基於三維GIS的集中供熱平臺的三維數字化

城市管網是城市正常運轉的生命線和基礎設施，供熱管線是城市管網的重要組成部分。2014年6月發佈的《國務院辦公廳關於增強城市地下管線建設管理的指導意見》，明確提出了城市管線數字化管理的要求。北京市熱力工程設計有限責任公司承擔北京市熱力管線的規劃和設計工做。公司自成立以來因設計的須要，逐年投入大量人力物力與資金，積累了海量的北京市熱力集團熱力管線及附近相關管線的高精度測量資料，主要是以紙質資料和CAD圖形存在。傳統的管理模式和手段已遠遠落後，對於各類突發事故更不能及時做出應對決策，從而形成資源浪費。
20世紀90年代，美國率先提出了數字化管道的概念。地理信息業隨着智慧地球、智慧城市大數據時代的到來，獲得了空前的發展。我國在地理信息業的發展不落後於世界先進水平。隨着3S(RS、GPS、GIS)技術的推廣與集成應用，城市管網管理已從CAD時代過渡到GIS時代。
城市三維模型是許多GIS應用領域迫切須要的基礎數據已普遍運用於城市規劃、建築設計、防災應用等領域。三維可視化也已經成爲城市管網管理系統的必要特性之一，對供熱管網在設計和運行方面進行可視化仿真系統的研究和開發，將進一步提升供熱管網的設計、運行水平和管理水平，從而達到提升安全性和經濟性的目的。
本項目在管普綜合管線數據標準基礎上，根據熱力管線的專業特點，制定熱力專業管線數據標準，採用當前主流的二維GIS平臺軟件(ZTMAPGIS)和三維GIS平臺軟件相結合的方式，基於ZTMAPGIS和City Maker SDK開發包，創建了二三維一體化的集中供熱地理信息平臺。爲集團公司的成果管理和使用提供安全、快速、多形式的技術支持。系統不只實現與北京城建檔案館無縫對接，還能夠更好地爲熱力集團信息化發展提供可靠的支撐服務。
1整體技術路線
項目建設任務包括數據資源建設和系統功能實現。數據資源建設包括數據標準規範建設、基礎地理數據庫建設、熱力管線數據加工及數據庫建設、綜合管線數據庫建設、熱力管線三維建模。系統建設堅持數據、管理、服務、應用相分離的架構原則，在保持靈活性和擴展性的前提下，實現空間基礎信息數據的整合、管理和共享交換，依據使用用戶、網絡環境的不一樣，採用不一樣的技術路線，使用C/S( Client/ Server(客戶機/服務器))和B/S ( Browser/Server(瀏覽器/服務器))相結合的方式，實現不一樣業務應用系統與數據服務的集成。以下圖所示。

