基于傾斜攝影和GIS建模的管網(wǎng)三維數(shù)字管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

張麗青

摘要：地下管網(wǎng)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)保證了城市基礎(chǔ)資源的流通和人民的正常生活，對(duì)地下管網(wǎng)的建設(shè)現(xiàn)狀和管理運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)了解和把控尤為重要。由于地下管網(wǎng)的分布范圍大且埋于地下，使得管網(wǎng)的探查和維護(hù)不是那么便捷，傳統(tǒng)的二維管網(wǎng)管理無(wú)法表達(dá)管網(wǎng)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的空間關(guān)系。而隨著三維 GIS 逐漸成為 GIS 領(lǐng)域的發(fā)展方向之一，人們發(fā)現(xiàn)它比二維GIS更能夠體現(xiàn)空間對(duì)象的幾何特征和分布特征，能夠?qū)?fù)雜的地理空間對(duì)象以簡(jiǎn)單明了的方式呈現(xiàn)給用戶。本文以河北省某市二、三維一體化數(shù)字城市管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目為工程背景，探討了管網(wǎng)二、三維一體化數(shù)字管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：地下管網(wǎng)? 地上下一體? 二三維一體? 三維場(chǎng)景

Abstract： The stable operation state of underground pipe network ensures the circulation of urban basic resources and people's normal life. It is particularly important to timely understand and control the construction status and management operation state of underground pipe network. Because the underground pipe network is distributed widely and buried underground， the exploration and maintenance of pipe network is not convenient. The traditional two-dimensional pipe network management can not express the complex spatial relationship between pipe networks. As 3D GIS has gradually become one of the development directions in the field of GIS， people found that it can better reflect the geometric and distribution characteristics of spatial objects than 2D GIS， and can present complex geospatial objects to users in a simple and clear way. Based on the construction project of two-dimensional and three-dimensional integrated digital urban pipe network system in some cities， this paper discusses the implementation method of two-dimensional and three-dimensional integrated digital management system of pipe network.

Key Words： Underground pipe network; Integration of above ground and underground; Two-dimensional and three-dimensional integration; Three-dimensional scene

管網(wǎng)三維可視化依靠計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將空間數(shù)據(jù)庫(kù)中海量、抽象的管網(wǎng)基礎(chǔ)信息立體化、具象化表示出來(lái)，采用這種方式表達(dá)的地下管網(wǎng)，城市管線的走向、連接以及管線之間的空間位置關(guān)系一目了然，為市政部門管理管網(wǎng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。但是，今天的地下管網(wǎng)三維可視化仍存在許多挑戰(zhàn)：面對(duì)一座城市海量的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行整合與管理;面對(duì)管網(wǎng)中復(fù)雜的管件構(gòu)造和雜亂分布的管線，如何快速構(gòu)建管網(wǎng)三維模型;當(dāng)城市管網(wǎng)中某部分重新規(guī)劃后，是否能在對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)三維模型中進(jìn)行及時(shí)更新，以及管網(wǎng)內(nèi)幾何、語(yǔ)義、關(guān)系的整體表達(dá)。因此，亟需在建立管網(wǎng)三維模型時(shí)提出一套能夠?qū)芫W(wǎng)精細(xì)表達(dá)、具備一定專業(yè)性的地下管網(wǎng)三維空間數(shù)據(jù)模型和可行性高的精細(xì)建模方法[1]。該文以河北某市二、三維一體化數(shù)字城市管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目為工程背景，探討了管網(wǎng)二、三維一體化數(shù)字管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1 工程簡(jiǎn)介

河北某市二、三維一體化數(shù)字城市管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)及測(cè)繪項(xiàng)目范圍為城區(qū)范圍，面積約20km2。該項(xiàng)目擬對(duì)該范圍內(nèi)進(jìn)行地下管線普查、1∶500數(shù)字地形圖測(cè)繪、三維城市建模、1∶1000數(shù)字正射影像圖制作、城市街景制作并建立相應(yīng)數(shù)字化管理系統(tǒng)。

