基于Skyline的地下管網(wǎng)三維可視化研究

王　雷

基于Skyline的地下管網(wǎng)三維可視化研究

王雷

（池州學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，安徽池州247000）

為了更好的對地下管網(wǎng)進(jìn)行管理與設(shè)計，在Skyline，首先將研究區(qū)遙感影像、數(shù)字高程模型和地面建筑物模型進(jìn)行疊加，創(chuàng)建管網(wǎng)基礎(chǔ)場景，在此基礎(chǔ)上通過Skyline二次開發(fā)組件Terradeveloper完成圓形和矩形管線段自動建模，最后綜合基礎(chǔ)場景實現(xiàn)地下管網(wǎng)的三維場景顯示。結(jié)果表明，結(jié)合三維基礎(chǔ)場景繪制地下三維管網(wǎng)能夠快速、準(zhǔn)確、有效的表達(dá)管網(wǎng)之間錯綜復(fù)雜的空間位置關(guān)系。

SkyLine；三維可視化；地下管網(wǎng)

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.020

現(xiàn)代城市建設(shè)中，各類管網(wǎng)的使用越來越普遍，水、電、氣三種日常生活中的必備要素通過管網(wǎng)輸送到各家各戶，雨水、污水等通過管道進(jìn)行收集和排放，這些看不見的運輸線保證了城市的日常運行［1］。隨著城市管網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大以及管網(wǎng)本身隱蔽性的特點，如何有效管理這些地下生命線，對于城市的日常運作和進(jìn)一步建設(shè)與發(fā)展顯得至關(guān)重要。現(xiàn)階段，部分城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理已初步實現(xiàn)信息化，然而這些管理系統(tǒng)大部分停留在管網(wǎng)數(shù)據(jù)的二維可視化上［2-3］，而二維的表達(dá)方式難以全面的描述存在于地下三維空間的管網(wǎng)。Skyline是一套功能完善的三維地理信息系統(tǒng)軟件，其利用各類影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維可視化的地理環(huán)境，主要由TerraBuilder、Terra-Explorer Pro和TerraGate三部分組成［4］。本研究借助于Skyline三維地理信息平臺實現(xiàn)地下管網(wǎng)的三維可視化，從而直觀清晰的顯示地下管線段之間錯綜復(fù)雜的空間關(guān)系，可以為管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效管理提供三維可視化環(huán)境。

1　數(shù)據(jù)組織

1.1管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織

城市地下管網(wǎng)類型主要分為給水、排水、燃?xì)狻㈦娏Α㈦娦拧崃Α⒐I(yè)等幾大類［5］。在不同的大類中還可以進(jìn)行細(xì)分，如排水可以分為污水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)和雨污合流管網(wǎng)。由于管網(wǎng)數(shù)據(jù)量較為龐大，需要對不同管網(wǎng)數(shù)據(jù)按類別進(jìn)行分層管理，每類管網(wǎng)分別由管線段和管點圖層組成，每個圖層又包含管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要包括管段的起始位置、埋深、管徑和管點的三維坐標(biāo)，屬性數(shù)據(jù)是對管網(wǎng)非空間信息的描述，如管網(wǎng)的建設(shè)年代、管網(wǎng)的材質(zhì)等。

管線段相互之間通過與其關(guān)聯(lián)的各類管點銜接，組織管段數(shù)據(jù)時需要對管段進(jìn)行編號，同時明確管段的起始管點編號和管徑等三維數(shù)據(jù)，在管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程中管點數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字設(shè)為“管點號”，并將“管點號”作為管段數(shù)據(jù)表的外關(guān)鍵字，從而確定管點數(shù)據(jù)與管段數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（見圖1）。

