城市地下管線(xiàn)三維建模工具開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

張鵬程，丘廣新，陳 鵬，張秀英

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

城市地下管線(xiàn)三維建模工具開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

張鵬程1，丘廣新1，陳 鵬1，張秀英1

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

首先對(duì)常用的管線(xiàn)三維建模方法進(jìn)行了歸納總結(jié)；在分析不同方法的應(yīng)用范圍、綜合考慮各種建模方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于DirectX9.0、.NET Framework3.5運(yùn)行環(huán)境，采用C++語(yǔ)言，集成開(kāi)發(fā)了管線(xiàn)三維建模工具。以廣州市現(xiàn)有二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)為例，該工具通過(guò)對(duì)編碼、字段、材質(zhì)、特征、附屬物等信息的映射設(shè)置，能快速、高效地實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)的三維建模。

地下管線(xiàn)；三維建模工具；自動(dòng)化建模；映射設(shè)置

地下管線(xiàn)的三維可視化建模、空間分析與輔助決策技術(shù)已廣泛應(yīng)用于管線(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、審批、施工、運(yùn)維等日常管理工作中，并將成為當(dāng)前城市地下管線(xiàn)信息化發(fā)展的新趨勢(shì)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市都開(kāi)展了地下管線(xiàn)普查并同步建立了地下管線(xiàn)綜合管理系統(tǒng)，已積累了較為豐富的二維地下管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。如何在現(xiàn)有二維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究管線(xiàn)三維建模方法，并開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展、可定制、可獨(dú)立運(yùn)行的三維建模工具，從而實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)的快速建模與更新，是城市管線(xiàn)面向三維應(yīng)用的前提。

1 管線(xiàn)三維建模方法現(xiàn)狀分析

1.1 管線(xiàn)三維建模方法概述

目前，國(guó)內(nèi)眾多城市開(kāi)展了管線(xiàn)三維建模方面的研究，并取得了較好的應(yīng)用效果。管線(xiàn)三維建模方法從自動(dòng)化的程度來(lái)看，可分為人工建模和自動(dòng)化建模[1]；從使用的建模軟件來(lái)看，可分為使用第三方專(zhuān)業(yè)建模軟件（3ds Max、Sketchup等）建模和直接使用三維GIS軟件[2]（Skyline、CityMaker等）建模；從管線(xiàn)本身數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，可分為固態(tài)化模型建模和參數(shù)化模型建模[3-4]；從建模的數(shù)據(jù)來(lái)源角度來(lái)看，可分為基于現(xiàn)有的二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模和制定新的三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，然后按照新標(biāo)準(zhǔn)重新進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集并建模[5-6]。

不同的建模方法，其目標(biāo)或應(yīng)用范圍不同：①人工建模能建立精細(xì)、美觀(guān)的管線(xiàn)三維模型，但所有管線(xiàn)段、管線(xiàn)點(diǎn)的連接設(shè)備和附屬設(shè)備都要手工建模，工作量巨大；自動(dòng)化建模通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)化建模工具，能基于二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)快速生成三維模型，效率高，但模型精細(xì)化程度稍差，尤其是對(duì)于不規(guī)則的管線(xiàn)附屬設(shè)備。②第三方專(zhuān)業(yè)建模軟件具有強(qiáng)大的三維建模能力，不僅能構(gòu)建各種規(guī)則的管線(xiàn)段實(shí)體，而且能構(gòu)建各種復(fù)雜、不規(guī)則的管線(xiàn)附屬設(shè)備，但建立好的三維管線(xiàn)模型導(dǎo)入到三維GIS后，由于是外部對(duì)象，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低，尤其是管線(xiàn)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候；三維GIS軟件可直接使用內(nèi)部對(duì)象構(gòu)建規(guī)則的管線(xiàn)段實(shí)體（一般是方形管或圓形管），模型運(yùn)行效率高，但不規(guī)則的附屬設(shè)備難以構(gòu)建。③管線(xiàn)的固態(tài)化模型一般是指不規(guī)則的管線(xiàn)附屬設(shè)備，如水表、閥門(mén)、消防栓等，固態(tài)化模型一般需要借助第三方建模軟件建模，而參數(shù)化模型主要是指管線(xiàn)段實(shí)體、規(guī)則的連接設(shè)備，這些對(duì)象可通過(guò)調(diào)整參數(shù)（管徑的大小、三通的位置、旋轉(zhuǎn)角度等）來(lái)建模。

