城市地下管線三維建模關鍵技術研究

盧丹丹，譚仁春，郭明武，李鵬鵬

(1. 武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2. 精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430022)

城市地下管線三維建模關鍵技術研究

盧丹丹1,2，譚仁春1,2，郭明武1,2，李鵬鵬1,2

(1. 武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2. 精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430022)

隨著城市地下管線信息化管理、表達和應用從二維向三維延伸，本文結合武漢市地下管線三維模型建設工作，在開展了大量研究與實踐的基礎上，針對地下管線三維建模的高精度自動化、局部更新快速化和地上地下一體化等關鍵技術提出了一些新的方法與思路，為國內(nèi)其他城市開展類似工作提供了參考。

地下管線；三維建模；關鍵技術；自動化建模；地上地下一體化

利用三維可視化和虛擬現(xiàn)實技術，開展地下管線三維模型重建，能夠直觀再現(xiàn)地下管線間縱橫交錯、上下起伏的空間位置關系，解決傳統(tǒng)二維管線空間關系不明晰、顯示效果不直觀等問題，為輔助地下管線、綜合管廊和海綿城市的規(guī)劃建設、合理集約利用地下空間、保障管線安全提供有效的技術支撐。因此，城市地下管線的信息化管理、表達與應用正經(jīng)歷著從二維到三維的跨越。

隨著國辦發(fā)〔2014〕27號和建城〔2014〕179號文件的下發(fā)，建立地下管線三維模型和開發(fā)三維管線信息系統(tǒng)成為全國管線普查工作的重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)的地下管線三維模型重建一般采用手動(如利用3ds Max等建模工具)、半自動(如程序+建模工具的方式)和自動建模3種方式，以滿足地下管線的三維瀏覽、查詢、分析與應用需求，但或多或少存在三維管線模型精度不夠、建模效率不高、與地上三維模型不能銜接一致、更新維護煩瑣和三維展示效果單一等問題。

隨著虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展和地下管線三維應用的不斷深化，地下管線三維建模正朝著高精度自動化、局部更新快速化和地上地下一體化等方向發(fā)展。筆者結合武漢市正在開展的地下管線普查及三維信息化建設工作，重點針對地下管線三維建模工作提出一些新的思路和方法，為國內(nèi)其他城市開展類似工作過程提供參考。

1 關鍵技術

地下管線三維建模的關鍵技術包括很多，本文主要在開展了相關研究與實踐的基礎上，針對地下管線三維建模的技術方法、更新手段和展示應用等方面，結合武漢市實際情況，提出如下關鍵技術。

1.1 高精度自動三維建模技術

地下管線三維建模的依據(jù)是管線普查數(shù)據(jù)，管線普查數(shù)據(jù)由管點和管線段組成，對象多，數(shù)據(jù)量大；同時，地下管線三維模型成果一般應用于工程級項目，對三維模型的細節(jié)和精度要求較高。采用手動或半自動建模雖然精度可以滿足要求，但存在效率低、成本高和周期長等問題，高精度自動建模成為地下管線三維建模的首選技術方法。

筆者研究了一套高精度自動三維建模的技術方法與流程。自動建模思路是利用二維管線普查數(shù)據(jù)，根據(jù)各類管線點和管線段的特點，采用不同方式，通過空間、屬性和材質信息映射，實時驅動生成地下管線三維模型。其建模方法是針對形態(tài)規(guī)則且結構單一的管線段，通過二維管線段的定位、管徑和材質信息映射，利用OpenGL實時繪制三維管線段；針對形態(tài)不規(guī)則但可復用的管線點，如閥門、消防栓、接線箱等，通過預先建立高精度的三維模型構件庫，經(jīng)過二維管線點的定位、定向和類型信息映射，實時生成三維管線點；針對形態(tài)規(guī)則但不可復用的管線點，如變徑、彎頭、三通等，經(jīng)過二維管線點的定位、定向、管徑和材質信息映射，分別建立主管和支管模型，通過OpenGL布爾運算，并集剖切連接形成完整的實體模型。具體建模流程如圖1所示。

圖1 地下管線高精度自動三維建模流程

1.2 三維模型局部快速更新技術

隨著城市建設的快速發(fā)展，地下管線建設的速度和頻率也在不斷增強，傳統(tǒng)的手動三維更新或整體覆蓋更新的方式已不適用于地下管線三維模型的管理和應用。隨著計算機軟硬件和三維可視化技術的不斷發(fā)展，地下管線三維模型的局部快速更新成為管線三維模型更新的主要方式。

