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国际摄影测量、遥感和空间信息科学档案，第38卷，第二部分

基于的城市地下管线布置优化三维数字城市

何建春，胡金星，唐庆元，郭珊珊

关键词：地下管线、布局优化、地理信息系统、三维数字城市、网络分析、缓冲区分析

摘要：随着城市地下空间资源的快速开发利用，城市地下管线的空间分布越来越复杂。如何有效利用最新技术，实现地下空间资源的管理、可视化、布局优化和矿山应用，是当前数字城市发展面临的挑战。考虑到地下管线信息的频繁变化和复杂，数据管理面临很大的困难。针对三维数字城市与地下管线系统的综合集成管理要求，提出了基于三维数字城市的布局优化。

本文旨在描述基于三维数字城市的地下管线三维可视化与布局优化设计与实现。首先，实现了从二维（2D）管道数据到三维模型的自动转换，并将管理与地面数据相结合，如三维房屋、三维模型、DEM、矢量数据、遥感图像等，可以更直观地快速确定地下管线的相对位置。其次，根据国家相关标准，在保证管道数据准确性和有效性的基础上，在空间分析和原理拓展的基础上，实现了地下管线布置优化方法。对管道边界布置进行了分析，以保证布置的合理性，保证管道布置的优化。最后，以一个基于三维数字城市的地下三维管线优化系统为例，从总体结构和优化方法出发，开发了一个基于三维数字城市的地下三维管线优化系统。为管道布置优化与仿真提供了一套技术，为城市地下资源管理、管道规划、城市规划等提供决策支持。

1介绍

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，被称为城市的“生命线”。实现能源转移和物资运输，是城市生存和发展的基础^[1]。随着城市的快速扩张，城市物质流和能量流显著增加，城市地下管线的强度和密度也显著增加。如何对地下管线进行动态有效的管理，研究管线布置优化方法，是一个热门的研究课题，尤其是对管线布置优化的研究。

目前，地下管线的管理大多是手工的，或二维的。管道可视化直观，效率低，动态管理困难，导致管道事故频繁发生。如何满足管理部门和施工单位的要求已成为当务之急^[2]。探讨地下三维管线的布局优化方法，认识其优化原则，为城市地下资源管理、管线规划和三维数字城市建设提供技术支持和决策。在当前数字城市的发展过程中，地下管线的优化不仅有利于相关部门与地下管线的相互作用，促进地下管线的建设，而且有助于科研人员有效地利用最新技术，实现地下空间资源的优化布局，使地下管线数据更容易管理。

2相关研究

目前，城市地下管线系统一直致力于三维管线的可视化、空间分析和路径优化。随着技术的不断发展，人们对管道的关注逐渐从二维环境转向三维平台。然而，对地下管线变异性的表征仍然缺乏。因此，针对管道布置的不确定性和模糊性，提出了一种新的处理方法。

城市管网可视化系统（UPNVS）是在分析城市管网特点和三维模型要求的基础上，利用空间元数据进行设计和组织的，三维空间数据模型是数据表示和空间可视化的基础。管道可视化一直是一个挑战，与传统的二维可视化相比，UPNVS对三维可视化进行了清晰的评述，城市地下管道可视化更为直观。

本文提出了一种新的基于地理信息系统的新电力线路自动选线方法。采用动态规划模型进行路线优化。考虑到环境限制以及所有操作、维护和设备安装成本^[3]。介绍了一种应用于电力线路优化的地理信息系统空间分析方法。该方法通过路线选择，产生一条新的经济路线，同时考虑了与路线成本相关的地理因素和不确定性评价。因此，地理信息系统空间分析被认为是开发城市地下管线布局自动揭示的有力工具。

根据城市地下管线的特点，探讨了管线优化布置的原则，并应用地理信息系统进行了空间分析。管道布置优化是利用三维地理信息系统技术对城市地下三维管道进行综合管理。为此，本文提出了城市地下管线三维布置优化的方法。

