城市地下管網(wǎng)三維精細(xì)化建模與實(shí)現(xiàn)

摘要：城市地下管網(wǎng)是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，建成完善的城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)和信息管理系統(tǒng)顯得尤為重要。因此，基于城市地下管網(wǎng)的三維信息系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文論述了地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，介紹了地下管網(wǎng)三維精細(xì)化模型構(gòu)建方法和效果，一定程度上提高了城市地下管網(wǎng)三維可視化的逼真程度。

關(guān)鍵詞：地下管網(wǎng);三維;建模;Sweep;Mesh;效果

1"引言

城市地下管網(wǎng)由給水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α㈦娦殴芫W(wǎng)等組成，各類管網(wǎng)縱橫交錯(cuò)地分布在城市地下空間，構(gòu)成了復(fù)雜的地下管網(wǎng)空間體系。隨著信息社會(huì)的飛速發(fā)展，清楚的了解掌控城市地下管網(wǎng)情況，可為城市的有效規(guī)劃、系統(tǒng)性建設(shè)和高效管理提供有力的決策支持。而傳統(tǒng)二維地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)有著空間表現(xiàn)能力差[1]、空間查詢分析功能缺乏、交互性差等局限性，因此城市地下管網(wǎng)三維信息系統(tǒng)是管網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)新方向。下面就城市地下管網(wǎng)三維精細(xì)化建模與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探討。

2"管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1"數(shù)據(jù)處理

要建立管網(wǎng)的三維系統(tǒng)，那么必須以規(guī)范準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)為參照，所以在對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行建模前就要根據(jù)這些數(shù)據(jù)理清管網(wǎng)和建筑相互之間的關(guān)系，此外還包括規(guī)范性的參數(shù)、拓?fù)涞龋渲饕臋z查內(nèi)容在下表中表示。

表1""檢查內(nèi)容

進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)必須通過(guò)嚴(yán)格的檢查和處理，并符合相關(guān)要求，才能形成動(dòng)態(tài)管網(wǎng)模式下的數(shù)據(jù)源。

2.2"存儲(chǔ)并設(shè)計(jì)三維數(shù)據(jù)

在三維管網(wǎng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能中包含了管網(wǎng)的容器和節(jié)點(diǎn)，而在每一個(gè)要素中又包括管網(wǎng)線表以及管網(wǎng)點(diǎn)表，在表中會(huì)對(duì)附屬物等各種信息進(jìn)行詳細(xì)的記錄，而在線表中則會(huì)記錄容器以及線的相關(guān)內(nèi)容。這種數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)Oracle10g+ArcSDE方法來(lái)達(dá)到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與非數(shù)據(jù)的目的，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的相關(guān)情況見(jiàn)下表。

表2"字段管點(diǎn)層

以上數(shù)據(jù)在表格中列出，此外包括的數(shù)據(jù)還有圖片的存儲(chǔ)以及相關(guān)演示文檔的應(yīng)用，可以有效增加動(dòng)畫視覺(jué)上的效果。

3"精細(xì)化建模研究

在對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行建模時(shí)不但要對(duì)固態(tài)的模型進(jìn)行充分的考慮，還要對(duì)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行考慮，這就是與其他的三維系統(tǒng)區(qū)別最大的地方。固態(tài)建模也就是通過(guò)3DMax以1：1的比例做的模型，包括電桿或是閥門等，動(dòng)態(tài)的則表示隨屬性比較大并且根據(jù)管點(diǎn)尺寸大小如彎頭、三通等。本文主要是對(duì)動(dòng)態(tài)的模型所需要的建模方式以及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探討。

3.1"Sweep+Mesh方法

很多的管網(wǎng)體都輸于比較規(guī)則的圓筒，可以將管網(wǎng)那個(gè)看作是連接直管以及直管之間的兩部分構(gòu)成，它們的幾何屬性可以通過(guò)長(zhǎng)度、位置等方面的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和測(cè)量。而三維建模可以采用重建的形式進(jìn)行，其中出現(xiàn)的問(wèn)題則是通過(guò)管網(wǎng)的中心線相關(guān)的坐標(biāo)情況如何對(duì)其表面頂端的坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，這個(gè)問(wèn)題的難度在其表面具有轉(zhuǎn)折處，要充分對(duì)其進(jìn)行考慮。通過(guò)Sweep+Mesh可以對(duì)其表面的轉(zhuǎn)折處做有效的拼接，也就是把管網(wǎng)當(dāng)作是連續(xù)畫面，連接中心線并在段點(diǎn)上建立坐標(biāo)從而對(duì)相應(yīng)的表面定點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，于是形成了連續(xù)性比較強(qiáng)的網(wǎng)格。

