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    插件式三维地下管网管理系统研究与应用

    时间：2023-07-02 17:15:04来源：百花范文网本文已影响人

    王 华 朱雨芯

    (郑州轻工业大学计算机与通信工程学院 河南 郑州 450002)

    地下管线是保障城镇生产、生活等活动的重要“生命线”，随着城市现代化进程的推进，管网基础设施建设规模逐步扩大至整个建成区范围，给相关主管部门的管理工作带来巨大挑战。近些年燃气管道泄漏、热力管道爆炸、路面塌陷等安全灾害事故频发[1]，严重威胁人民生命财产安全及城市生产生活秩序。因此国务院办公厅在2014年下发了《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，将管线普查、信息系统建设列为地方政府和主管单位的工作重点。随着3S与IT技术的发展，国内外学者从地下管网数据库构建、可视化技术、系统构建、空间决策分析等几个方面开展地下管网信息化建设研究[2-8]。传统的地下管网系统借助二维GIS技术进行管线数据的规范化处理，利用空间量算、网络分析等方法构建面向专业应用场景的决策分析模型，从而辅助城市管线的管理维护工作。三维GIS既可以在虚拟环境下对地下管网纵横交错的网络结构、走向等空间关系进行逼真地展示，又能够借助三维数据模型实现专业的三维管网空间分析功能，同时还可以借助地面参照物如建筑、道路等实体进行管线的精准定位，因此地上地下三维一体化技术也逐渐被应用于三维地下管网系统建设当中[9-10]。

    现有的系统研究虽然极大地提高了地下管网的信息化建设与管理水平，但在海量二三维空间数据的一体化管理、可视化、部门共享方面仍然存在一定不足[11-13]：(1) 缺少集成的数据质检功能，导致海量数据反复导入不同质检平台，数据入库及更新效率低下；
    (2) 大型三维场景建模技术流程复杂且成本高，现有三维引擎对管网加载和显示效率欠佳效果不佳；
    (3) 现有管网管理系统多为紧耦合结构，不宜进行空间决策分析功能扩展；
    (4) 缺少数据共享服务，多部门数据重复采集导致数据冗余且不一致。针对上述问题，本研究构建基于倾斜摄影的地上地下三维场景模型，设计基于规则库的管线数据质检方法，规范多部门之间的数据共享接口，在数据管理与空间决策分析模型紧密结合的要求下设计了本系统的空间数据库与功能结构，在插件式开发框架下实现了松散耦合式的通用性较强的三维地下综合管网管理系统，并以河南省西平县为例展示系统部分应用成果。

    1.1 系统架构

    本系统开发的基本目标在于为相关管理部门、不同数据使用部门提供一个相对开放、可扩展的软件平台，以提高智慧城市建设背景下的“生命管道”信息化管理水平。为满足上述不同类型用户的多层次需求，本研究在“数据层—业务层—应用层”三层框架基础之上采用“宿主-插件” 模式进行系统架构设计，可以划分为数据引擎、支撑类库、功能插件库、空间分析算子库、宿主程序、应用层6个构件(图1)。① 数据引擎：利用二维空间数据库引擎ArcSDE、三维引擎Skyline和属性数据引擎ADO.NET来实现地下管网、遥感影像、地上实物的海量空间、属性数据的一体化存储、管理和访问。② 支撑类库：包括系统实现所必需的核心组件库如.net framework、ArcEngine，以及为插件扩展开发所定义的基本工具接口、算子接口、数据服务接口等。③ 功能插件库：基于应用接口开发的一系列数据管理功能插件，主要实现管线数据的质检、入库、更新、查询、浏览等功能。④ 空间分析算子库：由相关系统应用人员或研究人员基于基本算子接口开发的一系列的管网排爆、拓扑、碰撞分析等算子，用于辅助面向不同种类管线的应急分析决策。⑤ 宿主平台：在插件式框架中，宿主平台是一个独立运行的exe程序，作为系统框架的运行入口，在本系统中主要负责识别、装载、销毁插件容器中的各类应用插件对象，给系统功能扩展提供开放式的基础功能接口，并利用多种可视化技术为用户提供主要的分析结果显示界面。⑥ 应用层：也即系统面向用户提供不同功能的人机交互UI。

