基于Web GIS的市政管线三维数字管理平台设计与实现

周治祥

浙江华东测绘地理信息有限公司 浙江 杭州 310016

一、引言

城市的地下管网线是城市运作的重要基础设施,堪称城市的“生命线”[1]。随着我国城市信息化的高速发展,城市地下管网面临的难题也越来越多。在我国早期的城市化建设过程中,对地下管网的重视程度不够,导致地下管网雨水和污水错接、混接情况时有发生,导致水污染情况严重。近年来,各大、中、小城市都在城市管理、市政基础设施管理、城市安全管理等日常事务下,越来越重视地下综合管网的排查、治理[2]。随着云计算技术、大数据技术、空间数据库技术、导航、遥感技术的飞速发展,地理信息技术的发展和应用已经进入一个崭新的时代。人工智能、大数据、移动端等新兴技术亦广泛应用在城市地下综合管网的生产、更新、管理和应用中,极大地推动智慧地下管网的落地和实现,管线已经进入了智慧管网时代[2]。

在这样的背景下,“市政管线三维数字管理平台”应运而生,该平台集成了地面实景三维、地下管线三维、管线缺陷标识等功能,地面实景三维数据是通过无人机现场作业,采集并制作三维成果,形成符合人眼视觉的真实直观世界,一比一还原现实场景,实景三维模型不仅可以形象生动的展示周边环境,也为三维场景内其他数据提供依附信息,更直观、准确的管理、展示市政管线排查工作的成果。

二、系统设计

1.总体架构设计。本平台体系结构采用了标准三层结构,由数据层、逻辑层和表现层组成,如图1所示。

1)数据层：数据层是平台的数据支撑,用于数据的存储、管理。该平台数据层由空间数据库与属性数据库构成,为平台提供空间数据以及元数据服务。本平台采用Mysql关系型数据库,实现系统各类元数据、地形、管线等数据的存储和管理。

2)逻辑层：该层也称为应用组件层,是数据层和服务层之间的连接,通过构建与系统各功能相关服务,对平台的业务逻辑进行处理,为应用层提供服务支撑。平台采用Skyline接口,实现系统业务逻辑,如管线模型管理、存储、读取、修改、更新等等。

3)应用层：该层作为平台的功能实现层,面向用户需求,提供管线模型管理、管线缺陷管理等应用模块。

图1 系统架构图

2.系统功能设计。本文将平台按照功能模块化原则进行设计和划分,并根据用户的业务需求,将平台功能划分为5个模块,如图2所示：

图2 系统功能模块图

三、系统关键技术

1、三维建模技术。三维建模技术能够直观展现三维空间的具体信息,在数字城市建模中发挥着重要作用[3]。首先,构建物体的三维模型,可以直观、平面、真实、清晰地反映数字城市的具体情况;其次,能够基于二维数据进行重构,将三维视场完美地融入到城市的地理信息建设中;并且,该技术能够有效提高数字城市的数据维护效率,加强用户的体验感,为城市的发展提供便利[4]。

无人机倾斜摄影测量三维建模主要是通过倾斜摄影获取的多角度的影像数据,通过自动化建模软件,生产三维模型。其整个生产作业流程如图3所示。

图3 实景三维建模流程图

2、Web GIS技术。Web GIS,即Web浏览器上的GIS系统,支持用户在浏览器上进行GIS数据处理操作、数据检索、空间分析、可视化展示等[5]。Web GIS使得以前在GIS软件中才能实现的功能可以在浏览器端实现。

Web GIS体系采用B/S架构,如图4所示,该体系主要由空间数据库、Web GIS服务器和客户端组成。该体系运行过程如下：用户首先通过界面操作向服务端发起请求,该请求通过HTTP协议被转移到Web GIS服务器,并在服务器中分析该操作请求,并执行请求,执行请求时根据需求访问相应的空间数据库。最后,服务器将分析结果通过HTTP响应返回到客户端[6]。相较于C/S端的GIS软件,基于Web GIS的平台无需安装任何软件,具有分布性强、维护方便、开发简单且共享性强的优势。因此本平台采用B/S框架进行平台搭建。

图4 Web GIS体系架构

3、Skyline。Skyline系列软件是基于地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和虚拟现实技术的三维可视化地理信息系统。Skyline能够利用矢量数据、遥感影像数据、数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、3D模型和非空间属性数据等数据源,创建可视化、交互式的三维场景[8];能够快速地创建、浏览、处理、编辑和分析真实的大范围的地表三维景观,支持大型数据库对数据进行读取存储和管理,内嵌了实时信息通讯技术,面对海量数据仍可保持高速流畅的操作。

Skyline Globe6的框架图如图5所示：

图5 Skyline Globe框架图

Skyline软件开发采用的是面向对象编程方法,使用的是基于COM 组件的开发技术。使用的编程环境.NET,以及本语言Java Script和Vbscript包含于HTML中,共同实现其系统功能。Skyline的二次开发文档提供了许多的API接口,这便于编程人员很方便地使用其接口实现所需的功能,而不必知道接口函数封装实现功能的过程。利用这些接口的组合就足以满足普通功能的实现。

四、系统功能实现

本文的研究区域为安徽省芜湖市,芜湖市位于安徽省东南部,地处长江中下游,城市污水系统以长江为界,分为江北和江南片区,其中江南片区包括朱家桥污水处理系统等7个污水系统,江北片区包括沈巷污水系统等3个污水系统,共计10个污水处理系统,以及10座污水处理厂和若干提成泵站。

“地下管线三维展示与查询”模块主要面对城市级的海量管道数据,平台提供了成果统一展示与管理,同时也提供了丰富的查询模式,大幅提升数据交互的便利性,平台支持点击查询,所见即所得,可以设定条件查询,按用户要求提供成果,可以按任意区域查询,满足范围数据摸底,也可以提供各类剖面、开挖查询,为工程施工提供辅助。

图6 地面实景三维

“管线缺陷标识”模块主要提供了管线检测的缺陷标识功能,实现了缺陷统计、缺陷分类、缺陷现场照片以及视频查看。截至目前,芜湖市共完成1728.1公里检测,发现了1371个混接点,31058处缺陷,不仅体检与清扫了芜湖市血管系统,更是创建了排水系统的缺陷库,实现了缺陷与管段的地理位置的准确匹配 数据的共享与访问,依托信息化平台,用户可以随时随地调取、查阅相关信息,为后续的设计、施工、运维提供了辅助决策。

图7 地下三维管线模型

图8 缺陷统计与查看界面

五、结语

在城市数字化稳健发展的今天,对市政排水管网的排查工作进行有效、准确的管理与发布是城市数字化、科学化的必然趋势。本文基于B/S架构,采用三维GIS技术,实现了市政排水管线的信息化管理。采用Skyline作为基础平台,开发了一套功能使用的管线三维数据管理平台,为管线排查、规划等工作提供了可靠的技术支撑。