一种基于PostGIS管网开挖的计算方法_马世龙.pdf

第 40 卷 第 3 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Vol.40 No.3 2023 年 6 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Jun.2023 收稿日期：20230206 基金项目：2021 年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目“后疫情时代高职教师教学质量评价体系研究”，项目编号：2021SJGLX923；2021 年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目“产教融合、协同育人学做教企业现场教学模式改革探索与实践”，项目编号：2021SJGLX922。作者简介：马世龙（1988），河南洛阳人，河南测绘职业学院，讲师，90 一种基于 PostGIS 管网开挖的计算方法 马世龙1，冯松松2，郑素文1（1.河南测绘职业学院，河南 郑州 450046；2.河北省地质矿产勘查开发局第九地质大队，河北 邢台 054000）摘 要：地下管线是城市的生命线，关系着千家万户的日常生活。近年来，随着城镇化率的不断提升，城市地下管线的分布也更加错综复杂，城市施工中的一些盲目开挖行为也极易引发潜在的挖断风险。虽然有些施工单位在施工之前采用实地管线探测的方式对开挖行为进行评估，但是这种方式存在成本高、探测周期长等问题。文章旨在通过已有的城市管线勘测数据，利用PostGIS 数据分析工具，构建数字化的开挖分析模型，计算和评估开挖影响，经实例验证该方法能有效减少外业勘测时间和成本，提高开挖结果的可靠性。关键词：PostGIS；管网开挖；城市管线；开挖分析 中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：10086129（2023）03009004 在城市建设过程中，道路修建、建筑施工、水利工程建设等行为都会涉及到对地面的开挖。如果开挖行为不当，可能会导致地下管网遭受严重破坏，进而影响整个城市的正常运转。随着城市管线数字化工作的不断推进，国内许多城市住建及城管部门已经建立了相对完善的城市管线数据库，以及成熟的管线调查、生产和更新机制，这为深化数字应用、提升数字治理水平提供了良好的平台。基于以上数据基础以及 GIS（Geographic Information System，地理信息系统）算法研究工作的不断深入，一些学者使用三维 GIS 软件进行了二次技术开发1-2，对地下管网数字化管理以及开挖平面和深度对管网整体影响情况进行预测，取得了较好的成果，如我国学者王海涛等3利用 ArcEngine 软件模拟地下管线开挖，详细介绍了算法的实现过程，并通过工程实例验证该算法可行性；宋锟等4以 SuperMap 软件为基础，建立了城市三维综合管网信息系统，实现了城市地下管网的综合数字化管理；王卫东等5使用 Skyline 和 Arcgis 软件设计了地下管线二维、三维一体化的信息管理系统，为地下管线的可视化管理提供方法。然而上述商业软件在使用过程中存在运行成本高、程序冗余等问题。基于此，本文在已有成果研究的基础上，兼顾开挖工作中遇到的一些实际情况及系统使用兼容性，提出一种基于 PostGIS 的管网开挖计算的新方法，为城市地下管线开挖前的安全决策提供科学依据。一、开挖计算流程 地下管线开挖计算是基于地面开挖的范围和开挖深度，分析开挖空间内是否存在可能受开挖影响的地下管线。本文开挖计算设计的主要流程如图 1 所示。二、开挖计算的关键技术 1.开挖平面相交管线分类 将开挖区域和地下管网数据用数学集合的形式表示，那么与开挖平面相交管线集的计算公式为：图 1 管线开挖分析流程 邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 91 PA=（1）式（1）中，集合 A 表示开挖平面范围，集合 P 表示所有管线数据，表示开挖范围与管线在平面上的交集。集合中管线与开挖区域 A 存在三种关系，如图 2 所示。图 2（1）表示管线完全处于开挖平面范围内，此情况下分析计算时，仅考虑管线的起点与终点在开挖区域内的位置；图 2（2）表示管线的一端位于开挖区域内，另一端则位于开挖区域外，这种情况需要分别求出管线起终点以及管线与开挖平面相交点的坐标；图 2（3）表示管线两端均穿过开挖区域，该情况下只需计算出管线与开挖平面相交处的两个交点坐标即可。