2關鍵技術
2.1三層應用體系結構
三層應用體系結構包含表示層、業務邏輯層、數據層。表示層是系統的人機接口部分，用戶和應用程序之間的交流在該層完成。經過用戶界面層，用戶能夠完成獲取數據、輸入數據、修改數據、刪除數據等一系列操做。表示層也包含了必定的安全機制，用戶根據受權範圍能夠控制數據和機密信息。業務邏輯層響應用戶界面層的用戶請求，執行任務並從數據層提取數據，而後將必要的數據傳送給表示層，從而實現表示層與數據層之間的交互。業務邏輯層包含了在應用程序中執行關鍵處理的組件，這些應用程序遵照全部的業務規則及限制。數據層負責對數據進行管理並向業務邏輯層提供標準化的開放訪問接口。
在三層結構中，三個層能夠分別部署，表示層用戶界面只能與業務邏輯層相聯繫，無須直接訪問後臺數據庫，使後臺數據庫與用戶界面隔離，提升應用系統的可靠性和擴展性，提升系統數據的安全性。
2.2 XML與Web Service技術
XML(可擴展標記語言)是Internet上數據表示和數據交換的新標準。XML關注信息自己，是Web上表示結構化信息的一種標準文本格式。具備良好的可擴展性、語言簡單有效、可自行定義標記;有嚴格的語法要求，便於分析統一和與數據庫信息轉換;便於傳輸，爲純文本形式，可經過Http協議直接傳輸，可跨越防火牆等。
Web服務(Web Service)使用基於XML的消息處理做爲基本的數據通信方式，消除使用不一樣組件模型、操做系統和編程語言系統之間存在的差別，使異類系統可以做爲計算網絡的一部分協同運行。因爲Web服務是創建在一些通用協議的基礎上，如HTTP 、 SOAP 、XML 、WSDL、UDDI等，這些協議在涉及操做系統、對象模型和編程語言的選擇時，沒有任何傾向，所以Web服務將會有很強的生命力。
2.3 3DGIS
3DGIS是三維GIS的簡稱，是一個解決空間數據的存儲、表現、查看、管理、量算和分析等一系列問題、具備良好的可擴展性及可伸縮性的三維地理信息系統。能實現實時反射、實時折射、動態陰影等高品質、逼真的實時渲染3D圖像。
在城市管線管理中能根據現有的相關圖形和屬性數據，使現狀與規劃相結合，快速真實再現城市管網三維場景。可利用3DGIS平臺方便對城市管線三維場景進行各類操做，並能實現管線屬性信息快速查詢、管線場景的漫遊、任意給定線路的三維飛行、圖形及動畫輸出、數據的更新與維護等。
3數據資源建設
3.1數據資源建設內容
（1）數據標準規範建設，包括:制定北京熱力管線地理信息數據標準規範。
（2）基礎地理數據庫建設，包括:北京市政務版電子地圖數據、北京市基礎地形圖數據和影像數據整合、處理、入庫;北京市政務版電子地圖數據、北京市基礎地形圖數據和影像數據的配圖設計與服務發佈。
（3）熱力管線數據加工及數據庫建設，包括:依據集團公司現有的熱力管線資料進行加工處理，開展管線資料整理、屬性掛接、數據加工及質量檢查工做，通過細緻嚴謹複覈工做無誤後，造成成果數據，生成熱力管線GIS數據，創建熱力管線GIS數據庫，並製做熱力管線符號庫。
（4）綜合管線數據庫建設，包括:依據集團公司現有的資料，加工熱力管線周邊的綜合管線數據。
（5）熱力管線三維建模，包括:創建熱力管線及附屬設施三維模型數據庫，並依據熱力管線GIS數據創建熱力管線三維模型數據。主要包括管點模型(包括各種特徵、附屬物)、管線模型(包括管線、管溝和管廊)和建(構)築物模型(包括小室、沉澱池等)。
3.2數據標準規範建設
爲了統一北京市熱力集團熱力地下管線地理信息數據建庫的內容與方法，保證與北京市地下管線數據建庫標準統一，特制定本標準。
地下管線建庫數據來源爲驗收合格的地下管線基礎信息數據。包括供水、排水、燃氣、熱力、電力、通訊、廣播電視、工業、地下管廊等各種管線及其附屬物的空間和屬性數據，以及地下管線工程元數據。
地下管線數據庫內容的幾何精度、屬性、邏輯一致性、完整性應符合相應要求。
地下管線數據應按管線大類分爲點、線、設施面、輔助線和註記等不一樣類型。地下管線數據圖層宜按照「管線大類+數據類型」的組合方式命名。以熱力管線爲例，具體分層、層名及顏色見下表。

3.3數據庫整體設計
空間數據庫分爲基礎地理數據庫、熱力管網數據庫、綜合管網地理數據庫三大庫，而且根據實際項目需求創建子庫及對應的元數據庫，爲數據的高效檢索提供保障。爲保證數據歷史可追溯，須要創建歷史數據庫，每一年年末將現狀數據庫整版導入歷史庫，以年爲時間單位對歷史數據進行整版保存。空間數據庫整體設計見下圖。

4系統功能實現
本項目經過創建管線數據庫，將空間化處理後的熱力管線、綜合管線及相應屬性信息錄入到數據庫中，使數據資料成果知足數據信息化管理需求。創建數據庫管理系統和質檢系統，包括管線信息的編輯、刪除、檢查、檢測等功能，實現電子化管理手段。創建測繪資料應用分析子系統，可針對不一樣用戶的使用需求提供不一樣功能，隨着集團公司工程的不斷開展，測量管線資料將會愈來愈多，經過該數據庫可隨時更新、完善現有資料和新增資料，充分發揮測量管線資料的服務做用，輔助進行決策分析，提升管理工做效率。
4.1熱力管線質檢子系統
熱力管線質檢子系統，做爲工具型軟件，利用程序自動檢查，查找熱力管線數據中管點、管線、小室圖層的空間圖形、屬性信息和邏輯一致性等錯誤，提升檢查效率和數據質量。實現熱力管線數據加載，熱力管線文件檢查、圖形檢查、屬性檢查、邏輯性檢查、空間碰撞檢查、幾何表達檢查、檢查結果統計輸出和系統設置等功能。對於集中供熱地理信息系統而言，入庫數據質量的好壞決定了信息系統可否真正有效使用。
4.1.1技術路線
熱力管線質檢子系統基於熱力管線外業測量數據成果，在保密環境中的涉密終端進行部署運行，整個系統分爲基礎設施層、數據層、中間件層和系統層四個層次。具體思路見下圖。