    图1 系统架构

    1.2 系统功能设计

    本系统在图1所示架构下在系统应用层主要给用户提供如地下管网三维场景浏览、管网数据管理、空间决策分析、管线数据共享服务等功能。

    (1) 数据可视化：主要实现不同的地上、地下二三维场景展示方式。

    (2) 数据查询统计：包含管线信息的查询、统计、量算与标注等功能。

    (3) 空间分析决策：该模块主要实现断面分析、拓扑分析、爆管分析、碰撞分析、开挖分析等管线空间分析功能。

    (4) 数据接入：主要实现管线数据的质检、动态入库、更新等功能。

    (5) 数据共享：主要实现多部门之间管线数据的封装、发布、安全认证、共享等功能。

    (6) 系统功能：主要包括系统用户管理、系统设置、系统在线帮助等功能。

    1.3 数据库设计

    基于本文二三维一体化综合管网管理系统功能需求，将本系统数据库划分为以下几个子库：(1) 基础管线数据子库，本系统的主体数据，主要包括给水、排水、燃气、热力、电力、电信、广播电视、工业8类管线的普查信息，利用Featureclass实现对不同类型管线空间数据的编码分层管理，管线属性信息可以按照管线段、管线点、管沟边线段端点等进行分表存储，主要通过管线子类码、物探点号来实现不同空间、属性数据之间的关联。(2) 基础地理信息数据子库，该子库主要包括管线普查区的行政区划、道路、水系、企业、医院、机关单位等数据，均按照《基础地理信息要素与代码》规范进行要素编码。(3) 附属构筑物数据子库，该库主要存储与管线紧密相关的地上地下构筑物信息，包括管道井盖、消防栓、电线杆、路灯、变电站等各类实物的空间位置、尺寸、材质、主管部门等相关数据。(4) 栅格影像数据子库，主要包括区域倾斜摄影遥感数据、高程数据、地形地貌影像数据，主要用于辅助区域三维场景模型构建及展示。(5) 三维场景模型数据子库，主要包括普查区全域倾斜摄影三维场景数据，以及管线、管点、附属设施、地上建筑物等需要进行三维展示的实体要素符号模型、颜色、纹理等信息。(6) 空间数据共享服务子库，用于存储不同部门之间的数据共享标准、安全认证信息以及地图数据服务元数据等。(7) 系统管理子库，包括用户角色、权限、角色-菜单映射关系以及数据更新、交互、共享业务等数据。

    2.1 基于规则库的管网数据质检

    本系统采用基于规则库的质检模型来对实现对入库管线数据的结构、精度、逻辑关系、拓扑关系的检查[14]，以确保管线数据库的准确性与一致性，该模型的核心部件是质检规则的XML表达模型。XML是指一种结构化的可扩展标记语言，利用XML构建规则模板，定义三级标签：RuleClass、RuleContent，以及RuleDetails，其中RuleClass主要用于标记质检规则所属类别，如拓扑规则、逻辑规则、数据精度规则等；
    RuleContent用于标记质检规则的检查内容，比如空数据检查、管线叠置分析、要素命名等；
    RuleDetails则为更精细化的质检规则指标，可直接控制到字段级别，如管线表的连接方向、埋设类型是否满足字典表要求，并建立精细规则与执行算子的映射关系。

    在该规则模型支持下，设计了如图2所示的质检规则引擎执行流程：(1) 质检数据首先以Geodatabase模板形式输入到质检模块，同时系统根据输入数据库类型提供相应的规则模板。(2) 系统利用模板解析接口解析模板当中所涉及的具体规则模型。(3) 利用规则解析接口对XML模型进行分解并提取精细化规则，根据映射关系调用相关运行算子接口，进行数据正确性检验。(4) 将质检结果生成报告，系统判断如果数据合法则由相关算子执行入库操作，否则返回给用户，根据质检报告进行修改，重新提交。

