城市地下三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型和管理模式

房瑩瑩 錢志奇

摘要

城市地下管網(wǎng)作為重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施，是城市運行的基本保障，采用GIS為技術(shù)支撐的二三維一體化信息化管理是解決復(fù)雜管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效方式。本文詳細(xì)分析了城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和構(gòu)建三維模型的關(guān)鍵技術(shù)，并研究了地上地下三維數(shù)據(jù)管理模式，使管線數(shù)據(jù)、場景數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融于一體，為提供城市管線管理一體化服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】城市地下管網(wǎng) 二三維一體化 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 模型構(gòu)建

城市地下管線數(shù)據(jù)信息指的是埋設(shè)在城市主干道、非機動車道、人行道以及道路兩側(cè)的綠化帶等區(qū)域的地下管線的埋設(shè)位置、埋設(shè)深度、鋪設(shè)方向、管線材質(zhì)以及管線特征點、附屬物等數(shù)據(jù)信息。城市管線數(shù)據(jù)是地下管線管理信息系統(tǒng)的核心與基礎(chǔ)，然而城市地下管線數(shù)據(jù)和與之相關(guān)的數(shù)據(jù)來源多、格式雜、數(shù)據(jù)量大，給數(shù)據(jù)的處理和管理帶來挑戰(zhàn)。隨著大數(shù)據(jù)、云平臺等新技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力已經(jīng)越來越強，這為城市地下管網(wǎng)信息化平臺的應(yīng)用帶來活力。通過信息化手段，將更加科學(xué)、合理、高效的進(jìn)行地下管網(wǎng)的管理。

1 地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型研究

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)由城市地理地形數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)和地上三維建筑物模型數(shù)據(jù)等組成。管線數(shù)據(jù)分布在城市地下，三維模型數(shù)據(jù)指地上三維環(huán)境，基礎(chǔ)地理地形數(shù)據(jù)為系統(tǒng)基本的現(xiàn)狀信息。三者相輔相成，共同構(gòu)成城市三維管線應(yīng)用環(huán)境場景，展現(xiàn)一個直觀、可見即可得的專業(yè)管線應(yīng)用場景。

1.1 管線專題數(shù)據(jù)

管線專題數(shù)據(jù)包含管線本體數(shù)據(jù)、附屬物。城市地下管線按類別可分為排水、燃?xì)?、工業(yè)、給水、熱力、電力和通信管線，他們對應(yīng)不同的權(quán)屬機構(gòu)和管理機關(guān)，統(tǒng)一在城市地下穿梭。附屬物指管線的附屬設(shè)施，常用于管線維護(hù)、管理、轉(zhuǎn)換，如檢修井、電線桿等。

1.2 管線數(shù)墩居組織

管線按數(shù)據(jù)類型劃分為不同的管網(wǎng)層。不同類型管線在系統(tǒng)設(shè)計中具有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但數(shù)據(jù)存儲類型依據(jù)管線類型各異。管網(wǎng)層內(nèi)的管線可以再細(xì)分，存儲后以不同的類型碼和顏色來顯示。

1.3 城市管線三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維數(shù)據(jù)在二維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的抽象，形成便于三維環(huán)境下組織、存儲、建模的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)。為了加快各類型管線檢索、應(yīng)用、分析的效率，我們將不同類型的管線分類存儲，分別為各個類型管線建立管點模板、管線模板和三維井室模板。

1.4 三維管線模型的構(gòu)建方法

在構(gòu)建了城市三維管線模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，三維管線模型構(gòu)件的制作非常關(guān)鍵，是三維系統(tǒng)的展現(xiàn)效果的基礎(chǔ)，本文采用二維空間翻模方法進(jìn)行構(gòu)件生成。

構(gòu)建方法如下：

（1）城市管線數(shù)據(jù)通過外業(yè)探測得到原始的記錄表單，將表單通過手工錄入建立初步探測成果。

（2）經(jīng)過嚴(yán)格的檢查和拓?fù)浼m錯后，導(dǎo)入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

