三維城市地下管網(wǎng)規(guī)劃輔助系統(tǒng)研究

陶迎春，鄭國江，楊伯鋼

一、引 言

城市地下管網(wǎng)包括給水、排水、燃?xì)?、熱力、電信、電力、工業(yè)管道等多種類型，是城市內(nèi)極其重要的基礎(chǔ)設(shè)施。隨著城市建設(shè)的日益現(xiàn)代化，地下管線設(shè)施種類越來越多、數(shù)量也越來越龐大，形成了錯(cuò)綜復(fù)雜、密如蛛網(wǎng)的局面［1］。如果沒有一套完整準(zhǔn)確的信息資料和科學(xué)的管理方法，要想使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)和預(yù)防事故發(fā)生極其困難。尤其在市政管線的規(guī)劃過程中，如果不能掌握既有管道的位置及走向，則新規(guī)劃管線很有可能與舊有管線沖突，從而增加鋪設(shè)難度，甚至使規(guī)劃失敗［2］。傳統(tǒng)的市政管線的規(guī)劃設(shè)計(jì)及審批主要依靠多專業(yè)疊合的二維“平面圖+剖面圖”，圖面繁亂，不夠直觀，對于多管交叉的復(fù)雜部位表達(dá)不夠充分，且難以進(jìn)行全面的分析［3］。而三維技術(shù)恰恰能彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，在地下管網(wǎng)的展示及規(guī)劃管理中更具優(yōu)勢。因此，迫切需要建立內(nèi)容綜合、分析準(zhǔn)確、形象直觀的三維城市地下管網(wǎng)規(guī)劃輔助系統(tǒng)，將“看不見、摸不著”的地下管線形象、直觀、快速地展示，并提供多樣化的分析功能，為市政管線的規(guī)劃、審批、管理提供定性、定量、定位的科學(xué)輔助決策信息［4］。

二、三維管網(wǎng)快速建模及場景組織

1.三維管網(wǎng)快速建模

現(xiàn)有地下管線數(shù)據(jù)多采用通用二維矢量形式存儲(chǔ)，按照管線種類分為8類，每一類管線數(shù)據(jù)又包括點(diǎn)狀管點(diǎn)和線狀管線數(shù)據(jù)兩種。為實(shí)現(xiàn)三維管網(wǎng)可視化，需要基于二維數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模［5-6］。本文中采用管點(diǎn)三維符號(hào)化和管段自動(dòng)生成的方式構(gòu)建三維管網(wǎng)場景，其實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 三維管網(wǎng)快速建模流程

三維管網(wǎng)快速建模主要分為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和三 維模型自動(dòng)生成兩個(gè)階段。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是將源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)（見表1）。對于管點(diǎn)模型自動(dòng)化生成，首先將所有管點(diǎn)按照所匹配的模型進(jìn)行三維符號(hào)化，然后對于管線連接類管點(diǎn)（如三通等），進(jìn)一步按照管線方向、管徑、高程等計(jì)算模型旋轉(zhuǎn)角度和縮放比例，最終生成管點(diǎn)三維模型。對于管線模型自動(dòng)化生成，首先將管線表面進(jìn)行微分處理，即將每段管線以圓柱面或方柱面模擬，用多片的方式實(shí)現(xiàn)建模，其中方溝由4個(gè)片構(gòu)成，圓管則將外環(huán)劃分為8個(gè)片（片數(shù)越多，描述越精確）；然后在管線銜接處作圓滑處理，即為避免兩段圓柱面相交，在管段首尾銜接處以圓弧拐角替代折線拐角，并將圓弧拐角細(xì)分后生成斜圓柱面，從而實(shí)現(xiàn)管線過渡圓滑、逼真形象（如圖2所示）。

表1 用于三維建模的管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖2 管點(diǎn)與管線三維模型

2.三維場景組織

對于大多數(shù)三維場景（尤其是地下管網(wǎng)）的渲染來說，三維場景數(shù)據(jù)的管理從來都是一個(gè)不可忽視的問題。成千上萬的管點(diǎn)設(shè)施、管網(wǎng)和地面建筑場景數(shù)據(jù)，如果沒有一個(gè)合適的場景組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就無法有效地對它們進(jìn)行管理，從而無法高效地渲染這些海量場景。

場景圖是一種將場景中的各種數(shù)據(jù)以圖的形式組織在一起的場景數(shù)據(jù)管理方式（如圖3所示）。它是一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，根節(jié)點(diǎn)是整個(gè)場景，樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有任意多的子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)場景集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括幾何物體、光源、相機(jī)、聲音、物體包圍盒、變換和其他屬性。在渲染過程中，按場景圖的組織，按照深度優(yōu)先的順序?qū)Ω鱾€(gè)物體進(jìn)行渲染，從而保證渲染的有序性［7］。場景圖形除了提供幾何和狀態(tài)管理功能外，還具有場景揀選（投影剔除和隱藏面剔除）、細(xì)節(jié)層次（LOD）、透明渲染等附加特性和功能，以減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、提升程序性能，保證場景高效渲染、正確顯示。

