基于Skyline的三維綜合地下管線應用與研究

劉軍 ，錢海峰，孫永新

(1.無錫市測繪院有限責任公司，江蘇 無錫 214031;2.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011)

1 引言

地下管線是一個城市的“生命線”，也是城市基礎設施的重要組成部分，更是發揮城市功能、確保城市經濟、社會健康、協調發展的重要物質基礎。各大城市紛紛建立起綜合地下管線信息管理系統，實現對城市建設中的各類管網數據進行綜合有效的存儲管理，提供各種查詢、分析和統計的工具，并形成良好的動態更新機制，為城市的地下管線管理工作，提供綜合協調、應急指揮等科學的輔助手段。

然而由于綜合地下管線的特殊性，其布設遍及于地下、水下等，二維方式難以直觀地反映各管線之間的空間位置關系。通過三維方式能夠真實反映在交錯復雜的條件下各管線之間的位置關系以及管線與周邊地物的位置關系［1］。因此，本文以Skyline平臺為基礎，實現在三維平臺上綜合地下管線的展現、查詢、分析和輔助設計等功能，該系統的建立改變了以往制圖指標計算不準確、難以校核的情況，使規劃成果的科學性和指導性進一步加強;使規劃設計成果走向規范化、標準化，進一步提高了成果的專業深度。

2 技術路線

Skyline是一套優秀的三維數字地球平臺軟件。憑借其國際領先的三維數字化顯示技術，它可以利用海量的遙感航測影像數據、數字高程數據以及其他二三維數據搭建出一個對真實世界進行模擬的三維場景［1］。

整體技術路線是首先將衛星影像或者航空像片以及高程數據加載到Skyline系列的TerraBuilder軟件中，并對這些數據的格式進行轉換，然后進一步生成MPT格式的文件，形成Skyline系列軟件的TerraExplorer Pro所需要的地形場景數據。其次在TerraExplorer Pro中，加載地形場景數據，導入矢量數據集及相關數據，進行二維、三維模型的建立。最后對二維的管線數據進行三維模擬，實現三維的綜合地下管線。圖1為具體的技術路線。

圖1 技術路線圖

3 管線三維模擬的實現

管網數據一般都分為管井和管線兩類。管井根據管線類型及用途的不同，由不同的管線井設備組成，比如窨井、消火栓、閥門等等［2］。我們根據國家有關管線設備的管井符號規定，定義管井設備的三維符號和樣式庫。使用3ds Max建立各類管井設備的模型，保存為.X文件，管井設備的符號如圖2所示:并使用Skyline的符號轉換器將這些三維管井設備符號轉入到符號庫中，形成xpl格式的管井模型符號庫，該庫采用文件夾的方式保存，如圖3所示。在三維仿真的符號化過程中，根據管井的類型、埋深等信息，利用已經建立的三維管井模型符號庫，比如:三通井選擇三通的三維符號，有時三通井不正規，要根據管井所在的管線之間的角度，選擇具體近似的三通井符號，從而將管井要素三維符號化。

圖2 管井設備模型

圖3 管井模型庫型

圖4 圓形管線模型

三維管線根據管線的橫斷面形狀，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的方式來實現。其中方形管模型主要通過BOX方式來實現，BOX的長和寬從管線斷面的長寬獲取。圓形管模型主要通過Cylinder的方式來實現，將管線的外環劃分成多個片面，片數越多，描述的越準確，通過這些片面的組合形成一個圓柱體從而實現圓形管的三維模型，如圖4所示。在管線的三維模擬過程中，根據管線端點坐標以及管徑，獲取創建方形管CreateBox與創建圓形管CreateCylinder的方法需要的參數，例如圓形管所需參數為兩端點的坐標值、管徑、埋深、地面高程、片面數目、管線顏色、名稱等。在管網數據庫中，一般管線和管井名稱都是唯一的，創建的三維管井和三維管線的名稱要求跟二維數據庫中的名稱保持一致，如圖4中的興昌南路B0049－興昌南路B0047名稱就是直接從二維管線中獲取。這樣三維管線的各類屬性管理完全可以與數據庫中的管網數據實現統一管理。三維管線生成流程如圖5所示。

圖5 三維管線生成流程圖

4 系統總體結構設計

系統的總體設計采用多層的C/S體系結構，具體分為數據庫服務層、數據接口層和三維應用層。

該系統數據庫采用的是Oracle，管線和地形矢量數據的訪問通過ArcGIS的ArcSDE數據庫引擎來實現。數據庫按照管線建庫原則存儲了管線的點位信息以及屬性信息［3］。三維應用層通過數據接口層訪問數據庫中的管線數據，根據需要選擇需要模擬的管線范圍，即時實現三維管線的模擬并且呈現給用戶，如圖6所示，在二維GIS庫中選中范圍后，在窗口中選擇相應方法即可生成該范圍內的三維管線。

圖6 三維管線模擬工具

總體結構設計如圖7所示。

圖7 系統總體結構設計

該系統采用二維與三維交互的方式實現三維管線數據的瀏覽，其中三維地形場景來自于Skyline的TerraBuild根據影像和DEM打包制作的Mpt文件。

圖8 二三維管線互定位

二維采用VS2008+ArcEngine方式實現二維數據瀏覽和管理;三維采用VS2008+Skyline PRO5.1.1接口實現三維管線的生成和三維場景的瀏覽，同時通過兩者的坐標關系實現二三維的數據相互聯動，通過二三維窗口的切換，實現二三維互定位，效果如圖8所示。

用戶在二維管網圖上選擇指定區域的管線數據，通過三維管線模擬工具，動態實現所選區域三維管線場景，調節三維地形場景的透明度，效果如圖9所示。

圖9 三維管線效果圖

三維管線系統充分挖掘仿真在管網中的作用，再現真實的三維管網場景，提供基于三維地形場景的導航、飛行等等三維操作功能。同時提供了基于三維管網的輔助分析功能，在三維窗口中選擇管線，再通過調用二維管網數據庫，能夠進行管網的水平凈距、垂直凈距分析，縱橫斷面分析等等功能，如圖10所示。

圖10 管線分析

5 結語

(1)本文提出了一套完整的城市三維綜合管線的解決方法。通過城市地下管線三維系統的建立，可以通過探測數據入庫，然后根據條件選擇范圍，直接模擬生成城市地下管線三維數據模型，建立一個接近客觀世界的真實的地下三維管線，減少工作量。

(2)這種三維建模方式是切實可行的，能夠高效快速的建立大場景的城市三維管線數據，直觀快速地顯示和瀏覽三維信息，能滿足城市三維建模的需求。

(3)今后城市地下管線三維信息系統研究將更加著重于還原一個真實與客觀的地下管線埋設現場，可以參考地下周圍地形和建筑，并實現二、三維數據聯動，能隨意地修改規劃方案，改變管道埋設深度，改變管道連接方式、改變管道埋設走向等，這樣不同的規劃、不同的方案設計意圖通過三維建模實時地反映出來，為城市規劃工作提供參考性決策依據。

［1］劉新，劉文寶，李成名等.三維GIS中位置關系的定性描述與推理［J］.測繪學報，2008(4)

［2］CJJ61－2003.城市地下管線探測技術規程［S］.

［3］赫建忠，李成名，印潔等.城市綜合管網地理信息系統的建立［J］.工程勘察，2002(3)