基于GIS的城市给水管网的二三维一体化系统

李海荣;彭凯

【摘 要】随着城市建设的快速发展,城市供水管线数量急剧增加,城市用水和自来水管网规模不断扩大,手工的管理模式和管理手段已无法满足城市的安全用水、优质服务的要求,更难以适应各种突发事故的应变处理需求.本文利用GIS的二三维一体化的优势,对给水管网进行可视化、查询和分析等操作,并将结果同时在两种视图中显示,二三维一体也可以相互弥补对方的缺点,使系统更完善. 【期刊名称】《北京测绘》 【年(卷),期】2015(000)006 【总页数】4页(P103-106)

【关键词】地理信息系统;给水管网;二三维一体化 【作 者】李海荣;彭凯

【作者单位】山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266000;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266000 【正文语种】中 文 【中图分类】P208 1 引言

由于城镇化进程的加快，各类地下管线的数量激增，以给水管网为例，城市用水和自来水管网规模不断扩大。城市供水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用

水变化随机性强，运行控制为多目标的网络系统［1］。传统的管理模式和手段已远远落后，对于各种突发事故更不能及时作出应对决策，从而造成资源浪费，给水管网的再施工给人们的生活和工作带来了很大的影响。

随着地理信息系统在当今社会的应用越来越广泛，结合给水管网所具有的空间特征，使得利用GIS手段来管理给水管网成为了一种既实用又智慧的方法。GIS能够管理并描述物体的空间信息与属性信息，具有强大的图形、图像及属性数据处理能力，并对信息提供采集、处理、管理、报表等功能，同时，它还具备强大的空间分析功能［2］，如缓冲区分析、爆管分析及网络分析等。

地理信息系统里的二维视图和三维视图都有各自的优缺点，二维数据不能够很好的表达出实际管线的布设情况；三维视图在表达出地下管网的布设、管线之间的空间位置关系和拓扑关系等方面强于二维视图，但二维视图在表达整体宏观性等方面较三维视图有优势，鉴于此我们开发了“基于GIS的城市给水管网的二三维一体化系统”充分结合了二三维可视化的优势，使得空间分析可以在二三维中同时进行，并且分析的结果可以同时在两种视图中显示。 2 数据库的创建 2.1 二维模型

城市给水管网工程数据库包括管网属性信息、地理信息、给水管网动态信息、三维场景信息等子数据库［3］。二维模型数据主要利用ArcGIS软件矢量化得到，建立FeatureClass要素类存储在FileGeodatabase中。在矢量过程中，给数据附上实际坐标值，并添加管网属性值，以便系统对管网数据进行管理和分析。采用C／S结构，用Oracle Spatial进行空间数据和属性数据的统一存储、管理工作，可以把数据与GIS操作平台和管理信息系统分离开来，通过数据关键字段的关联进行数据连接，增强了数据管理的灵活性和操作的简易性，减少了冗余数据［4］。 2.2 三维模型

地面模型主要包括建筑物模型、道路模型、湖泊、草地等，其中建筑物模型使用Sketch Up建立精细模型（如图1），以符号的形式保存在sxd文档中。 图1 地面模型

地下给水管线由给水管点按一定的连接关系构成，能够反映出管线的真实走向。给水管线既有管长、管型、管材、管径等自然属性，又有起始点埋深等空间属性。管线模型采用Arc Engine的IMultipatch接口以多片的形式作为管线要素类的Shape字段统一管理；管点利用Sketch Up建立管点模型并将其导出为3ds格式文件，在ArcGIS中采用符号化的方式对管点进行统一符号化渲染，如图2。 图2 三维管网 3 系统的创建

建立管网健康状况的动态监测系统，提供维护优化决策方案和事故处理等功能，建立面向管理的污水管网监测决策支持系统，使管网信息由静态的手工作业或计算机管理转变为动态GIS管理，最终实现管网信息的实时在线GIS管理［5］。系统充分结合了二三维一体化的优势，使空间分析功能在二三维视图中同时进行操作并显示结果。为相关部门提供一个科学管理、对事故迅速做出决策的工具。系统中除了基本的二三维地图操作和量算功能外，还有对管网数据的查询、定位和统计；此外，系统还提供了对给水管网的GIS分析功能，如：爆管分析、缓冲区分析、净距分析等。图3为系统的体系架构图。 3.1 查询功能

由于给水管网数据数量大，而且分布比较广，因此，解决好数据的管理和查询是首要的问题。系统的管线查询模块提供了各种查询方法：属性查询是根据管线或管点的属性来查找图形数据，并将查询结果高亮显示，方便用户对目标数据进行操作；截面查询可以在系统中画一条直线，就能显示出交于该直线的所有管线数据的属性信息。以上两个方法实现了图属联动的查询方法。管点信息是对管点进行查询，根

