城市地下管網(wǎng)三維精細(xì)化建模與實現(xiàn)

摘要：城市地下管網(wǎng)是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，建成完善的城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和信息管理系統(tǒng)顯得尤為重要。因此，基于城市地下管網(wǎng)的三維信息系統(tǒng)應(yīng)運而生。本文論述了地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)處理與存儲設(shè)計，介紹了地下管網(wǎng)三維精細(xì)化模型構(gòu)建方法和效果，一定程度上提高了城市地下管網(wǎng)三維可視化的逼真程度。

關(guān)鍵詞：地下管網(wǎng);三維;建模;Sweep;Mesh;效果

1"引言

城市地下管網(wǎng)由給水、排水、燃?xì)?、熱力、電力、電信管網(wǎng)等組成，各類管網(wǎng)縱橫交錯地分布在城市地下空間，構(gòu)成了復(fù)雜的地下管網(wǎng)空間體系。隨著信息社會的飛速發(fā)展，清楚的了解掌控城市地下管網(wǎng)情況，可為城市的有效規(guī)劃、系統(tǒng)性建設(shè)和高效管理提供有力的決策支持。而傳統(tǒng)二維地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)有著空間表現(xiàn)能力差[1]、空間查詢分析功能缺乏、交互性差等局限性，因此城市地下管網(wǎng)三維信息系統(tǒng)是管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的一個新方向。下面就城市地下管網(wǎng)三維精細(xì)化建模與實現(xiàn)進(jìn)行探討。

2"管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)處理與存儲設(shè)計

2.1"數(shù)據(jù)處理

要建立管網(wǎng)的三維系統(tǒng)，那么必須以規(guī)范準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)為參照，所以在對管網(wǎng)進(jìn)行建模前就要根據(jù)這些數(shù)據(jù)理清管網(wǎng)和建筑相互之間的關(guān)系，此外還包括規(guī)范性的參數(shù)、拓?fù)涞?，其主要的檢查內(nèi)容在下表中表示。

表1""檢查內(nèi)容

進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)必須通過嚴(yán)格的檢查和處理，并符合相關(guān)要求，才能形成動態(tài)管網(wǎng)模式下的數(shù)據(jù)源。

2.2"存儲并設(shè)計三維數(shù)據(jù)

在三維管網(wǎng)存儲數(shù)據(jù)的功能中包含了管網(wǎng)的容器和節(jié)點，而在每一個要素中又包括管網(wǎng)線表以及管網(wǎng)點表，在表中會對附屬物等各種信息進(jìn)行詳細(xì)的記錄，而在線表中則會記錄容器以及線的相關(guān)內(nèi)容。這種數(shù)據(jù)庫是通過Oracle10g+ArcSDE方法來達(dá)到存儲數(shù)據(jù)與非數(shù)據(jù)的目的，存儲數(shù)據(jù)的相關(guān)情況見下表。

表2"字段管點層

以上數(shù)據(jù)在表格中列出，此外包括的數(shù)據(jù)還有圖片的存儲以及相關(guān)演示文檔的應(yīng)用，可以有效增加動畫視覺上的效果。

3"精細(xì)化建模研究

在對管網(wǎng)進(jìn)行建模時不但要對固態(tài)的模型進(jìn)行充分的考慮，還要對動態(tài)模型進(jìn)行考慮，這就是與其他的三維系統(tǒng)區(qū)別最大的地方。固態(tài)建模也就是通過3DMax以1：1的比例做的模型，包括電桿或是閥門等，動態(tài)的則表示隨屬性比較大并且根據(jù)管點尺寸大小如彎頭、三通等。本文主要是對動態(tài)的模型所需要的建模方式以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探討。

3.1"Sweep+Mesh方法

很多的管網(wǎng)體都輸于比較規(guī)則的圓筒，可以將管網(wǎng)那個看作是連接直管以及直管之間的兩部分構(gòu)成，它們的幾何屬性可以通過長度、位置等方面的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的計算和測量。而三維建?？梢圆捎弥亟ǖ男问竭M(jìn)行，其中出現(xiàn)的問題則是通過管網(wǎng)的中心線相關(guān)的坐標(biāo)情況如何對其表面頂端的坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，這個問題的難度在其表面具有轉(zhuǎn)折處，要充分對其進(jìn)行考慮。通過Sweep+Mesh可以對其表面的轉(zhuǎn)折處做有效的拼接，也就是把管網(wǎng)當(dāng)作是連續(xù)畫面，連接中心線并在段點上建立坐標(biāo)從而對相應(yīng)的表面定點坐標(biāo)進(jìn)行計算，于是形成了連續(xù)性比較強(qiáng)的網(wǎng)格。

