基于SuperMap平臺(tái)批量創(chuàng)建管線三維模型的方法研究

周運(yùn)彬，鄭文青，鄭睿博，王亞巍

(1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199； 2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710199)

1 引 言

地下管線是一個(gè)城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是保障城市正常運(yùn)行的“生命線”。近年來，隨著城市快速發(fā)展，地下管線管理水平不高問題凸顯，一些城市發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴(yán)重影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序[1]。為此，建立地下管線綜合管理信息系統(tǒng)勢在必行。

鑒于傳統(tǒng)的二維管線在一定程度上限制了信息的表達(dá)，而管線三維模型能直觀地描述管線的三維特征及管線間的空間關(guān)系，能真實(shí)地反映地下管線的空間分布狀況[2]，所以建立三維管線管理系統(tǒng)或者二三維一體化管線管理系統(tǒng)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。無論是三維管線管理系統(tǒng)還是二三維一體化管線管理系統(tǒng)，創(chuàng)建管線三維模型都是建立系統(tǒng)過程中必不可少的一步。在查閱了國內(nèi)外現(xiàn)有的一些研究成果基礎(chǔ)上[2～6]，本文提出了一種基于SuperMap平臺(tái)批量創(chuàng)建管線三維模型的方法，使用該方法，可以大大減少人工的參與，高效創(chuàng)建管線三維模型，節(jié)省了成本，提高了效率。

2 基于SuperMap平臺(tái)的管線三維建模

基于SuperMap平臺(tái)批量創(chuàng)建管線三維模型的流程，如圖1所示。

2.1 創(chuàng)建三維管點(diǎn)、管線符號

管線由管線段和管線點(diǎn)兩大類組成，管線段分為方形管和圓形管，管線點(diǎn)分為特征點(diǎn)和附屬設(shè)施，其中特征點(diǎn)包括彎頭、直通、三通、四通、五通、多通、變徑、蓋堵、管帽等，附屬設(shè)施包括閥門、水表、消防栓、控制柜、變壓器、分線箱等。

圖1 基于SuperMap平臺(tái)批量創(chuàng)建管線三維模型的流程

針對三維管線場景中的不同元素，可采用不同方式實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建三維管線場景。通常采用線型符號構(gòu)建三維管線，自適應(yīng)管點(diǎn)符號構(gòu)建三維管點(diǎn)，而部分特殊特征點(diǎn)和附屬設(shè)施采用模型符號展示。創(chuàng)建這三類符號的步驟參見超圖相關(guān)技術(shù)文檔，本文不再贅述。最終得到如圖2和圖3所示的線型符號庫和點(diǎn)符號庫。

圖2 三維管線符號庫

圖3 三維管點(diǎn)符號庫

2.2 數(shù)據(jù)檢查

為了保證在生成管線三維模型的過程中不會(huì)出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)檢查將對管線數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維模型數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的各個(gè)方面進(jìn)行檢查。數(shù)據(jù)檢查的內(nèi)容包括：檢查管點(diǎn)數(shù)據(jù)是否包括TYPE、EXPNO、FEATURE、SUBSID、X、Y、SELEV等字段，管線數(shù)據(jù)是否包括TYPE、S_POINT、E_POINT、S_DEEP、E_DEEP、DSIZE等字段；檢查上述字段值是否缺失及其值填寫是否正確；檢查是否存在點(diǎn)號缺失的現(xiàn)象，即管線數(shù)據(jù)的S_POINT、E_POINT字段中存在該點(diǎn)號，但管點(diǎn)數(shù)據(jù)EXPNO字段中不存在該點(diǎn)號。以上各字段代表的含義如表1和表2所示。

部分管點(diǎn)字段及其含義 表1

部分管線字段及其含義 表2

2.3 數(shù)據(jù)處理

在三維管線場景中，包含地面精細(xì)建模數(shù)據(jù)、DEM和DOM構(gòu)建的地球表面模型數(shù)據(jù)、三維管線模型數(shù)據(jù)，這三類數(shù)據(jù)各成體系，其各自的內(nèi)符合精度較好，但與另外兩類數(shù)據(jù)卻相互矛盾。尤其是管線數(shù)據(jù)，若不進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，本來埋藏于地下，由于另外兩類?shù)據(jù)精度較低，往往會(huì)出露到地面以上，對管線綜合管理系統(tǒng)造成影響。因此，需要對管線數(shù)據(jù)做如下處理。