4.1. 2軟件實現
軟件主界面主要分爲五大功能模塊:數據加載、數據操做、數據檢查、統計輸出、系統幫助等，此外，還設有快捷功能區，即懸浮工具條，主要是數據操做經常使用的功能按鈕。
在普查數據檢查界面，勾選相應的檢查項，執行數據檢查。運行的過程當中會實時顯示每個檢查項規則的運行狀態以及整體的完成進度。檢查結束後，即將可視化範圍內的全部錯誤要素加載到當前視圖中，以方便整改人員對錯誤緣由進行查看，經過單擊錯誤定位能夠定位到每個錯誤要素，並查看其詳細的屬性信息。
可查看每一項檢查結果文件的存放位置以及文件生成時間，也可刪除不須要的檢查結果，
避免空間資源的佔用。
經過配置檢查規則對軟件檢查規則中的檢查參數、數據字典進行管理配置。
4.2測繪資料應用分析子系統
測繪資料應用分析子系統在北京市政務版電子地圖數據的基礎上，結合北京市熱力集團實際狀況，基於GIS開發的系統。軟件主要實現GIS基本功能、熱力管線查詢定位、地下管線統計、地下管線空間分析、三維場景展現、二三維聯動、管線三維基本空間分析、離線包申請審覈管理、運維管理、GPS竣工測量、智能移動設備管理、移動設備軌跡監控和現場踏勘工做統計等功能。
4.2.1技術路線
數據外部交換經過數據共享與交換平臺，實現數據的可靠、穩定、及時的交換，各個應用終端採用客戶端瀏覽器的方式根據不一樣權限進行數據的查詢、瀏覽、統計等操做。
系統部署運行在北京市熱力工程設計有限責任公司與外界物理隔離的專用局域網內，整個系統分爲基礎設施層、數據層、中間件層和系統層四個層次。具體思路見下圖。

基礎設施層主要包括政務內網網絡環境、軟硬件支撐環境安裝部署，主要用於知足系統運行的必要環境。數據層包括地下管線成果數據庫，及基於成果庫加工的地下管線三維數據庫，元數據庫、GIS輔助數據庫及運行數據庫，上述數據庫除運行數據庫外，其餘數據庫跟地下管線數據管理維護系統共用。中間件層包括二維GIS中間件、三維GIS中間件和數據庫引擎，一方面支持空間數據庫的讀寫，一方面支持系統的二三維功能開發與運行。系統層主要工做界面與工具，包括與地下管線數據共享、查詢、統計、分析相關的功能模塊。
4.2.2軟件實現
測繪資料應用分析子系統主要實現對管線成果的查詢、二三維瀏覽、數據統計、管線分析、更新維護、管線數據出圖及下載等。部分主要功能界面以下所示。
通用分析功能包括橫斷面、縱斷面分析，垂直淨距、水平淨距分析，覆土深度、連通性分析。
移動信息功能包括移動設備註冊、管理，移動設備軌跡監控、現場踏勘工做統計。
地圖定位、管線查詢、管線統計、通用分析等功能都能在二三維界面進行。其中三維橫斷面分析見下圖。

5結束語
本項目的開展既能建立北京熱力集團自有管線的三維資料庫，完善測量成果，又能在北京市管網系統中取得技術上的領先。統一的標準，避免了各單位重複工做和投資，使項目竣工圖的驗收歸檔更加順暢。此外，熱力工程的測繪資料應用系統可應用於管網巡檢、搶修中，爲集團各分、子公司提供服務。
隨着集團公司工程的不斷開展，測量管線資料將會愈來愈多，經過該數據庫可隨時更新、完善現有資料和新增資料，充分發揮測量管線資料的服務做用，提升管理工做效率。
根據國家《測繪法》的要求，城市大比例尺地圖爲保密資料。在逐步創建和完善數據庫的基礎上，創建完善的熱力設計測量管線成果資料管理制度，可嚴防失泄密及損毀事件的發生。
利用創建的集中供熱地理信息平臺，可集成現有的管線測量資料，加大了資料的重複利用率，減小工程的測繪工做量，節約成本並加快工程進度。同時，隨着資料的動態積累和技術的不斷完善，將爲相關單位提供更豐富的地理信息服務。
原文來自：http://www.ztmapinfo.com/blog/index.php/article/30.html