Sweep則是在計(jì)算機(jī)繪圖中比較常用的一種手段，通過(guò)這種手段建模的方式首先就要確定截面與軌跡線，隨后根據(jù)軌跡線的情況對(duì)截面進(jìn)行掃描，逐漸形成模型。用戶可以根據(jù)自己的意愿指定截面以及軌跡線的形狀，所以采用這種造型的方式具有很高的靈活性。它是面、點(diǎn)和邊的集合，其定義包括了多面體，也就是包括四邊形片或是三角形片的各種多邊形片組成，同時(shí)它還是一種較好的表達(dá)方式，采用各種多邊形面片對(duì)曲表面進(jìn)行表達(dá)，隨即生成Sweeo模型，并由截面在軌跡線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程計(jì)算出定點(diǎn)的具體坐標(biāo)，具體情況由下圖所示。

圖1""造型方法探討

工作流程的具體情況：

1）在管網(wǎng)的軌跡線的位置進(jìn)行處理。

2）軌跡線位置上建立坐標(biāo)，為了保證其連續(xù)性框架的實(shí)現(xiàn)，可以采用倒圓角或是分段處理的形式對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行處理，同時(shí)生成坐標(biāo)的框架，保證表面得以連續(xù)，具體情況見(jiàn)下表2。

3）分布在截線的坐標(biāo)要進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

4）網(wǎng)格的建立。

5）渲染以后生成三維管網(wǎng)。

圖2""軌跡線的處理

3.2"模型工藝創(chuàng)建的流程分析

在對(duì)三維系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)建的過(guò)程中需要面對(duì)的一個(gè)難題就是海量模型相關(guān)的數(shù)據(jù)加載，為了保證系統(tǒng)得到充分并且流暢的應(yīng)用，必須通過(guò)預(yù)集中生成的形式并展示后流媒體的方式對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行有效的解決。以下就針對(duì)這種解決方式進(jìn)行深入的探討，具體情況如下圖3所示。

在對(duì)模型最原始的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的檢查并已符合規(guī)范以后，這些數(shù)據(jù)才能在拓?fù)潢P(guān)系中進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)加工后從而在三維模型中形成有效利用數(shù)據(jù)。通常情況下，管網(wǎng)的完整模型工藝流程要通過(guò)5個(gè)形式才能實(shí)現(xiàn)，包括管點(diǎn)的生成、模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)的發(fā)布、數(shù)據(jù)的搜索與生成以及數(shù)據(jù)發(fā)布與入庫(kù)。這需要一個(gè)完整的處理流程才能得到有效數(shù)據(jù)加以使用，具體的數(shù)據(jù)包括以下三類。

圖3""創(chuàng)建數(shù)據(jù)的工藝流程情況

1）數(shù)據(jù)在瀏覽以后顯示在管網(wǎng)三維中;

2）數(shù)據(jù)被搜索出來(lái)以后，可以通過(guò)查詢等各種形式互查。

4"實(shí)現(xiàn)的效果

由上述的剖析可知，通過(guò)檢查數(shù)據(jù)可以滿足二維管網(wǎng)的需要，通過(guò)制作3DMax則可以實(shí)現(xiàn)三維固態(tài)的模型，此外將三維動(dòng)態(tài)模型算法以及預(yù)集中數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的創(chuàng)建與整合，能夠形成一個(gè)有效的管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。下面的三個(gè)圖示則是代表系統(tǒng)管點(diǎn)以及管段創(chuàng)建出來(lái)的模型效果。

圖4""管網(wǎng)生成的動(dòng)態(tài)情況

圖5""大小不同的動(dòng)態(tài)模型

圖6""井內(nèi)相關(guān)設(shè)施情況

5"結(jié)束語(yǔ)

由上述情況可知，地下管網(wǎng)如今已成為了城市生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其追求精細(xì)的建模必須引起人們足夠的重視。大量的歷史經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐證明，采用地下管網(wǎng)精細(xì)化的三維建模方式是具有可靠性的，能夠?yàn)槿藗冋故靖嗟目臻g特性，使內(nèi)部表達(dá)更加準(zhǔn)確，全面地展現(xiàn)模型的內(nèi)部信息。

參考文獻(xiàn)：

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