边馥苓。数字工程的原理与方法[M]。北京：测绘出版社，2006
[6]朱文军。数字城市三维模型的可视化技术[J]. 湖北民族学院学报（自然科学版），2005
[7]孙庆辉，赵军喜等。数字城市的三维景观系统构建[J]. 地球信息科学，2003