    图2 管线数据质检规则引擎执行流程

    2.2 基于倾斜摄影的地下管网集成三维场景构建

    基于倾斜摄影的三维场景模型既能够为三维管线展示提供较为真实的可视化城市场景，又能够提供基本的空间量测功能[15]。本研究通过以下技术流程建立地上地下管线三维集成展示场景(图3)：(1) 对原始数据经过多视角影像的几何校正、联合平差等处理流程，可运算生成基于影像的超高密度点云，进而构建 TIN 模型，并以此生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型。(2) 地下管网建模将管井、阀门、连通等附属设施归类为固定模型，利用3DS Max构建对应的三维模型，线状类的管线、管道作为动态模型，根据普查数据获取其长度、埋深、纹理等信息，并基于要素颜色对照表、要素纹理对照表，利用顾及多细节层次(LOD)的实时可视化算法对其进行动态三维渲染。(3) 将与地下管线管理相关的主要道路、建筑物、附属设施进行分类精细建模，基于相关的物矢量数据进行形状参数采集，并进行多角度纹理采集，以3D Max为建模平台，实现具体地物精细模型的构建与纹理贴图，并采用分组分类存储管理。上述3种三维模型在统一的坐标系统下，基于模型自身的相关地形信息、位置信息，形成了面向综合管网管理的地上地下一体化三维场景。

    图3 地上地下管网三维集成建模流程

    2.3 基于插件的管网空间分析模型扩展架构

    地下管网管理系统的核心空间分析决策模块面向不同应用场景应该是可开放的、易扩展的，本系统在Visual studio开发平台中利用.net框架的程序集反射机制实现拓扑分析、爆管分析、碰撞分析等各功能插件的识别、初始化、装载、执行，通过插件形式在统一契约框架下与宿主程序交互(见图1)。

    本系统的管网空间分析插件主要通过实现宿主程序公开的IPlugin、IDisplay、ILogic和IData 4类接口来实现插件信息解析、结果可视化、逻辑计算、数据接口等功能，具体结构可见图4。IPlugin接口包括插件名称、插件ID号、插件版本、插件功能描述等信息，宿主基于上述信息对插件进行动态装载；
    功能插件被宿主程序正确识别后调用IDisplay接口来实现插件窗体UI布局等信息的配置与可视化；
    IData接口可以用于检查数据对象完整性、精确性的检查，并从指定数据库中获取对应的数据集合提供给插件对象；
    最后利用ILogic接口调用相关数据处理分析算子，实现本插件的空间分析功能，并继续调用IDisplay接口的相关方法结合宿主程序展示分析结果。基于该结构实现的空间分析插件是公开可继承的，不同部门业务需求者可通过公开接口的继承来实现特定功能插件的开发，从而满足了地下管网空间分析模型的灵活扩展需求[16]。

    图4 空间分析插件模型

    2.4 基于Web Service的管网多源异构数据共享结构

    地下管网普查数据及其相关辅助数据获取成本高、更新快，不同部门之间可通过GIS Web Service来实现空间数据共享，解决海量数据无法复用、冗余度大等问题[17]。设置中心数据节点以及一般数据节点，分别用于存储管理地下管网主要数据以及一般的专业管线数据，本文设计了图5所示的共享技术方案来实现综合管线与专业管线数据的分布式共享交换。

    图5 管网数据共享子系统结构

    地下管网数据共享的前提是将各数据节点的主要管网数据等按照统一的坐标系、数据标准(《管线信息系统建设技术规范》、CH/T 1036—2015《管线要素分类代码与符号表达》)进行转换,并遵循统一的GML数据交换标准。其次根据共享用户需求以及数据应用场景在OGC框架下分别制定数据服务发布的策略，例如：针对管线矢量数据一般可利用ArcGIS Server发布为地图要素服务(WFS)、地图处理服务(WPS)，为其他用户提供管网数据编辑、更新以及空间量算分析等专题应用；
    高清影像和地形等栅格数据采用ArcGIS Server发布为地图覆盖服务(WCS)，可提供区域插值分析和空间建模等空间分析服务，如果发布为Web Map Service(WMS)服务，还可以为其他部门用户提供专题图的基础地底图服务；
    倾斜摄影三维城市模型、管网三维模型等数据一般只用于浏览、展示，因此利用Terra Gate将其封装发布为一般地图服务，其他用户可直接通过Rest接口调用；
    管线的基本属性数据也可以被发布为普通的Web Service 服务，为其他部门用户提供管线数据的统计分析应用。在管线数据服务发布、共享过程中，对各种类型的地图服务采用成熟的Token加密机制以及角色权限控制模型RBAC来保证管线数据的安全问题；
    数据使用部门用户通过三维地下管网数据共享子系统向GIS分布式服务器发送服务请求，在通过安全认证机制验证后可实现多类管线数据的安全共享使用。