測(cè)區(qū)1∶5萬(wàn)地形圖全部覆蓋，1∶1萬(wàn)地形圖部分地區(qū)覆蓋，可作為該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)使用。

“天地圖”“谷歌”等在線衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性較好，地圖顯示級(jí)別均在17級(jí)以上，可作為航攝范圍劃定及飛行線路設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性資料。

2 項(xiàng)目成果指標(biāo)與規(guī)格

2.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

（1）坐標(biāo)系統(tǒng)：采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，并提供到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）的轉(zhuǎn)換參數(shù)。（2）高程基準(zhǔn)：1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。（3）成圖比例尺：地形圖1∶500;正射影像1∶1000。

2.2 成果格式要求

（1）DEM數(shù)據(jù)：ArcINFOGRID格式。（2）DOM數(shù)據(jù)：采用非壓縮TIFF格式，加定位信息文件。（3）地形圖：dwg格式。（4）三維數(shù)據(jù)：osgb格式或obj格式。

2.3 成果分幅要求

（1）分幅大小：采用50cm×50cm正方形分幅。（2）分幅編號(hào)：采用內(nèi)圖廓西南角坐標(biāo)公里數(shù)（取至0.5km），以X-Y坐標(biāo)的形式進(jìn)行編號(hào)，中間以短線連接，如“402.0-533.0”。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

該項(xiàng)目使用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載ARC524傾斜攝影相機(jī)的方式獲取測(cè)區(qū)的最新基礎(chǔ)航空影像數(shù)據(jù)[2]，航拍面積為20km2， 絕對(duì)飛行高度為180 m，基準(zhǔn)面為31m，區(qū)域最高海拔為38 m，區(qū)域最低海拔為28m 地面分辨率最低點(diǎn)優(yōu)于0.03m。

相對(duì)飛行高度為150m，航線總長(zhǎng)度為602km，旁向重疊為80% ，航帶間距為36 m，航向重疊在80%以上，拍攝間距為24m（80%），作為該項(xiàng)目基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)源。

4 城市三維建模流程

城市三維建模流程如圖1所示，建模效果如圖2所示。城市街景測(cè)量采用先進(jìn)的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理[3]。1∶500道路現(xiàn)狀圖測(cè)繪采用常規(guī)測(cè)量方法，利用GNSS、RTK、全站儀進(jìn)行地形圖測(cè)量。測(cè)量成果以測(cè)區(qū)道路為基本單位，生成的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件包括：DWG格式的圖形文件（*.dwg）、MDB格式的數(shù)據(jù)庫(kù)文件（*.mdb）、導(dǎo)出arcgis的*.Shp文件。

5 城市管網(wǎng)地上下一體化顯示技術(shù)

一套完整的城市地下管網(wǎng)模型，除了完整地包含管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、外觀表達(dá)及語(yǔ)義信息外，還需要達(dá)到能夠讓用戶隨時(shí)判讀管網(wǎng)位置的目的[4]。將管網(wǎng)對(duì)應(yīng)的地上層與地下層進(jìn)行三維場(chǎng)景集成，能夠讓用戶能夠根據(jù)地上層的特征迅速對(duì)應(yīng)管網(wǎng)要素在顯示世界中的位置信息，提高管網(wǎng)模型的可讀性。將地上層模型與管網(wǎng)模型一同加載顯示，巨大的數(shù)據(jù)量和構(gòu)成模型的無(wú)數(shù)三角形面片都將拖延載入速度和場(chǎng)景瀏覽效果，出現(xiàn)卡幀、殘缺等現(xiàn)象，為了解決這一問(wèn)題，該文在場(chǎng)景集成顯示中對(duì)模型進(jìn)行了緩存和場(chǎng)景優(yōu)化，進(jìn)一步減輕了系統(tǒng)加載模型時(shí)的負(fù)擔(dān)，提升了三維場(chǎng)景的顯示速度。