（3）采用ArcGIS平臺，按照數(shù)據(jù)的連接關(guān)系建立空間數(shù)據(jù)庫，形成二維管線圖層集合，存儲于MDB數(shù)據(jù)庫中。

（4）在二維管線圖層基礎(chǔ)上，使用ITerrain 3D Regbase的Create Cylinder工具三維管線數(shù)據(jù)模型。

從管線數(shù)據(jù)分類出發(fā)，管網(wǎng)構(gòu)建可分為管點和管線兩類。

管點模型構(gòu)建：

（1）管點模型建立。管點數(shù)據(jù)包括管點的角度、位置、類型等信息。在CAD中可以對地物進(jìn)行刪除和簡化后建成二維模型，在CAD二維模型導(dǎo)出前應(yīng)獲取管點中心點坐標(biāo)，并將不同類型的管點模型依照規(guī)范進(jìn)行唯一編號。

（2）管點數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入。將管點數(shù)據(jù)按照矢量點的方式批量導(dǎo)入到Skyline中，將點的表現(xiàn)形式設(shè)置為3D MODEL形式，根據(jù)其屬性字段來設(shè)置模型的參數(shù)，從而實現(xiàn)三維管點數(shù)據(jù)自動批量導(dǎo)入和生成。

（3）模型貼圖過程。模型經(jīng)過3DMAX軟件創(chuàng)建好后，還需要進(jìn)行貼圖。貼圖步驟為：首先選定要貼圖的對象，點擊菜單欄上的材質(zhì)編輯器，然后點擊貼圖，選中漫反射并點擊其后的欄，在彈出的對話框中選擇要模型對象的材質(zhì)或貼圖，最后將材質(zhì)指定給該對象。

（4）點模型的格式轉(zhuǎn)換。首先將建好的管點模型導(dǎo)出并保存為.3DS格式的模型，通過使用Make XPL工具來完成模型歸零。Make XPL工具不但支持將3DS格式的模型轉(zhuǎn)換成XPL格式，而且還將模型的坐標(biāo)歸零，并且會記錄模型的坐標(biāo)值，從而形成模型坐標(biāo)值文檔。

管線模型構(gòu)建：

（1）管線建模的生成。根據(jù)管線的橫斷面不同可分為方形管線和圓形管線兩類，這兩類管線的三維建立可以分別采用BOX和Cylinder方式來實現(xiàn)。

（2）管點和管線的匹配。Skyline系統(tǒng)可以利用導(dǎo)入的Shp，根據(jù)其相關(guān)參數(shù)，自動生成三維管線。生成的三維管線繼承了二維管線數(shù)據(jù)的屬性。同時，Skyline系統(tǒng)能根據(jù)管點的屬性和空間位置進(jìn)行自動匹配，在管線連接處自動生成相應(yīng)的三維模型。自動生成的管點、管線可能會出現(xiàn)連接性異常，因此數(shù)據(jù)檢查十分必要。

2 地上地下三維數(shù)據(jù)管理模式研究

城市地下三維管網(wǎng)綜合信息平臺數(shù)據(jù)集管線數(shù)據(jù)、場景數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)于一體，提供城市管線管理一體化服務(wù)。城市地下管線數(shù)據(jù)庫內(nèi)容有：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、三維地形場景數(shù)據(jù)和地下管網(wǎng)模型數(shù)據(jù)。

2.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

現(xiàn)有基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理工作相對比較簡單，主要包括：空間參考系統(tǒng)統(tǒng)一、編碼的更改統(tǒng)一、數(shù)據(jù)分層等工作。對于未經(jīng)過處理的分幅數(shù)據(jù)，必須在相鄰圖幅之間進(jìn)行幾何接邊和邏輯接邊，確保系統(tǒng)顯示時相鄰兩個圖幅或區(qū)域的內(nèi)容在視覺上不存在縫隙。根據(jù)制定的數(shù)據(jù)分類與編碼方案，對基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)中各空間實體的編碼進(jìn)行修改與統(tǒng)一。根據(jù)數(shù)據(jù)的實際情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，并按照定義的命名規(guī)范，為每一個圖層命名。