筆者通過武漢市地下管線三維模型應用的實際需求，研究出一套可在不關停數(shù)據(jù)服務器的前提下，進行任意范圍內(nèi)的管線數(shù)據(jù)局部在線更新。具體思路是在地下管線高精度自動三維建模的基礎上，通過對二維管線普查數(shù)據(jù)庫的自動探測，提取二維管線數(shù)據(jù)庫更新信息，主動在三維系統(tǒng)中進行單體管線模型及其附屬設施的重建；因管網(wǎng)中管線的增加或減少導致其拓撲結構發(fā)生變化，自動建模工具也會同步更新其拓撲關系，精細化地建立管段和拓撲連接關系驅動的管點三維實體模型。在不影響日常使用的前提下，實現(xiàn)三維管網(wǎng)模型的局部高效更新，保證了三維模型與二維屬性數(shù)據(jù)的嚴格一致，為基于三維的管線管理和分析提供了高時效性的數(shù)據(jù)基礎。

1.3 地上地下三維模型無縫集成技術

城市地下管線三維模型的展示和應用離不開對地上三維模型的集成，由于城市地上三維模型通常在源數(shù)據(jù)精度、建模方法和模型精度要求等方面與地下管線三維模型不一致，直接導致地上地下三維模型在集成應用中經(jīng)常出現(xiàn)平面和高程位置沖突的現(xiàn)象，迫使地上或地下三維模型必須修改或重建。筆者在總結了武漢市地上地下一體化集成經(jīng)驗的基礎上，針對當前主流的城市地上現(xiàn)狀三維建模方法，提出一套地上地下三維模型無縫集成技術路線。

1.3.1 針對CAD建模方式

在源數(shù)據(jù)的選擇上，由于制作管線三維模型的源數(shù)據(jù)是1∶500管線普查成果，比常規(guī)CAD建模方式制作的地上三維模型的源數(shù)據(jù)1∶2000地形圖精度高。因此，為了實現(xiàn)地上地下的無縫銜接，基于CAD方式的地上三維建模的源數(shù)據(jù)精度應與管線普查成果精度一致。特別是與地下管線平面重疊最多的交通設施三維模型，應嚴格選擇1∶500地形圖或DEM作為源數(shù)據(jù)進行三維建模，以保證地上三維模型成果精度與地下管線模型成果精度的一致(如圖2所示)。

圖2 CAD建模方式下地上與地下管線三維模型集成展示效果

在建模流程上，交通設施是現(xiàn)代城市的主要骨架，是城市三維模型平面和高程坐標控制的關鍵，也是與地下管線三維模型平面重疊最多的，因此，應先從交通設施三維模型上把握城市骨架的高程精度，再通過交通設施控制地面高程精度，最后通過地面高程精度控制地面建模對象的接地點高程精度，最終實現(xiàn)地面高程精度與地下管線高程精度的統(tǒng)一與銜接。

1.3.2 針對低空無人機傾斜攝影三維建模方式

無人機技術和傾斜攝影測量三維建模軟件的飛速發(fā)展推動了傾斜攝影測量在城市地上現(xiàn)狀三維建模中的應用，全國很多城市(如廣州、天津和武漢等)都開始利用無人機傾斜攝影方式建立城市地上三維模型。由于無人機低空傾斜攝影具有精度高、比例尺大的特點，且能夠構建高精度DEM數(shù)據(jù)，因此，在無人機傾斜攝影制作的地上三維模型場景下展示三維管線時，地下管線三維模型的高程信息由低空無人機傾斜攝影制作的DEM數(shù)據(jù)擬合確定，通過程序自動控制匹配，以實現(xiàn)地上地下三維模型的無縫集成。

1.4 三維模型展示與表達技術

為了優(yōu)化三維模型展示效果，城市地上三維模型通常采用構建天空球、打燈烘烤等方式增強真實感，地下管線由于具有隱蔽性和離散性的特點，在三維信息展示和信息解譯方面比地上困難，因此，更需要通過附加手段優(yōu)化三維模型展示與表達效果。

1.4.1 通過構建路槽增強不同管線間的立體關系

地下管線三維模型的展示背景通常采用黑色或其他純色，管線三維立體效果不能充分得到展現(xiàn)。筆者在武漢市地下管線三維模型展示和應用的實踐中發(fā)現(xiàn)，通過構建路槽的展示方式可大大提升地下管線三維模型不同對象間的立體關系，圖3為不構建路槽和構建路槽兩種方式的三維展示效果對比。