圖1　管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.2三維場景數(shù)據(jù)組織

管網(wǎng)并非孤立的存在于城市地下，在它的周圍存在著與其相關(guān)聯(lián)的各類要素，而管網(wǎng)區(qū)域的地形及其地面景觀直接影響著管網(wǎng)的布局。管網(wǎng)系統(tǒng)中的定位主要通過空間坐標(biāo)來表達(dá)，但這種定位方式并不適用于日常生活中管網(wǎng)位置的查詢，如給水、電力、燃?xì)獾裙芫W(wǎng)在居民區(qū)附近埋設(shè)較多，對這些管線位置的描述也常借助其周邊的建筑物等設(shè)施進(jìn)行描述，這些情況表明管網(wǎng)的日常管理需要地面信息的輔助。

1.2.1地形場景建模管網(wǎng)三維場景建模需要綜合建模區(qū)域的三維地形和地面景觀數(shù)據(jù)。三維地形模型描述的是研究區(qū)的地勢起伏，Skyline軟件中的TerraBuilder模塊在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，通過疊加研究區(qū)的遙感影像和數(shù)字高程模型能夠生成地形模型。景觀模型主要由建筑物及其地面設(shè)施構(gòu)成，Skyline軟件中的TerraExplorer Pro模塊具有簡單模型的制作功能，能夠基本滿足管網(wǎng)地面場景建模的需求，同時TerraExplorer Pro的各類模型還可以通過3dsMax等專業(yè)三維建模軟件生成。

綜合管網(wǎng)的鋪設(shè)區(qū)域往往范圍比較大，相應(yīng)的地形數(shù)據(jù)量也較大，因此對地形數(shù)據(jù)的有效管理能夠直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)效率。本研究基于統(tǒng)一的地理參考通過TerraBuilder疊加遙感影像、數(shù)字高程模型建立三維地形模型，借助金字塔式的數(shù)據(jù)管理模式，創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)對較大范圍地形環(huán)境多角度、快速、流暢的瀏覽。

1.2.2地面景觀建模三維地面景觀包含的內(nèi)容復(fù)雜多樣，這里我們選擇與管網(wǎng)位置關(guān)聯(lián)緊密的各類建筑物、道路、市政設(shè)施進(jìn)行建模。地面景觀主要通過TerraExplorer Pro創(chuàng)建的簡化建筑物模型，TerraExplorer Pro自帶的簡易模型以及3dsMax制作的模型文件進(jìn)行建模，建模效果見圖2。

圖2　地面景觀模型

根據(jù)以上表述可以看出，TerraExplorer Pro軟件模塊能夠有效地綜合地形場景和地面場景，借助該模塊對地形模型和地面景觀模型進(jìn)行整合可以生成包含真實地形的三維場景。同時，TerraExplorer Pro還支持以數(shù)據(jù)流的方式充分展現(xiàn)地表信息，并能夠進(jìn)行三維場景要素的編輯、注釋以及發(fā)布等。

2　管線段參數(shù)計算

管線段是整個管網(wǎng)的主要部分，管線段的生成在原始勘測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計算出繪制管線段所需要的參數(shù)，其主要參數(shù)計算如下：

（1）管線段起止點坐標(biāo)的計算

管線段三維建模需要管線中軸線的起止坐標(biāo)，在實際管線勘測過程中多記錄管線段的XY坐標(biāo)、地面高程、埋深和管徑等數(shù)據(jù)，這就需要依據(jù)勘測數(shù)據(jù)計算中軸線起止點的Z坐標(biāo)。依據(jù)管線段數(shù)據(jù)中記錄的“起點點號”和“終點點號”關(guān)聯(lián)管點數(shù)據(jù)表，讀取起止點的XY坐標(biāo)、地面高程、埋深以及管徑數(shù)據(jù)，其中Z坐標(biāo)可通過地面高程、埋深和管徑數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，公式如下：