圖3 場景圖組織示意圖

三、地上地面地下一體化三維可視化

由于地下管線的復(fù)雜性，在地下管線信息管理系統(tǒng)中，沒有地面地物的定位與參照，單靠三維地下管線是無法直觀表達(dá)管線空間分布的，因此在地下管線管理系統(tǒng)中也要表達(dá)地上三維地物，如地面、建筑物等。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對地下三維場景的3種表達(dá)方式，從而實(shí)現(xiàn)了完整的空間信息表達(dá)，方便查看地下管線與地面道路、地上建筑的相對位置，為地上地表地下一體化協(xié)同分析打下了基礎(chǔ)。

1）地下鏡頭模式:該模式下，場景不僅繪制當(dāng)前地面下的可見管線，還可根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)內(nèi)所能看到的場景范圍，選擇并繪制可見范圍內(nèi)的道路面、地上建筑等（如圖4所示）。整個(gè)場景在視覺感受上趨于完整，不僅可看到地上景觀，也可看到地下布局［8］。

圖4 地上地面地下三維一體可視化場景

2）地表透明模式:地表透明模式是將地表材質(zhì)采用半透明渲染，增加地下管線的可見度。該模式應(yīng)用在地形平坦的區(qū)域較為適合，在地形復(fù)雜多變的山區(qū)丘陵地帶將會(huì)因半透明三角形的排序問題產(chǎn)生一些視覺上的混亂，即遠(yuǎn)近景混淆。

3）地形開挖模式:地形開挖模式是一種較為成熟的地下設(shè)施表達(dá)方式，對某一區(qū)域按劃定多邊形進(jìn)行地形開挖，開挖后的地形按指定深度進(jìn)行沉降，此時(shí)原來位于地表以下的地下管線設(shè)施將呈現(xiàn)出來。

四、三維管網(wǎng)規(guī)劃輔助分析

管線分析有橫斷面分析、縱斷面分析、流通分析、連通分析、凈距分析等幾種空間分析模型［9-11］。目前國內(nèi)較為常用的二維GIS管線分析平臺(tái)受到其二維基礎(chǔ)的限制，一些非常重要的分析功能如三維距離量算、管網(wǎng)碰撞檢測等可用性和實(shí)用性不足，且表達(dá)不夠直觀。本系統(tǒng)針對以上問題，充分發(fā)揮三維GIS把地理數(shù)據(jù)展示在三維立體空間中、符合人類對地理空間認(rèn)知、表現(xiàn)力強(qiáng)大的特點(diǎn)，在常見的管線分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量擴(kuò)展。

1）立體橫斷面圖及截面線距計(jì)算。橫斷面圖示表示的是與給定切面相交的管線分布情況。傳統(tǒng)的二維橫斷面圖是一張二維圖表，包括橫軸（切線長度）、縱軸（高程）、地平線、管徑、交點(diǎn)位置等幾種要素。本系統(tǒng)除了生成傳統(tǒng)的二維橫斷面圖外，還生成了立體橫斷面圖，在三維空間中顯示管間距、管頂高、地面高，并提供了橫斷線距功能，可計(jì)算截面上兩條管線的直線距離、水平距離、垂直距離（如圖5所示）。

圖5 立體橫斷面圖

2）立體縱斷面圖及斷面投影。縱斷面圖展示了某一條管線沿道路走向的埋設(shè)情況。傳統(tǒng)的二維縱斷面圖包括橫軸（沿管線走向長度）、縱軸（高程）、各管點(diǎn)高和地面高程。由于橫軸與縱軸長度相差較大，一般選擇不同的比例。本系統(tǒng)除了生成傳統(tǒng)二維縱斷面圖，還生成了立體縱斷面圖，在三維豎直剖面顯示管線的地面高程、管頂高程、埋深等屬性信息。系統(tǒng)還開發(fā)了斷面投影功能，即在作縱斷面分析的基礎(chǔ)上，將附近的管線水平投影到縱斷面剖面上，以展示一定范圍內(nèi)沿管線方向的各管線段的埋深及位置關(guān)系（如圖6所示）。