(1)首先，把管點(diǎn)數(shù)據(jù)(名稱為子類代碼+Point)和管線數(shù)據(jù)(子類代碼+Line)復(fù)制一份，作為臨時(shí)數(shù)據(jù)，管點(diǎn)臨時(shí)數(shù)據(jù)名稱為子類代碼+Point_Tmp，管線臨時(shí)數(shù)據(jù)名稱為子類代碼+Line_Tmp)，在后續(xù)的處理中以臨時(shí)數(shù)據(jù)為操作對象，以保證不會(huì)對原始數(shù)據(jù)造成破壞。

(2)然后，對臨時(shí)數(shù)據(jù)添加必要的字段。管點(diǎn)臨時(shí)數(shù)據(jù)增加PtID、SymbolID、PtZ、ScaleX、ScaleY、SacleZ、RotateX、RotateY、RotateZ、PtLon、PtLat字段；管線臨時(shí)數(shù)據(jù)增加LnID、SymbolID、StID、EndID、StZ、EndZ、ScaleX、ScaleY、LnWidth、LnCentLon、LnCentLat字段。以上各字段代表的含義如表3和表4所示。

管點(diǎn)數(shù)據(jù)增加的字段及其含義 表3

管線數(shù)據(jù)增加的字段及其含義 表4

(3)最后，對管點(diǎn)、管線臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理的過程主要包括：

①將管點(diǎn)X，Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo)，給PtLon、PtLat字段賦值；

②通過管點(diǎn)的經(jīng)緯度PtLon、PtLat，結(jié)合場景中的DEM，獲得管點(diǎn)的高程值，給PtZ字段賦值；

③根據(jù)管點(diǎn)地面高程、管線起點(diǎn)埋深、管線終點(diǎn)埋深、管徑，計(jì)算管線起終點(diǎn)管中心的高程，給管線的StZ、EndZ字段賦值；

④根據(jù)管線的StZ、EndZ更新管線要素的幾何信息；

⑤根據(jù)管點(diǎn)X，Y坐標(biāo)和高程更新管點(diǎn)要素的幾何信息；

⑥根據(jù)管點(diǎn)的特征、附屬設(shè)施獲得對應(yīng)的管點(diǎn)符號編碼，給管點(diǎn)SymbolID賦值；

⑦根據(jù)管點(diǎn)的地面高程，管徑，管點(diǎn)的特征、附屬設(shè)施，計(jì)算管點(diǎn)Z方向的縮放，給ScaleZ字段賦值；

⑧根據(jù)管線類型，管徑(斷面尺寸)獲得對應(yīng)的管線符號編碼，給管線SymbolID賦值；

⑨根據(jù)管徑(斷面尺寸)，計(jì)算管線X方向和Y方向的縮放，給ScaleX、ScaleY字段賦值；

⑩根據(jù)管線的幾何信息，計(jì)算管線中心點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，給LnCentLon、LnCentLat字段賦值。

2.4 構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集

爆管分析、關(guān)閥分析、最佳路徑分析、單要素追蹤分析、關(guān)鍵設(shè)施分析等網(wǎng)絡(luò)分析是地下管線綜合管理信息系統(tǒng)中常用的分析功能。使用這些三維網(wǎng)絡(luò)分析必須首先構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集是進(jìn)行三維網(wǎng)絡(luò)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[7]。另外，要使用自適應(yīng)管點(diǎn)符號，也必須首先構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。因此，我們需要構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。利用2.3節(jié)中處理后的管點(diǎn)臨時(shí)數(shù)據(jù)集和管線臨時(shí)數(shù)據(jù)集，來構(gòu)建我們需要的三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。

2.5 構(gòu)建三維管線場景

在SuperMap中專題地圖實(shí)質(zhì)上是地圖圖層的符號化顯示，即用各種圖形渲染風(fēng)格(大小，顏色，線型，填充等)來圖形化地表現(xiàn)要素的某方面特征[8]。專題制圖是對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化的一種很有效的方式。三維自定義專題圖允許用戶為圖層指定若干字段，利用圖層中每個(gè)對象的字段值表示這個(gè)對象的顯示特征，可設(shè)置其模型符號、旋轉(zhuǎn)、縮放、顏色等屬性?；谌S網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建管線三維自定義專題圖，然后將其保存為管線場景。創(chuàng)建管線三維自定義專題圖主要代碼如下：