据管点的字段条件显示出符合条件的数据和信息。错误查询是筛选出所有不符合要求的管线和管点，并在系统中高亮显示，为的是后期批量的更换标准的管网设施，保证生产安全。其他信息类似于ArcGIS中的查询功能，在系统中点击目标数据，就可以看到该数据的完整信息。系统实现了二三维联动，可以在二维和三维视图中显示查询结果，方便用户了解给水管网的实时情况。 图3 体系架构图 3.2 分析功能 3.2.1 断面分析

管线横断面分析，是在二三维视图里生成任意一个断面，分析与该断面相交的地下管线的分布情况，在坐标系中标示出与断面相交管线的管径、埋深、管线间的间距等属性，正确反映管线与道路之间、管线与管线之间的相对位置关系，并在表格中显示管线的详细属性信息。纵断面是指将一定范围内的相互连通的管线走势在图上反映出来。通过纵断面图，管理人员可以获取在一定范围内的某个方向上的管线以及其附属设施的纵深位置关系。 3.2.2 爆管分析

在事故发生时，系统能自动地分析出应该关闭的阀门，提供相关阀门、管线、用户信息，并提出关阀方案［6］。首先确定爆管事故发生位置所在管段，分别以该管段的两端点为开始节点进行搜索；然后判断开始节点是否为阀门，如果是而且为可用阀门，将其加入应关闭阀门集中（应视关闭阀门集中是否已存在该阀门而定），并停止该方向的搜索，否则进行下一步。将该点加入已访问节点集，判断其是否为终点，若是则停止该方向的搜索，转而搜索其他相邻节点，否则进行下一步。搜索该点相邻节点，将未曾访问的节点加入标示空队列，从队列中依次弹出节点，同时在队列中删除该节点，以此节点为开始重新判断是否为阀门，直至全部相邻结点处理完毕。图4为爆管分析结果。

图4 爆管分析结果 3.2.3 抢修分析

抢修分析利用二维视图简洁明了的特点，在图上标绘出管线的事故发生点，并利用Arc Engine网络分析中的邻临近设施相关接口，生成从管理部门到事故点的最优路径，并提供动态模拟功能。 3.2.4 连通性分析

地下管线纵横交错，为了方便用户判断两条管线之间是否连通，这是我们就要用到连通性分析。连通性分析可以快速生成两连通管线的连通路径，并实现了二三维一体化，在二三维中同时上高亮显示。本系统主要利用几何网络建立给水管网的数据模型，利用ITraceFlowSolver-GEN接口和INetSolver接口来实现分析功能。 3.2.5 净距分析

水平净距分析的主要目的是为了查看两条管线之间的水平距离是否达到了国家标准。通过水平净距分析，使管理员在查看和分析管线现状变的更加直观和科学，为管线的设计提供理论依据。垂直净距分析的目的是为了确定在空间位置上相交的两条管线之间的距离是否符合国家标准。在平面图上，我们只能确定管线的水平距离，而相交管线的空间位置关系是不明确，也是不直观的。通过垂直净距分析，可以得到两条相交管线在垂直方向上的距离，看其是否满足国家标准，这对于管理部门对管线的管理、规划和审批都具有现实意义。图5为垂直净距分析。 图5 垂直净距分析 3.2.6 碰撞检验

碰撞检验是管线设计中常遇到的问题，也是设计中最忌讳的问题之一。手工通过信息工具查询属性数据库检查高程或埋深非常繁琐。因为新建管线位置稍有变动，设计者不得不进行重复性的工作。因此碰撞分析得出的结论可以大大提高工作效率，避免重劳动。

碰撞检验是指通过分析一条管线与其可能发生碰撞的管线之间的水平、垂直净距，并和国家标准做比较，得出是否有碰撞的结论。在分析时首先要确定管线与管线之间的关系，判断两两管线的空间位置是否相交。如果空间位置相交则计算其垂直净距，否则计算其水平净距，通过计算得出一定区域内管线与管线之间的空间位置关系。 3.3 辅助功能

一个完整的GIS系统除了必须的空间分析功能外，其他的辅助功能也是必不可少的。如：空间量算功能，文档管理和用户管理。地图浏览功能为用户提供了地图浏览的小工具。此外，联动浏览通过二维控制三维可以实现二三维联动。 4 结论

GIS技术作为一门交叉学科，其技术体系已渗透到各行各业［7］，目前，GIS在给水管网的应用越来越多，也越来越成熟。本文从二三维一体化的角度出发，充分利用二三维各自的表达优势，实现了二三维视图中的空间分析，使得空间分析的结果可以同时在二三维中表达，增强了可视化效果。并对应急事故进行处理和领导决策提供依据。相信随着地理信息系统的发展，GIS技术的日趋成熟，对给水管网的管理也会日益完善，更加人性化。 参考文献

【相关文献】

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［3］常魁，高金良，袁一星.城市给水管网交互式虚拟仿真平台研究［J］.哈尔滨工业大学学报，

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［4］荆平，贾海峰.基于ArcGIS Engine的给水管网信息系统的设计开发［J］.中国农村水利水电，2007，（11）：8-14.

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