5.1? 地上地下模型集成

SuperMap 三維基于完全自主研發(fā)的二、三維一體化 GIS 技術(shù)體系，為用戶提供強(qiáng)大實(shí)用的 GIS 功能與三維可視化平臺(tái)，突破了以往 GIS 軟件在三維建模及模型應(yīng)用方面的局限性，用戶能夠根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的三維地理信息應(yīng)用系統(tǒng)。SuperMap 平臺(tái)能夠?qū)θS數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率的可視化和空間分析功能，實(shí)現(xiàn)三維漫游并支持矢量和柵格數(shù)據(jù)[5]。因此該文將地下管網(wǎng)三維模型與地上場(chǎng)景三維模型集中于 SuperMap 三維模塊中展示，將各行業(yè)管網(wǎng)數(shù)據(jù)分為多個(gè)專題層載入 SuperMap 球面場(chǎng)景，加載管點(diǎn)和管線對(duì)應(yīng)的三維模型，調(diào)用可視化參數(shù)完成管網(wǎng)匹配;地上層場(chǎng)景模型同樣將綠化、道路及水體分為多個(gè)專題層加入球面場(chǎng)景，載入建筑物模型，完成地上場(chǎng)景搭建，效果如圖3。

5.2? 模型緩存

緩存技術(shù)是用空間換取時(shí)間的一種手段，它事先對(duì)地圖數(shù)據(jù)或三維數(shù)據(jù)作緩存處理，即為地圖、影像、地形或模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建分層分塊的切片數(shù)據(jù)[6]，在使用數(shù)據(jù)的時(shí)候直接調(diào)用預(yù)處理的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，使數(shù)據(jù)的瀏覽過(guò)程變得高效流暢，大幅加快數(shù)據(jù)加載和瀏覽的速度。在三維場(chǎng)景中可以加載的各種 GIS 數(shù)據(jù)都具有對(duì)應(yīng)的緩存類型，包括影像緩存、地形模型緩存、矢量地圖緩存和三維場(chǎng)景緩存。

5.3 場(chǎng)景優(yōu)化

在展示三維場(chǎng)景時(shí)，相機(jī)高度決定了人們?cè)谌S世界中的視野范圍，相機(jī)高度越高，視野范圍越廣，同時(shí)也越難以辨認(rèn)地物。因此當(dāng)相機(jī)高度過(guò)高時(shí)，可以設(shè)置場(chǎng)景中部分不可見(jiàn)。通過(guò)設(shè)置最大可見(jiàn)高度的方式對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行性能優(yōu)化，使場(chǎng)景模型在不同的相機(jī)高度下能夠有選擇地呈現(xiàn)不同細(xì)節(jié)，這樣可令場(chǎng)景在瀏覽時(shí)操作更加順暢。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，管網(wǎng)管理工作在各個(gè)城市都在如火如荼地推進(jìn)，對(duì)管網(wǎng)實(shí)施高效、便捷的三維化的管理和規(guī)劃，無(wú)論在市政或是經(jīng)濟(jì)上都將取得很大的收益。該文所研究的管網(wǎng)三維可視化工作在模型構(gòu)建技術(shù)、精細(xì)程度和基礎(chǔ)語(yǔ)義方面有了一定的成果，已投入該市管網(wǎng)管理系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張芳，吳思，陳勇，等.地下管網(wǎng)三維可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2018（7）：101-105，125.

[2]鄭海鵬，呂東芳.基于OpenGL的城市地下管網(wǎng)三維可視化實(shí)現(xiàn)[J].河北民族師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，40（2）：83-87.

[3]葉遠(yuǎn)智，孔凡強(qiáng).基于ArcGIS的城市管網(wǎng)三維建模[J].城市勘測(cè)，2020（6）：43-45.

[4]馬開(kāi)德.基于二三維一體化的綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)研發(fā)[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2020.

[5]朱朝寧.三維GIS管網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2019.

[6]王利軍，楊軍義，尹潘飛.二三維一體化技術(shù)在地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量，2019，47（6）：9-12.

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