///

/// 三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集

/// 三維場景

private void Add3DPipeLayer(Dataset pDatasetNet，Scene pipeScene)

{

Theme3DCustom theme3DPoint = new Theme3DCustom()；

theme3DPoint.MarkerSymbolIDExpression = "SYMBOLID"；

theme3DPoint.Marker3DRotateXExpression = "ROTATEX"；

theme3DPoint.Marker3DRotateYExpression = "ROTATEY"；

theme3DPoint.Marker3DRotateZExpression = "ROTATEZ"；

theme3DPoint.Marker3DScaleXExpression = "SCALEX"；

theme3DPoint.Marker3DScaleYExpression = "SCALEY"；

theme3DPoint.Marker3DScaleZExpression = "SCALEZ"；

Theme3DCustom theme3DLine = new Theme3DCustom()；

theme3DLine.LineSymbolIDExpression = "SYMBOLID"；

theme3DLine.LineWidthExpression = "LnWidth"；

//添加圖層

Layer3DDataset lnLayer3D = pipeScene.Layers.Add(pDatasetNet，theme3DLine，true)；

Layer3DDataset ptLayer3D = pipeScene.Layers.Add((pDatasetNet as DatasetVector).ChildDataset，theme3DPoint，true)；

Layer3DSettingVector lnLayer3DSettingVector = lnLayer3D.AdditionalSetting as Layer3DSettingVector；

lnLayer3DSettingVector.SymbolScaleXField = "ScaleX"；

lnLayer3DSettingVector.SymbolScaleYField = "ScaleY"；

lnLayer3DSettingVector.Style.AltitudeMode = AltitudeMode.Absolute；

lnLayer3D.AdditionalSetting = lnLayer3DSettingVector；

Layer3DSettingVector ptLayer3DSettingVector = ptLayer3D.AdditionalSetting as Layer3DSettingVector；

ptLayer3DSettingVector.Style.AltitudeMode = AltitudeMode.Absolute；

lnLayer3D.UpdateData()；

ptLayer3D.UpdateData()；

}

2.6 生成三維場景緩存

當(dāng)應(yīng)用程序處理的地理數(shù)據(jù)量比較龐大時(shí)，不僅操作速度緩慢，同時(shí)也非常耗機(jī)器資源。為了提高整體操作性能，在使用前先對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的本質(zhì)是為地形、影像、模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建分層緩存，能夠極大地提升數(shù)據(jù)顯示和瀏覽的速度。

生成三維場景緩存是指基于整個(gè)場景生成緩存，通過一次操作，即可將已加載到場景中的不同類型的數(shù)據(jù)生成對應(yīng)類型的緩存。通過對整個(gè)場景生成緩存，能極大提高整個(gè)場景的顯示和瀏覽速度。

3 基于SuperMap平臺(tái)批量創(chuàng)建管線三維模型的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

依據(jù)第2節(jié)介紹的創(chuàng)建管線三維模型方法，筆者在Microsoft Visual Studio 2013開發(fā)環(huán)境下，采用C#語言開發(fā)了煤航管線三維模型生成工具，工具運(yùn)行界面如圖4所示。通過該工具生成的三維管線模型，已成功應(yīng)用于筆者參與的多個(gè)工程項(xiàng)目，取得了較好的生產(chǎn)效益。生成的管線三維模型加載到系統(tǒng)中的效果如圖5所示。

圖4 管線三維模型批量生成工具 圖5 管線三維模型效果圖

4 結(jié) 語

本文闡述了基于SuperMap平臺(tái)批量創(chuàng)建管線三維模型的方法，并使用C#語言實(shí)現(xiàn)了該方法。使用該方法可以快速地基于管線二維數(shù)據(jù)創(chuàng)建管線三維模型數(shù)據(jù)，解決了管線綜合管理信息系統(tǒng)所需的管線三維模型數(shù)據(jù)問題。但是該方法還存在一些問題，比如某些城市DEM數(shù)據(jù)精度很差，與管線數(shù)據(jù)疊加時(shí)，管線及其特征點(diǎn)、附屬設(shè)施會(huì)裸露在地面上，為了實(shí)現(xiàn)較好的視覺效果，需要對個(gè)別數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)處理，以使其貼合到地面或顯示到地面下。