三維GIS助力地下管線管理

1、三維GIS助力地下管線管理地下管線管理發(fā)展遲滯我國(guó)城市地下管線信息化建設(shè)發(fā)展的比較晚，落后的管理手段使得對(duì)城市地下管線的管理粗放而無(wú)力。我國(guó)地下管線信息化發(fā)展歷程大致可以分為三個(gè)發(fā)展階段：圖紙檔案階段、二維信息化階段、三維信息化階段第一階段：圖紙檔案階段上世紀(jì)90年代中期以前，很多城市內(nèi)部各類專業(yè)管線的資料還都是老的建設(shè)圖紙，先進(jìn)點(diǎn)兒的會(huì)有CAD電子圖紙和紙質(zhì)材料，這些材料都在大大的資料室中厚重的堆積著，保管起來(lái)繁瑣，附近歷史資料查找起來(lái)不便，管理員一旦換崗交接很可能就會(huì)造成資料再也找不到的現(xiàn)象。部分單位嘗試采用計(jì)算機(jī)機(jī)助成圖方法來(lái)管理地下管線資料，仍不能擺脫傳統(tǒng)檔案資料管理模式。第二階段：二

2、維信息化階段上世紀(jì)90年代后期至2005年，城市地下管線種類增加，規(guī)模擴(kuò)大，承擔(dān)的功能越來(lái)越復(fù)雜，在城市規(guī)劃、建設(shè)與管理方面的作用日益明顯。地下管線資料的不全、不準(zhǔn)、不現(xiàn)勢(shì)和不一致問(wèn)題日漸突出。傳統(tǒng)的管線信息的載錄、傳導(dǎo)方式、應(yīng)用及分析技術(shù)，已經(jīng)滿足不了城市地下管線的管理和規(guī)劃的科學(xué)化、現(xiàn)代化的需要。城市地下管線信息化的目標(biāo)由最初的編繪綜合地下管線圖逐步過(guò)渡到建立城市綜合地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)。城市地下管線普查工作也逐步走向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化。各種形式和各種規(guī)模的二維地下管線信息系統(tǒng)相繼啟動(dòng)。管線信息系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，極大地改善了人們管理大規(guī)模地下空間數(shù)據(jù)的能力，成為城市管線管理、規(guī)劃管理和輔助決

3、策的重要工具。第二階段：三維信息化階段2005年至今，隨著管線管理應(yīng)用的不斷深入，城市地下管線隱蔽 ( 埋設(shè)在地下 ) 、復(fù)雜 ( 種類多，縱橫交錯(cuò)，密如蛛網(wǎng) ) 、動(dòng)態(tài) ( 城市建設(shè)不斷擴(kuò)大，新管線不斷增加，舊管線也不斷在更換或廢棄 ) 、信息量大的特點(diǎn)使簡(jiǎn)單的二維管線管理系統(tǒng)無(wú)法真實(shí)的反應(yīng)地下管線的空間特征信息，地下管線管理急需向三維管線管理進(jìn)行升級(jí)，在此過(guò)程中，受制于三維GIS顯示技術(shù)和維護(hù)成本等因素，限制了地下管線管理信息化的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：海量三維地下管線數(shù)據(jù)的加載和顯示效率低下；人工三維建模時(shí)間長(zhǎng)，人力和物力成本過(guò)高；三維模型數(shù)據(jù)的維護(hù)和更新過(guò)程復(fù)雜、系統(tǒng)維護(hù)代價(jià)大。

