基于Skyline的城市地下三維管線建立研究

張玉紅，任東風(fēng)，賁忠奇，李 琳，張新月

(1.阜蒙縣國(guó)土資源局，遼寧 阜新 123100；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

基于Skyline的城市地下三維管線建立研究

張玉紅1，任東風(fēng)2，賁忠奇2，李 琳2，張新月2

(1.阜蒙縣國(guó)土資源局，遼寧 阜新 123100；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

傳統(tǒng)二維管線系統(tǒng)難以直觀地反映各管線之間的立體空間位置關(guān)系。舊管線更新、新管線規(guī)劃、管線設(shè)計(jì)施工、土建工程的破土動(dòng)工等都需要準(zhǔn)確掌握地下管線的現(xiàn)狀信息，如果盲目開挖就會(huì)引起自來水管爆裂、煤氣泄露、停電、通信信號(hào)中斷等事故。以地下管線為研究對(duì)象，以Skyline為平臺(tái)，C#為開發(fā)語言建立城市三維管網(wǎng)系統(tǒng)，在錯(cuò)綜復(fù)雜的條件下展現(xiàn)各管線之間以及管線與周邊地物之間的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)管線的查詢和分析功能。

三維管線；地理信息系統(tǒng)；管線建模；Skyline

隨著城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，規(guī)模不斷擴(kuò)大，作為城市生命線的管線系統(tǒng)卻暴露出管理中的種種問題。一方面由于城市中管線種類繁多、特性各異，分布不但集中，多呈立體交叉網(wǎng)狀，而且地下管線還具有不可見的特性，造成管線管理難度較大的問題；另一方面，我國(guó)城市管線規(guī)劃、建設(shè)和管理長(zhǎng)期滯后于城市建設(shè)，多數(shù)城市歷史上沒有實(shí)行管線竣工測(cè)量，以設(shè)計(jì)圖代替竣工圖，造成了管線的歷史資料殘缺不齊、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、精度不高、設(shè)備故障原因難以查找、核對(duì)困難等許多問題。這些問題造成的負(fù)面影響是：在城市地下工程建設(shè)、高層建筑的地基處理過程中，常常發(fā)生損壞地下管線的事故[1]。此外，在舊管線更新、新管線設(shè)計(jì)施工、新城區(qū)的管線規(guī)劃等方面，建設(shè)單位無法及時(shí)得到已有管線的精確現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上的研發(fā)工作缺乏科學(xué)依據(jù)，從而出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)等問題，造成時(shí)間、資金上的巨大浪費(fèi)[2]。

各大城市的管線系統(tǒng)多為二維系統(tǒng)，二維管線系統(tǒng)難以直觀地反映各管線之間的立體空間位置關(guān)系[3]。少數(shù)城市開始了對(duì)三維管線系統(tǒng)的探索[4]。

1 技術(shù)路線

圖1 技術(shù)路線

2 數(shù)據(jù)處理

在ArcMap中打開ArcToolbox進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換(見圖2)，因?yàn)門E中顯示的是經(jīng)緯度而圖層顯示的是平面坐標(biāo)系，所以要進(jìn)行從平面坐標(biāo)系到球面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[5-6]。

圖2 投影轉(zhuǎn)換

在Google Earth上獲取高分辨率影像圖，與shp格式的矢量圖進(jìn)行配準(zhǔn)[7]。

TerraBuilder根據(jù)影像和DEM數(shù)據(jù)提供的投影、坐標(biāo)、高程信息，可以把大量的影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)疊加到一起，形成一個(gè)mpt文件。根據(jù)影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建金字塔，生成mpt。本實(shí)驗(yàn)為球面工程，可以利用全球的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。做好的烏蘭木倫mpt如圖3所示。