圖6 立體縱斷面圖

3）流向、爆管等分析結(jié)果動(dòng)態(tài)顯示。流向分析按照給排水管的起止點(diǎn)高程信息，判斷管網(wǎng)內(nèi)部水流流向（由高到低），流向分析的結(jié)果采用三維動(dòng)態(tài)箭頭狀紋理表現(xiàn)。爆管分析檢索與某一管線周圍最近的閥門及與閥門連接的管線，并且可以分析爆管影響的周邊范圍。傳統(tǒng)爆管分析的結(jié)果一般是二維表格，顯示相關(guān)閥門編號(hào)、管線編號(hào)及影響單位名稱等。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，用三維動(dòng)畫的效果來顯示分析結(jié)果，如用動(dòng)態(tài)煙霧標(biāo)識(shí)事發(fā)點(diǎn)、用閃爍圖片標(biāo)識(shí)受影響用戶，更為形象直觀。

4）基于管間距分析的規(guī)劃設(shè)計(jì)驗(yàn)證。管間距分析的數(shù)學(xué)模型是計(jì)算立體空間內(nèi)兩條線段的水平距離和垂直距離的。市政規(guī)劃對不同類型管線間的間距閥值有明確的規(guī)定。本系統(tǒng)在管間距分析的基礎(chǔ)上，可動(dòng)態(tài)添加、導(dǎo)入多條管線，并進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)驗(yàn)證，一次性計(jì)算各條規(guī)劃管線與現(xiàn)狀管線、建筑物的距離，從而選出不符合規(guī)定的管線。

5）地形挖洞及土方計(jì)算。土方計(jì)算是在DEM的支持下，根據(jù)挖洞形狀和挖土厚度計(jì)算挖土總量。本系統(tǒng)在工程挖方計(jì)算的基礎(chǔ)上，還利用三維場景中的地形開挖模式，展示挖洞的效果及洞內(nèi)管線。

五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

結(jié)合城市地下管網(wǎng)規(guī)劃編制、審批、決策的業(yè)務(wù)需求，在成熟的自主三維GIS平臺(tái)CityMaker上開發(fā)針對管線的功能模塊插件，最終將地上、地面、地下數(shù)據(jù)無縫集成在統(tǒng)一的三維GIS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理、規(guī)劃分析、應(yīng)用分析等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)圖

目前，該系統(tǒng)已獲得了計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)1項(xiàng)（證書號(hào):軟著登字第0379000號(hào)），并在北京市西城區(qū)規(guī)劃分局的管線規(guī)劃管理中得到了實(shí)際應(yīng)用。通過專題數(shù)據(jù)共享結(jié)合實(shí)地調(diào)研，建立示范區(qū)（金融街范圍，約631 km管線，近萬個(gè)管點(diǎn)，2萬余管段）的綜合地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海量地下管線數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模，三維瀏覽模式靈活、效率高、畫面逼真，并實(shí)現(xiàn)了查詢、輔助規(guī)劃分析等應(yīng)用功能，分析結(jié)果形象直觀，有助于避免市政建設(shè)工程中道路的多次開挖，降低施工中地下設(shè)施的矛盾與事故隱患，提高管線工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工與管理的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，為城市地下空間的利用提供基礎(chǔ)保障，節(jié)省規(guī)劃審批中的挖路斷面，確定管線走向的費(fèi)用，縮短規(guī)劃周期，減少了因規(guī)劃決策造成的經(jīng)濟(jì)損失等，為城市地下管網(wǎng)的規(guī)劃管理提供了極具價(jià)值的輔助決策信息。

六、結(jié)束語

本文通過管線數(shù)據(jù)自動(dòng)化建模、地上地面地下三維一體化可視化、管線三維空間分析模型等研究，最終形成了三維城市地下管網(wǎng)規(guī)劃輔助系統(tǒng)，為地下管線的科學(xué)管理提供了技術(shù)手段。系統(tǒng)研制過程中，根據(jù)管線數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了基于二維數(shù)據(jù)的三維管網(wǎng)快速建模流程，解決了管點(diǎn)、管線數(shù)據(jù)三維建模問題；基于場景圖進(jìn)行三維場景組織管理，顯著提高了海量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)用效率；通過地面透明、地下模式等多種形式顯示三維場景，更加直觀地體現(xiàn)管線周邊空間信息；根據(jù)規(guī)劃應(yīng)用的需求，發(fā)揮三維立體展現(xiàn)優(yōu)勢，創(chuàng)新了管線分析結(jié)果的展現(xiàn)形式；采用基于三維GIS平臺(tái)與擴(kuò)展插件的應(yīng)用開發(fā)模式，使得系統(tǒng)的搭建及擴(kuò)展具有很高的靈活性。上述技術(shù)和所研制的三維城市地下管網(wǎng)規(guī)劃輔助系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了本文方法的正確性和系統(tǒng)的可行性、實(shí)用性。

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