3基于三维数字城市的城市地下管线布局优化

3.1管道布置优化流程图

本文对地下三维管道模型的动态建立进行了探讨。并基于三维数字城市，提出了地下管线的布局优化方法。

如图1所示，描述了城市地下管线布局优化的过程，根据相关要求，首先对遥感影像、数字高程模型、三维建筑模型等数据进行组织管理，然后导入3DGIS系统。其次，利用管节点、管井、二维管道等数据，动态地实现了与地面结构相关的地下三维管道，并以更直观的方式快速定位管段位置。第三，利用现有路网，选择管道起止点，利用GIS空间分析自动生成多个管道布置方案。第四，在国家规范和标准的基础上，提出了管道布置碰撞分析方法，用于相邻管道的搜索。此外，还测量了管道和设施之间的水平和垂直间距。最后，通过管道与设施的水平和垂直空间分析，考虑了地下管线布置优化过程中的因素，提出了地下管线优化布置的解决方案，揭示了三维环境下的优化分析结果。

3.2数据组织

根据行业标准和数据库的设计，将管道节点、井和二维管道的所有相关数据导入到空间数据库中。值得一提的是，在编码方案和数据库建设中，地下管道数据主要包括管道节点和管道。管道节点是特征点（如弯曲、树形、交叉等）或附属点（如阀门等）^[4]。管道是按一定连接组成的管道节点。阀门、弯管、三通和四通的型号如图2所示。

管道的属性信息包括起点和终点的数量、管道类型、管道布置深度、管道直径等，地下空间中体现的管道节点、管道、设施等空间实体往往表现得不正确。深入了解地下管线的特点，是合理布置管线的重要问题。一般来说，城市地下管线通常是不可见的、复杂的、潜在的等，地下管线的特点可分为^[5]：

a）管道分布的显著特征是不可见的。由于大部分管道都埋在地下，管道管理要求准确、完整。

b）管道分布复杂。城市管道有几种不同的类型，它们之间的关系是紧密的。管道系统是如此庞大，如果某个部分不起作用，它会影响周围的其他管道。

c）随着城市的不断发展，城市地下管线不断变化、扩大和更新，城市管线布局的范围和密度不断增大。管道数据也需要动态更新。

三维可视化非常耗时，因为它需要大量的空间信息。将遥感影像、数字高程模型、三维建筑模型等数据按照相关要求处理成三维地理信息系统。首先将遥感图像和DEM融合到三维软件中，然后将结果导入到三维GIS系统中。此外，还以模型文件的形式导出了一批三维建筑模型。同时，利用建模软件进行模型对话。另外，将三维建筑模型集成到三维地理信息系统中，并根据遥感图像对一些参数进行相应的修改。

3.3基于三维数字城市的城市地下管线布局优化实现

在三维可视化方面做了大量的工作，但动态建立地下三维管道模型仍然是一个挑战。地下三维管道模型的建立是基于管道节点数据、井和二维管道，也与地面结构相对应，以更直观的方式快速定位管段位置。地下管线的三维可视化更适合于各种管线之间空间关系的清晰表达，因此可以快速、方便地回顾管线的连通性和交叉结构。与传统的二维可视化相比，三维可视化对城市规划部门技术人员和施工单位技术人员的关系较为复杂，尤其是人机交互能力进一步提高。基于三维数字城市平台，提出了一种基于三维数字城市的管道布局优化方法，使三维数字城市成为地下管道信息组织和管理的工具。

对城市地下管线信息进行准确、完整的描述和表示的空间分析已被开发用于管线布局优化。目前，地理信息系统空间分析在二维空间中得到了广泛的应用，在二维地理信息系统中得到了实际应用。地理信息系统空间分析以其特有的提取、显示和传递不可见地理空间信息的功能，逐渐应用于三维环境中。三维空间分析方法是地下管线布置优化的关键技术。地下三维管线布置优化方法主要用于对地下管线进行基础分析，收集统计信息，挖掘管线空间数据^[6]。探讨了利用地理信息系统空间分析进行地下管线优化布置的方法，为城市规划部门的资源管理提供了依据。

3.3.1三维网络分析

网络分析是对地理网络和城市基础设施网络进行地理分析和模型优化的过程。讨论了网络的状态，对网络和分布的资源流进行了仿真分析，实现了网络结构和资源优化等^[7]。

地下管线布置根据不同的道路和地区而定。首先根据现有道路网和管道的拓扑结构，设置起止点，通过三维网络分析，可以得到多种网络方案。考虑了国家规范中的最小管道间距和方便程度等因素，优化了地下管道资源配置。

3.3.2三维缓冲分析

缓冲区分析是指在点、线和曲面实体周围自动创建具有一定宽度的区域^[8]。通过三维缓冲区分析，建立了实体周围一定距离的带区，并能清晰地识别实体与周围物体之间的影响区域。分析主要用于创建管道节点或管道的缓冲区。因此，确定缓冲区内的建筑物和设施，并统计输出结果。