圖3 烏蘭木倫mpt

3 管網(wǎng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對(duì)于管點(diǎn)數(shù)據(jù)，包含了管點(diǎn)的空間信息和屬性信息。其中空間信息至少包括管井X，Y，Z坐標(biāo)。屬性信息包括管線材質(zhì) 、類型、管徑、轉(zhuǎn)角等信息，如表1所示。

表1 管點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在加載模型的時(shí)候還需要7個(gè)參數(shù)：高度、旋轉(zhuǎn)角、傾斜角、偏航角、X比例、Y比例、Z比例。在這個(gè)屬性表上繼續(xù)添加以上字段。

對(duì)于管線數(shù)據(jù)，包含了管線的空間信息和屬性信息。其中空間信息至少包括管體起始點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)，如 (X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)。而屬性信息則表示管線類型、管徑、年代、材質(zhì)起點(diǎn)埋深、終點(diǎn)埋深等信息，如表2所示。

表2 管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4 三維管線的建模和生成

4.1 創(chuàng)建管點(diǎn)模型

管點(diǎn)數(shù)據(jù)一般包含管點(diǎn)的類型、位置、角度等信息。根據(jù)CAD底圖進(jìn)行制作，導(dǎo)入3DMAX(單位：m，模型1：1)，Z軸不要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在CAD中對(duì)地物進(jìn)行簡(jiǎn)化、刪減，建立二維模型，輸出前首先獲取中心點(diǎn)坐標(biāo)值，然后將不同類型的管點(diǎn)模型 (彎頭、三通四通接頭、閥門)對(duì)應(yīng)一個(gè)編號(hào)，所有的模型和貼圖命名依照規(guī)范進(jìn)行編號(hào)，不能有重名的文件。

4.2 管點(diǎn)模型貼圖

當(dāng)模型利用3DMAX建好后，需要對(duì)模型進(jìn)行貼圖。具體步驟為：選定要賦予材質(zhì)的對(duì)象，點(diǎn)擊菜單欄上的材質(zhì)編輯器，點(diǎn)擊貼圖，選中漫反射，點(diǎn)擊其后的欄，在彈出的對(duì)話框中選擇要賦予對(duì)象的材質(zhì)或者貼圖，點(diǎn)擊將材質(zhì)指定給選定對(duì)象[8]。

4.3 管點(diǎn)模型的格式轉(zhuǎn)換

將建好的管點(diǎn)模型導(dǎo)出為 Skyline軟件識(shí)別的.3DS格式的模型。如果模型在輸出成.3DS格式之前沒有進(jìn)行歸零操作，并且沒有記錄模型坐標(biāo)值，那么可通過使用MakeXPL工具來完成模型歸零操作。MakeXPL工具將.3DS格式的模型轉(zhuǎn)換成XPL格式的同時(shí)，將模型的坐標(biāo)歸零，并且會(huì)記錄模型的坐標(biāo)值，形成模型坐標(biāo)值文檔[8]。

4.4 管點(diǎn)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入

將管點(diǎn)數(shù)據(jù)按照矢量點(diǎn)的方式批量導(dǎo)入Skyline，點(diǎn)的表現(xiàn)形式設(shè)置為 3D Model，即每個(gè)點(diǎn)顯示為一個(gè)對(duì)應(yīng)的管點(diǎn)模型，根據(jù)其它的屬性字段如角度等設(shè)置模型的屬性，從而實(shí)現(xiàn)三維管點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)批量生成。這些必須的參數(shù)是把模型加載到TE里面獲取的，然后添加到屬性表里得到的[9]。