    本研究以Visual studio开发平台作为本系统的插件式框架开发平台，使用了C#开发语言。首先利用VS平台的AppDomain定义宿主程序，借助RemoteLoader类实现不同功能插件通信的跨域访问器；
    其次定义标准插件接口Iplugin，各类功能插件基于ArcGIS Engine和Skyline的二次开发组件实现该接口，并生成对应的DLL，按功能类型存放至不同的插件目录；
    最后主程序运行时根据接口名利用反射对插件目录的DLL进行加载，使用插件接口定义的方法。再通过对上述关键技术的设计与实现，最终实现了本文的二三维地下综合管网管理系统。

    以河南省西平县为应用案例，检验本系统设计与实现的合理性和先进性。西平县于2017年开始开展地下管线普查工作，普查面积15平方千米，针对城区给水、排水、燃气、电力、通信等各类管线，探测综合管网长度1 252.139余千米，管线点数55 374个，基于倾斜摄影影像数据构建了西平县三维模型，总数据大小约为6.8 GB。通过本系统集成的管网数据质检模块完成对西平县数据质量的检验，构建全县二三维一体化地下综合管网数据库，系统的主要功能实现界面如图6-图11所示。

    图6 地上倾斜摄影三维场景

    图7 地下三维管线场景

    图8 点性质查询

    图9 管线材质查询

    图10 3D面积的测量

    图11 管径分段统计

    图6显示的是西平县城市三维场景模型，用户可通过地上地下浏览模型切换，查看地下三维管线场景，实现地上地下三维场景一体化展示，在不同比例尺下平均响应速度低于1.5秒(图7)。系统为用户不仅提供通用的空间、属性查询方法，还提供针对管点、管径、材质、地址等专题信息的查询统计手段。图8为管线点属性查询，用户可通过指定管点性质与空间范围查询符合条件的管点信息。图9为管线材质查询功能，根据材质类型与空间范围查找特定管线信息。系统提供二三维的空间量算功能，包括水平测量、空间测量、高度测量、面积测量、3D面积测量等，图10显示的是基于三维场景的空间3D面积量算功能。系统提供丰富的分段和分类统计功能，如管径分段统计、埋深分段统计、点性质分类汇总、管径分类汇总、材质分类汇总等，图11展示的是根据管线类型、空间属性范围进行选定管线的汇总信息统计。

    系统在三维场景可视化支持下提供强大的管网空间分析应用，包括净距分析、断面分析、区域分析、拓扑分析以及开挖分析等功能，图12-图15分别为管网碰撞分析、缓冲分析、爆管分析、自定义开挖分析功能的实现界面。

    图12 碰撞分析

    图13 缓冲分析

    图14 爆管分析

    图15 自定义开挖分析

    本文借助3S技术、计算机技术、互联网技术、虚拟现实技术整合研究了集成管网数据质检、管理、可视化、分析、共享等功能为一体的三维地下综合管网管理系统。集成了基于规则库的管网数据质检引擎，能够在统一平台下把严格监控管网数据质量，基于倾斜摄影的地下管网集成三维场景构建方案为用户决策分析提供了更为直观和高效的可视化视图，并且在插件式管网空间分析模型扩展架构支持下，系统为其他用户提供了更为开放的可定制决策分析平台，最后通过基于Web GIS Service的管网多源异构数据共享结构可实现多部门之间管网数据的安全共享，降低了数据重复采集所导致的资源浪费、冗余度高等问题。本系统成功地应用于河南省西平县管网信息化管理工作当中，能够为城市安全管理以及管线突发应急事件提供科学的辅助决策，显著提高智慧城市建设水平。后续研究将继续基于分布式用户的多情景业务需求进行系统的改进研究，提高系统及数据服务应用的广泛性。

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