1.2 廣州市管線(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀與建模方法

不同城市應(yīng)根據(jù)管線(xiàn)三維系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求、現(xiàn)有管線(xiàn)的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)現(xiàn)狀等，采用不同的管線(xiàn)建模思路、軟件和方法。以廣州市為例，自1995 年開(kāi)展地下管線(xiàn)普查、1997年實(shí)施管線(xiàn)竣工驗(yàn)收測(cè)量以來(lái)，目前已建立了包括給水、排水、燃?xì)狻㈦娏?、通信等十大?lèi)、總長(zhǎng)約2.3萬(wàn)km的二維地下綜合管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。同國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市一樣，管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)由管線(xiàn)段和管線(xiàn)點(diǎn)兩大部分構(gòu)成[7-8]，管線(xiàn)段基本是由規(guī)則的方形管和圓形管組成，管點(diǎn)層根據(jù)其“特征”屬性字段標(biāo)識(shí)三通、四通、五通、預(yù)留口、變徑、彎頭和封頭等規(guī)則的連接設(shè)備，根據(jù)其“附屬物”屬性字段標(biāo)識(shí)閥門(mén)、消防栓、水表、調(diào)壓井和污水蓖等不規(guī)則的附屬設(shè)備。

根據(jù)廣州市管線(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有管線(xiàn)三維建模方法及其適用范圍，本文在管線(xiàn)三維建模時(shí)，采用了人工建模與自動(dòng)化建模相結(jié)合、第三方建模軟件和三維GIS軟件相結(jié)合、固態(tài)化模型和參數(shù)化模型建模相結(jié)合的思路及方法：①對(duì)于規(guī)則的管線(xiàn)段（方形管和圓形管）以及規(guī)則的管點(diǎn)連接設(shè)備（三通、四通、變徑、彎頭等），采用參數(shù)化模型建模，利用專(zhuān)業(yè)三維GIS軟件本身內(nèi)部的幾何對(duì)象（長(zhǎng)方體、圓柱體等），進(jìn)行自動(dòng)化的建模，如根據(jù)管線(xiàn)段的長(zhǎng)×寬或半徑來(lái)決定長(zhǎng)方體或圓柱體的三維模型大??；②對(duì)于不規(guī)則的管點(diǎn)附屬設(shè)備（閥門(mén)、消防栓、水表等），采用固態(tài)化模型建模，利用第三方建模軟件（3ds Max等），通過(guò)人工按照1∶1的比例進(jìn)行三維建模仿真[9]，并將模型作為三維符號(hào)導(dǎo)入到三維管線(xiàn)系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)其與管線(xiàn)段的連接方向、管徑、高程和坐標(biāo)等自動(dòng)計(jì)算模型旋轉(zhuǎn)角度、縮放比例等，最終生成相應(yīng)的附屬設(shè)備模型。

2 管線(xiàn)三維建模工具與功能

采用上述方法可實(shí)現(xiàn)二維管線(xiàn)的三維建模，但隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，管線(xiàn)存在定期普查修測(cè)和日?？⒐を?yàn)收測(cè)量的更新需求，而且隨著管線(xiàn)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，管線(xiàn)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（如電信管線(xiàn)的材質(zhì)由銅質(zhì)電纜變?yōu)楣饫w）存在擴(kuò)充、變更的可能。因此，有必要對(duì)上述管線(xiàn)三維建模方法進(jìn)行集成，開(kāi)發(fā)可定制、可配置、可擴(kuò)展的工具。

2.1 工具的主要功能

基于DirectX9.0、.NET Framework3.5運(yùn)行環(huán)境，采用C++語(yǔ)言，對(duì)上述建模方法進(jìn)行封裝，工具在現(xiàn)有二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)shp文件的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)編碼、字段、材質(zhì)、特征、附屬物、埋設(shè)方式等信息的映射設(shè)置，可快速、高效地實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)的三維建模。

2.1.1 分類(lèi)編碼映射設(shè)置

分類(lèi)編碼映射功能支持對(duì)用戶(hù)現(xiàn)有管線(xiàn)數(shù)據(jù)的分類(lèi)和編碼進(jìn)行設(shè)置，包括管線(xiàn)分類(lèi)編碼、特征編碼、附屬設(shè)施編碼和材質(zhì)編碼的定制，如圖1所示。

2.1.2 屬性字段映射設(shè)置

工具默認(rèn)提取現(xiàn)有二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)shp文件中的所有屬性字段，用戶(hù)可根據(jù)三維管線(xiàn)模型實(shí)際的字段查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)等需求，進(jìn)行自定義的配置；其中，管線(xiàn)段起終點(diǎn)的編號(hào)、管頂（底）高程、埋深、管徑或斷面尺寸、管線(xiàn)材料、埋設(shè)方式等為必選字段，而管線(xiàn)點(diǎn)必須包括XY坐標(biāo)、地面高程、管頂/底高程、井深、特征、附屬物等字段。圖2為屬性字段的設(shè)置管理功能。