圖3 有無路槽管線三維模型效果對比

1.4.2 通過Shader技術實現(xiàn)管線光影效果

Shader(渲染或稱著色)是一段能夠針對三維對象進行操作、并被GPU所執(zhí)行的程序。通過這些程序，程序員就能夠獲得絕大部分想要的三維圖形效果。筆者將Shader技術應用于管線三維模型展示，不需要打燈烘烤制作貼圖，即可實時產(chǎn)生管線三維模型的自帶光影效果，大幅提高了管線三維模型的顯示效果。圖4為有無Shader技術下的管線三維模型效果對比。

圖4 有無Shader管線三維模型效果對比

2 應用實例

針對上述關鍵技術的研究，筆者已進行了相關開發(fā)和實踐，目前研究成果已經(jīng)應用于武漢市城市地下管線綜合信息平臺建設工作中并取得了很好的效果。具體應用實例如圖5所示。

3 結 語

本文主要結合武漢市地下管線三維模型建設工作，針對地下管線三維建模的關鍵技術提出了一些思路和方法，并進行了針對性的研究與實現(xiàn)，實踐證明是可行的。目前，全國正在大力開展城市地下管線普查與三維信息化建設工作，本文提出的一些關鍵性技術可為其他城市提供一定的參考。

[1] 朱慶,林琿.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng):虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探[M].武漢：武漢大學出版社,2004.

[2] 寧振偉,朱慶,夏玉平.數(shù)字城市三維建模技術與實踐[M].北京：測繪出版社,2013.

[3] 丁鵬輝,李志剛,董紹環(huán),等.城市地下管線信息系統(tǒng)關鍵技術研究[J].測繪通報,2015(11):92-95.

[4] 李清泉,嚴勇,楊必勝,等.地下管線的三維可視化研究[J].武漢大學學報(信息科學版),2003,28(3):277-282.

[5] 劉維敏,姚志強,王峰,等.基于OpenGL城市大規(guī)模管網(wǎng)三維建模[J].測繪科學,2010,35(3):185-189.

[6] 畢天平,周京春.昆明三維地下管線系統(tǒng)應用與研究[J].測繪通報,2014(2):93-96.

[7] 陶為翔,劉黎明,羅小兵,等.基于數(shù)據(jù)提取的地下管線更新模式[J].城市勘測，2009(5):49-57.

[8] 井發(fā)明,王苑楠,王英林.寧波市地下管線動態(tài)更新及管理機制探討[J].城市勘測,2014(3):157-158.

[9] 王貴武,解智強,李世強,等.利用海量探測數(shù)據(jù)實現(xiàn)昆明市地下管線三維建模的應用研究[J].測繪科學,2009,34(6):122-124.

[10] 胡春梅,王延亮,夏國芳.基于三維激光掃描技術的石化企業(yè)管線三維建模及其碰撞檢測研究[J].測繪通報, 2012(S1):342-344.

[11] 張鵬程,丘廣新,陳鵬.城市地下管線三維建模工具開發(fā)及應用[J].地理空間信息, 2016, 14(7):85-87.

[12] 吳鋒,胡繞.基于BIM技術的既有地下管線三維自動化建模的研究[J].工程地球物理學報, 2016, 13(4):496-501.

Research on the Key Technology of Urban Underground Pipeline Three-dimensional Modeling

LU Dandan1,2,TAN Renchun1,2,GUO Mingwu1,2,LI Pengpeng1,2

(1. Wuhan Geomatics Institute, Wuhan 430022, China; 2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying,National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation,Wuhan 430022, China)

With the management, expression and application of urban underground pipeline information from 2D to 3D,in this paper, combined with the construction of three-dimensional model of underground pipeline in Wuhan city, on the basis of a lot of research and practice, some new methods and ideas are put forward for the key technologies of 3D automatic, fast update and integrated modeling of the underground pipelines, to provide a reference for other cities in China to carry out similar work.

underground pipeline; three-dimensional modeling; key technology; automatic modeling; integration of ground and underground

盧丹丹，譚仁春，郭明武,等.城市地下管線三維建模關鍵技術研究[J].測繪通報，2017(5)：117-119.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0168.

2016-11-08；

2016-12-26

精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室開放基金項目(PE2011-27)

盧丹丹(1981—)，女,碩士生，高級工程師，主要研究方向為三維地理信息系統(tǒng)研發(fā)與應用。E-mail：redearth1995@126.com

P208

A

0494-0911(2017)05-0117-03