碰撞分析主要是利用GIS空间分析中的缓冲分析来处理三维GIS中的管道。管道、管道与建筑物、管道和设施之间经常发生碰撞。根据《城市工程管线综合规划规范》等国家相关规范和标准，采用碰撞分析法对管线周围的建筑物和设施进行搜索。

3.3.3影响因素分析

在水平和垂直间距的基础上，分析了管道、管道和建筑物、管道和设施之间的影响因素。此外，我们还可以统计计算管道布局与周围管道、建筑物和设施之间的水平和垂直间距。最后，通过与国家有关规范和标准的比较，确定水平和垂直间距是否符合规范和标准。如果没有，这个计划是不合理的。通过动态调整管道布置位置，可以避免管道、施工材料和设施之间的事故。

3.4优化方案

根据现有路网，选择需要布置的管道起点和终点。然后利用三维网络分析对路网进行处理，自动生成多个管线布置方案。三维缓冲区分析（图3）用于处理三维环境中管道的碰撞分析。在此基础上，通过分析影响管道布置优化的因素，提出了地下管道布置优化的流程方案。并给出了三维数字城市的优化结果。

为了满足管道布局优化的要求，利用最新技术对各类地下专业管道进行有效的管理，总结碰撞分析过程中的关键因素，提出三维空间环境下的布局优化方案。因此，通过三维空间分析方法和影响因素分析，可以将其应用于城市地下资源管理、管道规划、建筑规划和三维数字城市应用。

3.5辅助设计

辅助设计不仅包括添加、删除管道节点和管道，还包括动态管理管道节点和管道。基于管道层，以管道节点和管道的个数作为标识，将管道节点和管道的数据添加和删除到空间数据库中。在添加管道节点和管道时（图4），输入管道节点和管道的各种属性信息。同时，随着地下管道节点和管道信息的不断变化和复杂化，可以对管道节点和管道数据库进行相应、有效的更新和管理。辅助设计能够实现城市地下管线的动态管理。地下管线系统能够对各种变化进行监测和控制，能够快速更新现有地下管线档案，保证地下管线布置的真实性和准确反映。

4实验

根据上述城市地下三维管线布置优化过程，通过空间分析、管线与设施间水平和垂直空间分析的应用，进行了试验研究。提出了一种地下管线布置优化方案，并给出了三维地理信息系统的优化分析结果。通过对地下三维空间模型和管线布置优化分析，可以对管线进行动态调整，使管线布置更加合理。最终，我们可以得到地下管线布置的优化方案（图5）。

实现了基于三维数字城市的地下管线布局优化方法，实现了基于地下管线优化方法的各种管线优化信息挖掘。它有助于相关部门的有效管理，管理城市管道的每个角落。该方法有效地提高了城市地下管线的布局，为社区创造了更多的便利。

5结论

提出了一种基于三维数字城市的地下管线三维布置优化方法。优化方法的目的是获得与三维空间数据特征和布局优化过程相结合的城市地下三维管道优化系统。实现了各种数据与地下三维管道模型的动态融合，实现了管道布局优化的数据挖掘。因此，该方法不仅有助于相关部门与地下管线的相互作用，促进地下管线的建设，而且有助于为城市管理、城市正常运行、三维数字城市建设等提供技术支持和决策支持。

参考文献

[1] Juan Yang, Hao Lin and Yupeng Xiao, 2009. Spatial Data Model for Visualization System of GIS Based Urban Pipeline. International Forum on Information Technology and Application, pp.98-102

[2] Yingdong Li. 2007. The Design and Exploitation of Undergroung-integrated Pipeline Information System of Ganzhou Urban. JiangXi University of Science and Technology, pp.7-18

[3] Claudio Monteiro, et. al. 2005. GIS Spatial Analysis Applied to Electric Line Routing Optimization, IEEE Transactions on Power Delivery, 20(2), pp.934-942

[4] Yong Han, Ge Chen and Haitao Li, 2004. Construction and Implementation of Underground 3D pipeline layout optimization Models for Urban Underground Pipelines, Periodical of ocean university of china, 34(3), pp.506-512.

1. Jun Gong, Xinzhou Wang, Wenqing Wang and Xiong Zhang, 2005. Researc

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