圖1 分類(lèi)編碼設(shè)置管理

圖2 屬性字段設(shè)置管理

2.1.3 值域映射設(shè)置

工具自動(dòng)提取二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)shp文件中材質(zhì)、特征、附屬物、埋設(shè)方式字段值中的內(nèi)容，并將讀取到的結(jié)果自動(dòng)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行匹配，不能匹配的，支持用戶(hù)手工指定。圖3為管線(xiàn)材質(zhì)的設(shè)置管理功能。

圖3 材質(zhì)設(shè)置管理

2.1.4 紋理、設(shè)施材質(zhì)映射設(shè)置

紋理、設(shè)施材質(zhì)映射包括對(duì)管線(xiàn)段的紋理、附屬物的材質(zhì)及模型進(jìn)行設(shè)置的功能（圖4）。其中，附屬設(shè)施模型如分線(xiàn)箱、上桿、閥門(mén)、消防栓、水表等屬于固態(tài)化模型，需要采用人工建模的方法，利用第三方建模軟件，事先按照1∶1的比例進(jìn)行三維建模仿真并導(dǎo)入到工具中。

2.2 工具的應(yīng)用示例

利用該工具方便、快捷地實(shí)現(xiàn)了覆蓋廣州市約760 km2區(qū)域、總長(zhǎng)度為2.3萬(wàn)km地下管線(xiàn)的批量、自動(dòng)化建模。生成的三維管線(xiàn)紋理、材質(zhì)符合相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、管線(xiàn)段與管線(xiàn)點(diǎn)的特征、附屬設(shè)備耦合度高，整個(gè)三維場(chǎng)景形象、逼真，同時(shí)支持三維場(chǎng)景下的管線(xiàn)瀏覽、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析、量算和標(biāo)注等功能，如圖5所示。

圖4 附屬設(shè)施材質(zhì)、模型設(shè)置管理

圖5 管線(xiàn)三維場(chǎng)景效果

作為可配置、可定制、可獨(dú)立運(yùn)行的工具，支持對(duì)日?？⒐を?yàn)收測(cè)量工程管線(xiàn)數(shù)據(jù)的快速建模與更新，確保管線(xiàn)三維模型庫(kù)的現(xiàn)勢(shì)性。此外，該工具可擴(kuò)展性強(qiáng)，例如，增加了某類(lèi)管線(xiàn)，只需在圖1分類(lèi)編碼映射設(shè)置中增設(shè)相應(yīng)的管線(xiàn)分類(lèi)及編碼即可；某類(lèi)管線(xiàn)增加了某種材質(zhì)，只需在圖3材質(zhì)設(shè)置管理中增加相應(yīng)的新材質(zhì)即可；增加了某類(lèi)不規(guī)則的管線(xiàn)附屬設(shè)備，只需在第三方建模軟件中建好該模型，導(dǎo)出為usx格式，并在本工具的圖4設(shè)施材質(zhì)映射設(shè)置中增加即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在總結(jié)現(xiàn)有管線(xiàn)三維建模方法及其應(yīng)用范圍的基礎(chǔ)上，針對(duì)管線(xiàn)動(dòng)態(tài)更新和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的變更需求，開(kāi)發(fā)了可配置、可擴(kuò)展、可獨(dú)立運(yùn)行的管線(xiàn)三維建模工具，并以廣州市為例，利用該工具實(shí)現(xiàn)了海量二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)的三維快速建模。

應(yīng)用實(shí)踐表明，該工具具有如下特色：①基于可獨(dú)立部署、運(yùn)行的特性，在管線(xiàn)普查修測(cè)、竣工驗(yàn)收后，可利用工具快速生成更新區(qū)域的三維模型，實(shí)現(xiàn)三維管線(xiàn)模型的更新與二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)更新的同步；②隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，管線(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存在變更需求，利用工具可擴(kuò)展、可定制的特性，通過(guò)簡(jiǎn)單的配置（分類(lèi)編碼、屬性、材質(zhì)、特征、附屬物等信息的映射設(shè)置），可滿(mǎn)足相應(yīng)的變更需求；③體現(xiàn)了人工建模與自動(dòng)化建模相結(jié)合、第三方建模軟件和三維GIS軟件相結(jié)合、固態(tài)化模型建模和參數(shù)化模型建模相結(jié)合的建模思路。

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10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.027

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1672-4623（2016）07-0085-03隨著計(jì)算機(jī)軟硬件、三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展，

張鵬程，博士，正高職高級(jí)工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)與地圖編制工作。

2014-09-30。