（1）（2）（3）图 2 俯视视角下管线与开挖面的关系 2.计算临界条件点 当管线完全处于开挖平面内，管线起点和终点的坐标可作为开挖计算的临界条件点。而对于开挖平面与管线部分相交的问题，如图 2（2）中的情况，不仅要计算出开挖平面内所有管线起点、终点以及与开挖平面交点处的坐标，还要进一步判断开挖平面内管线端点的类型，并把判定结果和交点坐标作为开挖计算的临界条件点。对于图 2（3）中与开挖面完全相交的情况，则直接把计算出两个交点坐标作为临界条件点。通过以上三种情况的分析，可得出不同情况下最终临界条件点。3.计算管线最浅埋深 管线最浅埋深通常是指地下管线上壁的埋深。当计算出开挖平面临界点的坐标后，还要进一步计算临界点的最浅埋深。一般情况下，资料库可以直接获取到的管线埋深，是指管线埋设处从地表面到管线管底的垂直距离。因此，需要根据管线的管径来计算管线最浅埋深，计算公式为：dnhd=)min(（2）式（2）中，h 表示管线埋深，dn 表示管径尺寸，min(d)表示最浅埋深。大多数情况下，管线管壁较薄，内径和外径大小可视为一致，直接使用公式（2）即可计算最浅埋深。如果管壁较厚，测量的内径和外径不相等，则需要根据管壁厚度对公式（2）做适当调整。图 3 管线纵断面视角埋深情况 管线起点和终点的埋深，可根据资料库中已有的管线属性信息直接获取。而对于临界点的埋深，则需要根据管线埋设坡度以及起点或终点与临界点的位置关系进行估算。根据图 3 中管线埋设示意图，可推算出交点埋深的计算公式，如式（3）（4）所示。)(),(istance/)()(bPaPDahbhi=（3）ibPPDbhh*)(,(istance)(=（4）式（3）（4）中，P 代表交点坐标，P(a)代表管线起点坐标，P(b)代表管线终点坐标，Distance 代表两坐标点之间的平面距离，i 代表从 b 点至 a 点管线的埋设坡度，h 代表交点处的埋深，h(a)代表管线起点埋深，h(b)代表管线终点埋深。4.计算开挖结果 对开挖结果进行分析计算时，除了要考虑管线最浅埋深和地面开挖深度外，还要考虑保护管线安全的最浅覆土深度。所谓的覆土深度是指埋地线道管顶至土层表面的垂直距离6。如果开挖过深，会造成覆土深度不符合管线铺设标准，从而容易导致地下管线被外界因素损坏。根据 2.3 计算出的最浅埋深、管线开挖深度以及最浅覆土深度铺设标准，可得出最终的开挖结果，如式（5）所示。邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 92 )(min(DFdO=（5）式（5）中，min(d)表示最浅埋深，F 表示最浅覆土深度标准，D 表示开挖深度，O 表示最终开挖对管线影响。当 O0 时，表示本次开挖地下管线不受影响，当 O0，表示开挖结果会影响到地下管线安全。三、实验验证 1.PostGIS 简介 PostGIS 是对象关系型数据库系统 PostgreSQL 的一个扩展，PostGIS 提供空间对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符等空间信息服务功能。同时，PostGIS 遵循 OpenGIS 的规范。PostGIS 的版权被纳入到 GNU 的 GPL 中，也就是说任何人可以自由得到 PostGIS 的源码并对其做研究和改进7。目前 PostGIS被广泛应用于道路流量分析8、遥感数据检索9、矢量瓦片组装10等方面的研究上。2.数据准备 本文实验采用我国某市主城区燃气管线实测数据，管线的分布情况如图 4 所示。采用的管线数据量共有 4 699 段。坐标系采用 2 000 国家大地坐标系（简称，CGCS2000），高程基准采用 1985 国家高程基准，原始数据为*.mdb 数据库格式。管线数据属性包含了管线的编号、起止点编号、起止点高程、起止点埋深、管径、材质等内容。3.软硬件环境 图 4 某市主城区管线 对于本文算法的实现和使用而言，理论上采用的硬件性能越好，计算的效率会更高效。本文实验采用 2 核 CPU、4G 内存的服务器作为硬件，操作系统为 CentOS8，基于操作系统安装 Postgresql12.4 和PostGIS3.0.6，验证在此配置下计算结果的准确性以及资源的消耗情况。4.实现过程及主要代码（1）通过 ArcGIS 或者其它工具使原始数据库中 mdb 格式的管线数据，转化为 shapefile 格式数据。通过 ogr2ogr 工具使 shapefile 文件导入到目标数据库中。