4.5 管線建模和生成

三維管線根據(jù)管線的橫斷面形狀，大致可分為方形管和圓形管兩類，這兩類管線的三維建立可以采用 Skyline中的 BOX和 Cylinder方式實(shí)現(xiàn)。其中方形管模型主要通過 BOX方式實(shí)現(xiàn)，BOX的長(zhǎng)和寬從管線斷面的長(zhǎng)寬獲取。圓形管模型主要通過 Cylinder方式實(shí)現(xiàn)，在管線的三維模擬過程中，根據(jù)管線端點(diǎn)坐標(biāo)以及管徑獲取創(chuàng)建方形管 CreateBox與圓形管CreateCylinder方法需要的參數(shù)，例如圓形管所需參數(shù)為兩端點(diǎn)的坐標(biāo)值、管徑、埋深、地面高程、片面數(shù)目、平面偏轉(zhuǎn)角、垂直方向偏轉(zhuǎn)角、管線顏色、名稱等[10]。生成的管線如圖4所示。

圖4 生成的管線

4.6 管點(diǎn)和管線的匹配

系統(tǒng)可以利用用戶導(dǎo)入二維的shp格式數(shù)據(jù)，根據(jù)其相關(guān)管線參數(shù)，自動(dòng)生成三維管線。生成的三維管線繼承了二維管線數(shù)據(jù)的屬性信息，包括埋深、管徑、走向、連接點(diǎn)等。同時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)管點(diǎn)的屬性，通過空間位置信息進(jìn)行自動(dòng)匹配組合。在管線連接處自動(dòng)生成相應(yīng)類型的三維模型[11]。匹配后的三維管網(wǎng)如圖5所示。

圖5 匹配后的三維管線

5 管網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)的主界面

啟動(dòng)程序進(jìn)入系統(tǒng)主界面，主界面風(fēng)格基本與TerraExplorer相似，由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、工程樹、3D窗口以及狀態(tài)欄組成。

界面的設(shè)計(jì)采用菜單欄的設(shè)計(jì)以及API的添加，由C#的菜單編輯功能建設(shè)菜單選項(xiàng)，然后添加TE API建立界面，工具欄采用ToolStripButton，菜單欄采用ToolStripMenuItem，工程樹采用TEInformationWindow Class，3D窗口采用TE3D Window Class，狀態(tài)欄采用ToolStripStatus。 系統(tǒng)的主界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的主界面

主界面介紹： 1)菜單欄。通過C#的菜單編譯器，實(shí)現(xiàn)菜單欄的定制，菜單欄中的子菜單鏈接了系統(tǒng)的全部功能，本設(shè)計(jì)的菜單欄包括文件(File)、對(duì)象(Object)、工程樹(Information Window)、導(dǎo)航(Navigate)、菜單(Menu)、地下模式(Underground)、地形分析(Terrain Analyze)，每一個(gè)菜單項(xiàng)有若干命令，每一命令完成系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能。 2)工具欄。多數(shù)功能為常用的功能，每個(gè)按鈕都設(shè)置了一定的功能，當(dāng)鼠標(biāo)指向工具按鈕時(shí)，即顯示該按鈕的作用。 3)工程樹。和skyline的目錄樹一樣，用于顯示文件和文件的狀態(tài)。 4)3D窗口。顯示當(dāng)前已經(jīng)加載的圖層、建筑物、管線等。 5) 狀態(tài)欄。顯示鼠標(biāo)所在地的經(jīng)緯度。

5.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.2.1 文件管理模塊實(shí)現(xiàn)

在主菜單文件下，主要包括打開、關(guān)閉、另存、打印4個(gè)功能。打印功能如圖7所示。

圖7 打印功能對(duì)話框

5.2.2 對(duì)象模塊的實(shí)現(xiàn)

對(duì)象功能中包括標(biāo)簽(任意位置的標(biāo)簽、特定位置的標(biāo)簽)、多邊形(任意位置的多邊形、特定位置的多邊形)、線、矩形、圓柱體、球體、圓錐體、方體。標(biāo)簽功能如圖8所示，多邊形功能如圖9所示。

圖8 標(biāo)簽功能

圖9 多邊形功能

標(biāo)簽功能實(shí)現(xiàn)的主要代碼如下：

IPosition65cPos=sgworld.Creator.CreatePosition(dXcoord,dYcoord,dAltitude,eAltitudeTypecode,dYaw,dPitch, dRoll,dDistance );