2.2 遙感影像數(shù)據(jù)

高分辨率的影像數(shù)據(jù)可以采用最新航片數(shù)據(jù)或高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)?；跈C載激光雷達(dá)的航空攝影通過激光反射脈沖，可以高精度獲取地面光斑的三維坐標(biāo)（X，Y，Z），同步也獲取傳統(tǒng)的地面的航空影像，是目前國內(nèi)最先進(jìn)的航測采集技術(shù)。其主要特點有：

（1）能較好地克服茂密植被對測繪工作的影響;

（2）能克服山高坡陡、交通不便，并快速獲取三維數(shù)據(jù);

（3）測繪精度高;

（4）受天氣影響較小。

2.3 三維地形場景數(shù)據(jù)構(gòu)建

從整體上看，三維地形場景數(shù)據(jù)構(gòu)建的作業(yè)結(jié)構(gòu)有四部分組成：數(shù)據(jù)預(yù)處理工作、三維數(shù)據(jù)匯總、構(gòu)造景觀匯總和系統(tǒng)應(yīng)用。

2.4 三維地形場景數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

（1）多分辨率、多源數(shù)據(jù)的融合，通過TerraBuilder提供全自動影象分辨率識辨而自動分級設(shè)置和無縫集成;

（2）支持JPEG2000等高效的數(shù)據(jù)壓縮方式，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損高效壓縮;

（3）多分辨率影像的金字塔技術(shù)，這里不是一般的影像“切片”技術(shù)來進(jìn)行的金字塔，而是徹底的基于像素單元的金字塔技術(shù)，對于多級分辨率影象還可以進(jìn)行手工調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)多分辨率影像無縫分級顯示。

（4）海量數(shù)據(jù)支撐，可以支持更高的數(shù)據(jù)量要求，這是由于TerraBuilder軟件具有真正海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)，數(shù)據(jù)量只局限在硬件服務(wù)器的能力而不是軟件。

2.5 三維建筑模型與紋理處理方法

依據(jù)城市地物的重要性，對三維建筑模型的建設(shè)策略也不同。全市一般性建筑一般采用建筑物粗模處理，通過貼圖和模型拉伸，能夠總體實現(xiàn)場景的還原。對于城市主要特色建筑，由于受眾重視的程度不一樣，普遍采用精細(xì)建模方法，將建筑物的外觀、風(fēng)格精細(xì)展現(xiàn)，達(dá)到作為地標(biāo)的目的。采用該策略建模，不但可以對城市三維建筑的全局表達(dá)，也節(jié)約建設(shè)成本。

2.6 三維建筑模型數(shù)據(jù)的處理

三維建筑模型數(shù)據(jù)處理首先經(jīng)過粗模處理，首先使用建筑物矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行拉伸和計算，得到三維建筑粗模。然后在粗?；A(chǔ)上，進(jìn)行精細(xì)處理，最后生成逼真的三維模型數(shù)據(jù)。建筑物所需要的側(cè)面信息是通過數(shù)碼相機進(jìn)行實地采集的。數(shù)碼相機采集的原則是：先采集整體，再采集局部。建筑物的各個面都要盡量正面拍攝，千萬不要漏拍。如果不能進(jìn)行正面拍攝，可在兩個面的交接處進(jìn)行拍攝。有些需要局部特別拍攝（如建筑物上的特殊標(biāo)志）。建筑物的頂部紋理要通過衛(wèi)星影像或航片進(jìn)行采集。

3 總結(jié)

本文主要研究了城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)及其場景的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維構(gòu)件建設(shè)、系統(tǒng)建設(shè)，并概述了構(gòu)建三維場景的關(guān)鍵技術(shù)和步驟，為城市地下三維管網(wǎng)綜合信息平臺三維數(shù)據(jù)建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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