Sweep則是在計算機(jī)繪圖中比較常用的一種手段，通過這種手段建模的方式首先就要確定截面與軌跡線，隨后根據(jù)軌跡線的情況對截面進(jìn)行掃描，逐漸形成模型。用戶可以根據(jù)自己的意愿指定截面以及軌跡線的形狀，所以采用這種造型的方式具有很高的靈活性。它是面、點和邊的集合，其定義包括了多面體，也就是包括四邊形片或是三角形片的各種多邊形片組成，同時它還是一種較好的表達(dá)方式，采用各種多邊形面片對曲表面進(jìn)行表達(dá)，隨即生成Sweeo模型，并由截面在軌跡線的運動過程計算出定點的具體坐標(biāo)，具體情況由下圖所示。

圖1""造型方法探討

工作流程的具體情況：

1）在管網(wǎng)的軌跡線的位置進(jìn)行處理。

2）軌跡線位置上建立坐標(biāo)，為了保證其連續(xù)性框架的實現(xiàn)，可以采用倒圓角或是分段處理的形式對管網(wǎng)進(jìn)行處理，同時生成坐標(biāo)的框架，保證表面得以連續(xù)，具體情況見下表2。

3）分布在截線的坐標(biāo)要進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。

4）網(wǎng)格的建立。

5）渲染以后生成三維管網(wǎng)。

圖2""軌跡線的處理

3.2"模型工藝創(chuàng)建的流程分析

在對三維系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)建的過程中需要面對的一個難題就是海量模型相關(guān)的數(shù)據(jù)加載，為了保證系統(tǒng)得到充分并且流暢的應(yīng)用，必須通過預(yù)集中生成的形式并展示后流媒體的方式對這個問題進(jìn)行有效的解決。以下就針對這種解決方式進(jìn)行深入的探討，具體情況如下圖3所示。

在對模型最原始的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的檢查并已符合規(guī)范以后，這些數(shù)據(jù)才能在拓?fù)潢P(guān)系中進(jìn)行處理，經(jīng)過加工后從而在三維模型中形成有效利用數(shù)據(jù)。通常情況下，管網(wǎng)的完整模型工藝流程要通過5個形式才能實現(xiàn)，包括管點的生成、模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)的發(fā)布、數(shù)據(jù)的搜索與生成以及數(shù)據(jù)發(fā)布與入庫。這需要一個完整的處理流程才能得到有效數(shù)據(jù)加以使用，具體的數(shù)據(jù)包括以下三類。

圖3""創(chuàng)建數(shù)據(jù)的工藝流程情況

1）數(shù)據(jù)在瀏覽以后顯示在管網(wǎng)三維中;

2）數(shù)據(jù)被搜索出來以后，可以通過查詢等各種形式互查。

4"實現(xiàn)的效果

由上述的剖析可知，通過檢查數(shù)據(jù)可以滿足二維管網(wǎng)的需要，通過制作3DMax則可以實現(xiàn)三維固態(tài)的模型，此外將三維動態(tài)模型算法以及預(yù)集中數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的創(chuàng)建與整合，能夠形成一個有效的管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。下面的三個圖示則是代表系統(tǒng)管點以及管段創(chuàng)建出來的模型效果。

圖4""管網(wǎng)生成的動態(tài)情況

圖5""大小不同的動態(tài)模型

圖6""井內(nèi)相關(guān)設(shè)施情況

5"結(jié)束語

由上述情況可知，地下管網(wǎng)如今已成為了城市生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其追求精細(xì)的建模必須引起人們足夠的重視。大量的歷史經(jīng)驗和實踐證明，采用地下管網(wǎng)精細(xì)化的三維建模方式是具有可靠性的，能夠為人們展示更多的空間特性，使內(nèi)部表達(dá)更加準(zhǔn)確，全面地展現(xiàn)模型的內(nèi)部信息。

參考文獻(xiàn)：

[1]扈震;徐獅.地下管網(wǎng)設(shè)施三維精細(xì)化模擬技術(shù)研究[J].中國給水排水，2012（17）.

[2]畢天平;孫立雙;錢施光.城市地下管網(wǎng)三維整體自動建模方法[J].地下空間與工程學(xué)報，2013（S1）.