4、三維GIS快速崛起近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)豐富、三維技術(shù)發(fā)展成熟以及硬件支持能力提升，三維GIS以令人驚訝的速度發(fā)展起來(lái)并得到了各行業(yè)用戶的認(rèn)同。在城市規(guī)劃、綜合應(yīng)急、軍事仿真、虛擬旅游、智能交通、海洋資源管理、石油設(shè)施管理、無(wú)線通信基站選址、環(huán)保監(jiān)測(cè)、地下管線等領(lǐng)域備受青睞。在國(guó)外三維GIS產(chǎn)品搶占市場(chǎng)眼球的同時(shí)，國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的三維GIS平臺(tái)，如我公司自主研發(fā)的EV-Globe、適普軟件有限公司的IMAGIS，靈圖軟件技術(shù)有限公司的VRMap等。在國(guó)外三維GIS廠商占有市場(chǎng)先機(jī)的情形下，國(guó)內(nèi)三維GIS廠商異軍突起，并擁有了令人驚喜的表現(xiàn)。北京國(guó)遙新天地信息技術(shù)有限公司的EV-Glob

5、e 軟件是國(guó)內(nèi)著名也是最成熟的三維地理信息系統(tǒng)軟件，被廣泛應(yīng)用在與地理位置相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。利用EV-Globe軟件，可以將城市管線的海量信息合理的組織起來(lái)，把現(xiàn)實(shí)世界中的對(duì)象的空間位置和相關(guān)屬性有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，避免了在施工規(guī)劃及建設(shè)過(guò)程中人工查閱大量信息，并且工作人員獲得到的信息也更加可靠和準(zhǔn)確。借助三維GIS平臺(tái)特有的空間分析功能和可視化表達(dá)、進(jìn)行各種輔助決策分析，滿足生產(chǎn)、科研、管理、決策等對(duì)空間信息的可視化需求，使規(guī)劃設(shè)計(jì)人員擺脫用彩筆與大圖紙進(jìn)行手工計(jì)算的規(guī)劃工作現(xiàn)狀，大大縮短規(guī)劃工作周期，進(jìn)一步提高規(guī)劃方案的準(zhǔn)確性、科學(xué)性。地下管線引入三維GIS基于城市地下管線管理現(xiàn)狀的概況和地下管

6、線的特點(diǎn)，借助三維GIS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，綜合管線信息系統(tǒng)基于三維GIS平臺(tái)，以城市地形圖為基礎(chǔ)，城市地下管線的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和圖象處理等技術(shù)，能快速提供真實(shí)準(zhǔn)確的地下管線信息，實(shí)現(xiàn)快速查詢、專業(yè)分析，為城市地下管線的日常管理、設(shè)計(jì)施工、分析統(tǒng)計(jì)、發(fā)展預(yù)測(cè)、規(guī)劃決策提供可靠依據(jù)。為城市地下管線的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供全面、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。三維綜合管線信息系統(tǒng)通過(guò)處理統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的的探測(cè)成果數(shù)據(jù)，建立高精度、可靠性的地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)，基于組件化參數(shù)自動(dòng)生成海量管線三維模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新。提供查詢、統(tǒng)計(jì)以及各種數(shù)據(jù)格式輸出功能，實(shí)現(xiàn)任意斷面分析、網(wǎng)絡(luò)分析，管線工程輔

7、助設(shè)計(jì)等具有空間決策支持和專家系統(tǒng)雛形的分析與設(shè)計(jì)功能。搭建公共數(shù)據(jù)交換服務(wù)平臺(tái)，在城市地下管線管理單位、各專業(yè)管線權(quán)屬單位、以及其他地下管線資料使用單位之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提供多層次、多元化的綜合管線基礎(chǔ)資料信息服務(wù)，推動(dòng)綜合地下管線現(xiàn)代化管理與應(yīng)用。EV-Globe三維平臺(tái)解決了長(zhǎng)期限制三維地下管線管理發(fā)展的技術(shù)性難題，形成了成熟的城市地下管網(wǎng)專業(yè)三維平臺(tái)。平臺(tái)主要包括海量管線數(shù)據(jù)三維可視化、三維參數(shù)化組件自動(dòng)建模、三維模型數(shù)據(jù)自動(dòng)更新和四維管網(wǎng)全生命周期管理四個(gè)專業(yè)引擎，共同構(gòu)建真實(shí)的三維場(chǎng)景。海量管線數(shù)據(jù)三維可視化地下空間廣闊，地下三維場(chǎng)景中存在復(fù)雜而密集的地下管線實(shí)體模型，中心城區(qū)地下

