摘 要：本论文介绍了一种基于开源GIS技术的地下管线系统的设计与实现。首先介绍了研究的背景和意义，其次提出了建设目标，包括国产化适配、二三维一体化、数据与服务共享等，然后介绍了通过开源GIS平台Openlayers + Cesium+ PostGIS+ Postgresql + GeoServer实现的关键技术方案，最后介绍了系统的各模块设计和实现。本系统具有较好的实用性和可靠性，可以为地下管线系统建设提供有益的借鉴。

关键词：地下管线、开源GIS、二三维一体化、中台架构

1 引言

随着城市化进程的不断推进和经济的迅速发展，地下管线系统在城市建设中扮演着至关重要的角色。在传统的管线资料管理中，使用纸质化是主要的管理方式，然而这种方式存在管线位置精度不高、信息量有限、管理难度大等问题。近年来，随着地理信息系统（GIS）、城市信息模型（CIM）等信息化技术的不断发展，越来越多的国内外学者开始采用信息化系统进行地下管线的管理[1-4]。同时，为了更好地展现地下管线的空间位置信息和相关属性，许多研究采用了三维GIS技术建设，将管线数据的展现形式从传统的二维转向了更为直观的三维模型[5，6]。相比于传统的纸质化管理方式，信息化系统可以提供更加准确、详尽和及时的管线数据，从而提高地下管线的建设和管理水平。

同时，随着国家对于信息安全和自主可控的要求越来越高，国产化适配是一项重要的任务，当前市场上的地下管线系统多为国外厂商提供的软件，其价格较高、适配性较差，无法很好地满足需求。因此研发一种适配国产化需求的地下管线系统，有重要的实际意义。

2建设目标

2.1 国产化适配

系统建设须符合信息安全、自主可控的技术要求，并适配国产化软件和硬件，包括国产主流数据库、操作系统、服务器等。这是为了确保系统的安全性和稳定性，符合国家对于信息安全和自主可控的要求，同时也有利于降低项目成本。

2.2 二三维一体化

实现地下管线的二三维一体化管理至关重要，这不仅可以使地下管线的管理更加直观和方便，还可以在实际维护过程中进行可视化模拟和演练，以提高管线维护的效率和准确性。

2.3 数据和业务中台

实现地下管线数据的共享和集中管理，实现数据的共享与互通；为相关应用系统提供统一的服务能力，避免类似功能的重复开发和维护，节省开发成本和时间。

3 关键技术

本文旨在综合利用开源GIS、微服务、中台架构等技术，建设一套适配国产化要求的地下管线系统。摒弃国外商业化平台，采用成熟且高性能的开源软件实现自主可控的目的，同时采用SaSS架构方式进行开发，将基础数据和通用功能进行抽象，打造出数据和业务中台，以便于各业务模块的快速接入和实现。技术选型如下：

3.1微服务架构：SpringCloud

微服务框架选择SpringCloud，SpringCloud是Spring Boot的扩展，提供了丰富的微服务组件，如服务注册与发现、负载均衡、断路器、网关等，可以很好地提高系统的扩展性和容错性。

3.2数据库：PostgreSQL和PostGIS

数据存储方案采用PostgreSQL数据库和PostGIS空间扩展，PostgreSQL是一种开源的关系型数据库，具有高可靠性、高扩展性和高性能等特点。PostGIS是一款开源的空间数据库扩展，提供空间数据索引、查询等功能，可以有效地支持地理信息系统的数据存储和分析。

3.3 GIS服务器：GeoServer

GeoServer是一款开源的地理信息系统服务器，提供了WFS、WMS、WCS等标准OGC服务，可以发布和管理地图数据和地理信息服务，支持各种数据格式和多种投影方式。

3.4二维GIS引擎：OpenLayers

OpenLayers是一个开源的JavaScript库，提供了丰富的地图控件和功能，包括地图显示、标记、图层、查询和分析等，可以构建交互式的地图和GIS应用程序。

3.5三维GIS引擎：Cesium

Cesium是一个开源的WebGL JavaScript库，提供了高性能的三维地图显示和交互功能，支持多种数据格式和多种坐标系，可以呈现逼真的地球场景。

4 功能模块设计

系统主要包括六大功能模块：地图浏览操作、图层管理、查询统计、数据管理、应用分析、数据共享交换。

4.1地图浏览操作

支持基础的地图操作，如视图缩放、几何量测、要素选择、书签管理、多屏联动等，支持加载各类地图服务、生成热力图等。

4.2 图层管理

用于管理图层，并对其进行增加、修改、删除、显隐等操作；可以根据选择的范围对地图上的管点和管线进行属性标注；此外还支持自定义标注，用户可以配置需要标注的字段，并对标注的样式、大小和颜色进行设置。