（2）为了能提高查询效率，对数据创建索引，常见的空间索引包括 RBush 和 GIS-T。本文在此使用GIS-T 索引，主要代码如下：create index myindex on pipeline using gist(geom)；（3）根据目标区域计算相交的管线。主要代码如下：select gid,st_intersection(geom,st_setsrid(st_geomfromgeojson(#开挖平面),4490)/4490 表示地理坐标系的 wkid from pipeline where st_intersects(geom,st_setsrid(st_geomfromgeojson(#开挖平面),4490)（4）根据上一步骤的 st_intersection 命令对相交管线进行分类。分别查询出每段管线起点和终点的经纬度、埋深、管径等情况。为提升程序在不同区域通用性，本文实验采用 CGCS2000 地理坐标，如果市政工程中遇到开挖面或管线是平面坐标的情况，可通过 ST_Transform 函数对平面坐标值进行转换，从而得到一致的坐标系。select st_x(geom),st_y(goem),s_deep,e_deep,d_s from pipepoint where 邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 93 exp_no=#点号（5）根据不同相交类型，计算临界点处于管线比例，计算不同情况的最浅埋深。select st_linelocatepoint(st_dump(#管线).geom,st_setsrid(st_geomfromgeojson(#临界点),4490)select s_deep+scale*（s_deep-e_deep)-d_s（6）生成最终的开挖结果。5.计算结果验证 本文选取 12 块不同位置、大小、形状、开挖深度的开挖区域，使用上述方法进行计算，得出结果见表 1 所示。表 1 不同开挖区域的计算结果 研究开挖区域 面积（平方米）开挖深度（米）影响管道（段）人工对照 检测准确率（%）运行时间（ms）kw1 529 0.5 0 100 434 kw2 863 1 1 100 506 kw3 907 1.5 3 100 535 kw4 534 2 3 100 455 kw5 2 752 2.5 10 100 749 kw6 1 640 3 8 100 667 kw7 1 555 3.5 10 100 789 kw8 2 039 4 13 100 717 kw9 8 905 1 6 100 584 kw10 5 929 2 21 100 694 kw11 7 209 3 26 100 854 kw12 8 642 4 33 100 927 四、结束语 本文通过使用 PostGIS 的空间计算能力以及一些数学计算方法，可以准确高效地计算出地面开挖对城市地下管线的潜在影响，减少开挖前现场勘测工作，提高管网开挖安全性。并且 PostGIS 是开放的计算模块，避免商业软件对平台环境的限制。但值得注意的是，本文分析结果受原始测量数据准确性影响较大，地面开挖实际行为还受到水文地质等条件的限制，本文的分析成果可以作为管线开挖的一个必要不充分条件。参考文献：1张鹏程，丘广新，晏四方等.广州市地下管线开挖会签系统开发及应用J.城市勘测，2021，2（01）：17-21.2王子启.城市地下管线三维成图组件设计与实现J.地理空间信息，2021，19（07）：101-105.3王海涛，刘小辉，秦进春等.基于 ArcEngine 的三维地面开挖算法研究J.地理空间信息，2017，15（08）：57-59.4宋锟，沈良.基于 SuperMap 城市三维综合管网信息系统设计J.测绘，2019，42（03）：132-135.5王卫东，赵伟山，李治明.基于 Skyline 城市三维地下管线管理系统的设计与实现J.矿山测量，2018，46（04）：120-123.6赵俊岭.市政管道系统M.北京：机械工业出版社，2019.7夏鹏万.PostGIS 开启开源空间数据库未来J.软件世界，2006，（20）：52-54.8钱建国，张天源，吴锋.基于 PostGIS 的小流域数据库设计与应用研究J.测绘与空间地理信息，2020，43（02）：8-11.9陈文韬，特日根.基于 PostGIS 的遥感数据服务系统检索研究J.测绘与空间地理信息，2021，44（07）：78-83.10方登茂，张晓平，刘梁.基于 PostGIS 的矢量瓦片按需组装技术研究J.城市勘测，2021，10（05）：65-69.