8、管線三維模型就存在幾千萬(wàn)個(gè)三角面需要渲染；另外，地下管線的瀏覽也存在著基準(zhǔn)面不確定和相機(jī)控制等一系列難題。為此，平臺(tái)研發(fā)了針對(duì)地下管線的三維可視化引擎，解決上述問(wèn)題。在解決地下管線模型數(shù)據(jù)量大、運(yùn)行效率低下方面，平臺(tái)借鑒了當(dāng)前最高效的地形動(dòng)態(tài)渲染技術(shù)和金字塔模型，將地下管線數(shù)據(jù)按照四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)分級(jí)、分塊，動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)，應(yīng)用高級(jí)幾何實(shí)例（GeometryInstance）渲染方法，充分開(kāi)發(fā)GPU的硬件加速能力，最大限度的利用顯卡達(dá)到高效渲染的目的。海量管線數(shù)據(jù)三維可視化引擎適應(yīng)了廣域、高密度的地下管線現(xiàn)狀，能夠高效運(yùn)行。依據(jù)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)思路，引擎可以加載全球范圍內(nèi)高密度管線三維模型運(yùn)行，每秒50幀

9、以上。三維參數(shù)化組件自動(dòng)建模針對(duì)手工建模時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、成本過(guò)高等問(wèn)題，平臺(tái)提供三維參數(shù)化組件建模引擎，依據(jù)組件的具體參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，在顯示海量三維管線數(shù)據(jù)的同時(shí)，注重細(xì)節(jié)與視覺(jué)美觀的展現(xiàn)，使顯示效果逼真。包括自動(dòng)生成多種角度的三通，四通，多通等彎頭。 自動(dòng)關(guān)聯(lián)顯示管線附屬物模型（包括多種井類附屬物，路燈，消防栓，變壓器，閥門(mén)等等），通過(guò)自動(dòng)吸附算法，將井蓋，路燈的附屬物模型自動(dòng)與地面高度一致，還可以應(yīng)用井蓋透明的效果查看當(dāng)前井中管線的情況。提供標(biāo)準(zhǔn)色顯示和紋理顯示兩種顯示模式，提升管線的三維顯示效果。三維模型數(shù)據(jù)自動(dòng)更新隨著城市的發(fā)展，管線數(shù)據(jù)更新頻繁，數(shù)據(jù)維護(hù)過(guò)程復(fù)雜繁瑣。平臺(tái)從管線工程數(shù)據(jù)入

10、庫(kù)更新到組件模型數(shù)據(jù)生成，再到客戶端自動(dòng)下載更新、建模和組件組裝設(shè)計(jì)了整套的動(dòng)態(tài)管理機(jī)制，無(wú)需人工參與即可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景與數(shù)據(jù)庫(kù)的同步。四維管網(wǎng)全生命周期管理在以往地理信息系統(tǒng)中，我們都使用傳統(tǒng)的空間位置模型來(lái)記錄空間實(shí)體對(duì)象。三維GIS在地下管線管理中的應(yīng)用，推進(jìn)了四維管網(wǎng)全生命周期管理。對(duì)于地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)處在高頻更新?tīng)顟B(tài)，管網(wǎng)在不斷埋設(shè)、改線、廢棄。如果使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型來(lái)記錄地下管線，只能夠展現(xiàn)最后更新的管網(wǎng)狀態(tài)，變化過(guò)程無(wú)法記錄，更不能看到管線修改前的狀態(tài)或者區(qū)域管網(wǎng)的歷史場(chǎng)景進(jìn)行追蹤還原。為了能夠解決上述問(wèn)題，對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行深入而全面的管理，平臺(tái)設(shè)計(jì)了時(shí)空一體的四維度管網(wǎng)數(shù)據(jù)模