ILabelStyle65cLabelStyle= sgworld.Creator.CreateLabelStyle(SGLabelStyle.LS_DEFAULT);

ITerrainLabel65cTextLabel=sgworld.Creator.CreateTextLabel(cPos,,cLabelStyle,string.Empty,"TextLabel");

IPosition65 cFlyToPos = cPos.Copy();

cFlyToPos.Pitch = -89.0;

sgworld.Navigate.FlyTo(cFlyToPos, ActionCode.AC_FLYTO);

5.2.3 距離量測(cè)模塊的實(shí)現(xiàn)

距離量測(cè)模塊包括水平距離量測(cè)、垂直距離量測(cè)、空間距離量測(cè)，如圖10～圖12所示。

圖10 水平距離量測(cè)

圖11 垂直距離量測(cè)

圖12 空間距離量測(cè)

5.2.4 空間查詢模塊的實(shí)現(xiàn)

以‘起點(diǎn)頂高’>1 110為條件查詢，其結(jié)果如圖13所示。

數(shù)據(jù)的更新如圖14所示。

圖13 查詢高度

圖14 管線數(shù)據(jù)的更新

6 結(jié) 論

本文完成了管線三維建模和系統(tǒng)的開發(fā)功能。

1)實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換以及高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的處理。

2)實(shí)現(xiàn)了3DMAX管點(diǎn)模型的建立以及三維管線和管點(diǎn)模型的匹配和顯示。

3)開發(fā)的管線系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)文件管理、圖形顯示、圖層管理、查詢等功能，使用戶操作起來簡(jiǎn)單易懂。

[1] 徐愛鋒,徐俊,龔健雅.基于Skyline的三維管線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào),2013(6):75-77,93.

[2] 任海軍,文俊浩,徐玲.一種三維數(shù)字城市的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)方法[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,29(4):101-104.

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[4] 李黎.利用地下管線探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域三維模擬[J].測(cè)繪工程,2007,16(3):11-14.

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[7] 梁輝池.論城市地下管線管理中存在的問題及解決措施[J].黑龍江科技信息,2007(11)：194.

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[9] 張文元,付仲良.基于ArcGIS Engine的綜合管線三維可視化研究[J]. 測(cè)繪通報(bào),2008(8):28-31.

[10] 嚴(yán)勇.地下管線的三維可視化研究[D].武漢：武漢大學(xué),2003.

[11] 惠立. 基于skyline油田集輸管網(wǎng)數(shù)字化與三維可視化應(yīng)用研究[D].西安：西安石油大學(xué),2011.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

The Establishment of underground city 3D pipeline based on Skyline

ZHANG Yu-hong1,REN Dong-feng2,BEN Zhong-qi2,LI Lin2,ZHANG Xin-yue2

(1.Fumeng County Land Resources Bureau,Fuxin 123100, China; 2.School of Geomatics, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Traditional 2D pipeline system is difficult to directly reflect the three-dimensional spatial relationships between the various pipelines. Old pipeline updates, new pipeline planning, pipeline design construction, and civil engineering construction need to accurately grasp the status of ground-breaking information on underground pipelines, in case the blind excavation can cause water pipes burst, gas leaks, power outages, traffic signal interruption and other accidents. It takes the pipeline for the study object, and the Skyline as a platform. C# as the development language is used to establish the city into a three-dimensional systems. In the complicated conditions, the spatial relationship between the pipeline and the pipeline between the peripheral surface features are revealed to achieve a pipeline query and analysis capabilities, in order to help decision makers make better decisions.

3D pipeline；geographic information system；pipeline modeling；Skyline

2014-11-27

張玉紅(1966-)，男，工程師，研究方向：土地測(cè)繪；土地管理；城市規(guī)劃.

P208

A

1671-4679(2015)02-0035-06