4.3 查询统计

提供按定位查询：包括按坐标定位、按地名地址定位、按范围定位；按条件查询：包括属性查询、按缓冲区查询、按区域查询、高级组合查询等；对查询结果以表格、统计图等方式展示，提供结果的导出功能。

4.4 数据管理

管线编辑：对管点、管线提供增加、修改和删除等操作，包括几何形状的编辑和属性数据的编辑。

历史数据查看：查看某个版本的历史数据，多个版本的历史数据和现状数据可通过多屏联动、卷帘方式进行对比查看。

版本管理：查看所有的版本数据，并对版本数据进行管理。

4.5 应用分析

横剖面分析：根据绘制的横剖线段，分析所切割区域横断面情况，并生成对应的横断面图。

纵断面分析：根据选择的两条管线，判断两管线之间的路径是否连通，如果连通，生成这条连通路径管线的纵断面，并标注管线的高程、管径、管长、管点埋深、管井规格等信息。

追溯分析：根据管点的属性和流向，找出管点的上下游关系，并高亮显示上下游的管点和管线。

流向分析：适用于重力管线或有流向字段的管线，可以提供流向的显示功能，并生成流向分析箭头。

连通分析：根据选择的两条管线或管点，判断管线或管点之间是否连通。如果连通高亮显示所有连通路径的管线，并列出所有连通路径的管线和属性信息。

爆管分析：根据爆管位置，追查需要关闭的阀门情况，以及事故点位到阀门的连接管段。

报废预警分析：根据管线的建设年代与设定的报废年限进行对比，将超过报废年限的管线列出来，单击列表行以定位并高亮显示。

碰撞分析：选择一条管线，依据管线净距规范，分析它是否与周围的管线是否有空间碰撞；或者是选择一个范围，遍历范围内的管线是否符合净距规范。

净距分析：对管线之间的水平净距、垂直净距进行检查，以确定其是否符合规范要求。

智能排管：绘制一条管线进行检查其覆土是否符合标准、以及与周边管线之间的水平净距和垂直净距是否符合标准规范要求。

占压分析：检查管线埋设位置的地面上是否有建构筑物压盖住了管线，列出压盖了的管线和对应的建构筑物。

4.6 数据交换

数据导入导出：支持xls、mdb、shp文件的导入导出，并记录入库日志。

自定义出图：对屏幕所显示的地图区域进行打印，可设置标题、图框、图例、指北针、版权说明等信息。

按道路出图：对道路范围的数据进行自动分幅，并每幅生成标准图框，进行分幅出图操作。

5 结束语

本文提出了一种基于开源GIS技术的地下管线系统的设计和实现方案。采用了多种开源GIS技术，设计并实现了数据管理、应用分析等功能模块。该方案具有较高的技术可行性和实用性，能够很好地满足当前地下管线系统的建设需求。此外，该方案还能够满足国内信息安全和自主可控的要求，为国内自主化、开源化GIS技术的应用提供了有益的参考和借鉴。

参考文献 ：

[1]顾娟，杨伯钢.北京市地下管线共享应用系统的设计与实现[J].北京测绘， 017（S2）：24-28.

[2]孔令彦，杨伯钢，龙家恒，等，北京市综合地下管线信息系统的设计与建设[J].北京测绘，2017（3）;105-110.

[3]赵庆伟，王天文，张立伟.城市地下管线系统应用平台功能设计[J].测绘与空间地理信息， 2014， 37（1）：158-160.

[4]戴万瑞，代侦勇，杨明兴. 基于GIS的地下管线管理系统的设计与实现[J]. 测绘与空间地理信息， 2017，40（10）：99-101.

[5]张奎，王军.徐州市三维地下管线信息系统设计与实现[J]. 城市勘测， 2019（1）：41-45.

[6]魏忠勇.基于三维GIS的地下管线信息系统的设计与实现[J]. 矿山测量， 2017， 45（004）：67-70.

第一作者简介：

谢梓威（1991—），男，湖南邵阳人，工程师，中南大学硕士，主要从事地理信息系统应用与开发。