11、型，如下圖所示：真實(shí)的三維場(chǎng)景建立一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，除了相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)的展示和加載，還要對(duì)整個(gè)三維場(chǎng)景進(jìn)行管理。加載高清影像，DEM數(shù)據(jù)，同時(shí)加載高精度仿真三維模型和模擬真實(shí)的場(chǎng)景效果。三維地下管線典型應(yīng)用近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多地區(qū)開(kāi)始不滿足于地下管線的二維或者局部三維的展示和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大場(chǎng)景三維地下管線管理，以其直觀、高效和功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，顯著提升了城市地下管線的管理水平。我公司自主研發(fā)的三維地下管網(wǎng)專業(yè)平臺(tái)在天津、甘肅、山東等地進(jìn)行了良好應(yīng)用。天津地下空間信息綜合管理系統(tǒng)在天津?qū)嵤┑牡叵驴臻g信息綜合管理系統(tǒng)項(xiàng)目要求對(duì)天津市城區(qū)內(nèi)所有地下管線進(jìn)行三維統(tǒng)一管理，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量非常龐大、數(shù)據(jù)更新特別

12、頻繁。針對(duì)該項(xiàng)目特點(diǎn)，公司進(jìn)行了三維底層的研發(fā)支持，構(gòu)建了地下空間行業(yè)三維引擎，搭建了天津地下空間信息綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下管線、地下室、地鐵和地質(zhì)等海量地下空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理，基于工程數(shù)據(jù)的管線和地下建構(gòu)筑物三維自動(dòng)建模、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，海量地下空間數(shù)據(jù)的高效渲染(天津近三萬(wàn)公里地下管線)，功能強(qiáng)大的專業(yè)查詢、統(tǒng)計(jì)、空間分析和輔助規(guī)劃，開(kāi)拓性的四維空間管理，為政府宏觀決策提供準(zhǔn)確詳實(shí)的數(shù)據(jù)，為地下空間規(guī)劃管理和城市建設(shè)提供信息服務(wù)和決策支持。甘肅三維管網(wǎng)綜合信息平臺(tái)甘肅某地的三維管網(wǎng)綜合信息平臺(tái)支持對(duì)地下管線、地上輸配線路，地下掩體和地上各類建筑等空間數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景展示和動(dòng)態(tài)管理，地上

13、地下一體化應(yīng)用。通過(guò)流程技術(shù)、無(wú)線傳感技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全面管理、流程控制、上下聯(lián)通、實(shí)時(shí)監(jiān)控，切實(shí)保障數(shù)據(jù)的持續(xù)更新和有效利用，對(duì)管線、施工、企業(yè)安全生產(chǎn)實(shí)施全生命周期、全局全方位、立體式的管理和監(jiān)控，幫助管線單位安全生產(chǎn)、增效節(jié)支，幫助相關(guān)部門(mén)協(xié)同高效地落實(shí)安全監(jiān)管。山東地下管線綜合管理信息系統(tǒng)在山東省臨沂市應(yīng)用的地下管線綜合管理信息系統(tǒng)，以三維GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，通過(guò)統(tǒng)一的管線探測(cè)工程，結(jié)合動(dòng)態(tài)更新管理機(jī)制，建成管網(wǎng)信息采集、監(jiān)控、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)為一體的綜合管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全市地下管網(wǎng)的數(shù)字化、精細(xì)化和智能化的管理，將地下管網(wǎng)信息由多家封閉管理的模式變?yōu)椤凹小薄ⅰ皡f(xié)同”、“智能”的創(chuàng)新管理局面。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與數(shù)字化城市管理系統(tǒng)和施工現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和指揮系統(tǒng)、公用事業(yè)產(chǎn)品在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、市污水處理監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)、頁(yè)巖磚廠煙塵廢氣監(jiān)