其中Z表示管線中軸線起止節(jié)點的高程，dmgc表示地面高程值，ms表示節(jié)點的埋深，gj表示管線段的管徑。

（2）管線段長度的計算

管線段長度即起止節(jié)點間的空間距離，借助IPosition6接口的DistanceTo方法可以計算兩節(jié)點間的空間距離。

（3）偏航角、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角的計算

偏航角、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角三個參數(shù)描述了管線段的空中姿態(tài)，其中偏航角（Yaw）表示視點與興趣點間的偏轉(zhuǎn)角度，傾斜角（Pitch）表示視點與興趣點間的俯仰角度，旋轉(zhuǎn)角（Roll）表示視點與興趣點間的旋轉(zhuǎn)角度，三者分別描述管線段繞Z軸、Y軸和X軸的旋轉(zhuǎn)角度［6］。對于這三個參數(shù)的計算，IPosition6接口提供了AimTo方法，該方法返回起點坐標(biāo)值以及起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)間的角度值。

3　管網(wǎng)可視化

Skyline包含一個基于COM技術(shù)的二次開發(fā)包TerraDeveloper，可以通過目前主流的程序設(shè)計語言進(jìn)行二次開發(fā)。用戶可以根據(jù)自身的需求，基于TerraDeveloper開發(fā)出自己需要的三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)。TerraDeveloper包含三個可視化控件（TE3DWindow、TEInformationWindow、TENavigationMap）及一組API組成（見表1）。

表1　TerraDeveloper的主要接口及其功能

管線段的形狀主要有圓形和矩形兩種，TerraDeveloper中的CreateCylinder函數(shù)可用于創(chuàng)建圓形管線段，CreateBox函數(shù)可用于創(chuàng)建矩形管線段。三維管線段的繪制，首先需要獲取管段的起始點的編號，對應(yīng)獲取起始點三維坐標(biāo)，其中坐標(biāo)的Z值以管段截面中心點的高程最為理想，或者結(jié)合地面高程、埋深、管徑等數(shù)據(jù)計算管線段截面的中心點高程。

TerraDeveloper中圓柱采用矩形剖分的形式繪制，其精細(xì)程度取決于矩形面的數(shù)量。CreateCylinder函數(shù)中參數(shù)NumOfSegments為構(gòu)成圓形的線段數(shù)，即圓柱體對應(yīng)的矩形數(shù)量。另外，CreateCylinder函數(shù)其中的其他參數(shù)分別為：Position指定圓柱體中軸線起點的位置，該參數(shù)同時包含了圓柱體的空間姿態(tài)參數(shù)；Radius為圓柱體的半徑參數(shù)，對應(yīng)管線段的管徑；ObjectHeight為圓柱體的高度，對應(yīng)管線段的長度；LineColor為圓柱體輪廓線的顏色；FillColor為圓柱體的填充顏色，對應(yīng)管線段的顏色。圓形管線段建模效果見圖3。

圖3　圓形管線段

圖4　矩形管線段

矩形管線段繪制較為簡單，TerraDeveloper通過函數(shù)CreateBox來繪制矩形管線段。CreateBox函數(shù)其中的參數(shù)分別為：Position為矩形管線段中軸線中心點的位置，這與圓形管線段有所不同；ObjectWidth為管線段的寬度；ObjectDepth為管線段的長度；ObjectHeight為管線段的高度；LineColor為管線段輪廓線的顏色；FillColor為管線段的填充顏色。矩形管線段建模效果見圖4。

文章基于前文構(gòu)建的基礎(chǔ)三維場景，在.net開發(fā)環(huán)境下，通過讀取管網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用Skyline二次開發(fā)組件，按管線類別將管網(wǎng)分成多個圖層，每類管網(wǎng)采用不同顏色加以區(qū)分，構(gòu)建研究區(qū)的三維管網(wǎng)綜合場景（見圖5）。

圖5　管網(wǎng)綜合場景

4　結(jié)論

目前，各類城市管網(wǎng)信息系統(tǒng)多為二維的，這些系統(tǒng)雖然能夠初步實現(xiàn)對地下管網(wǎng)的信息化管理，但無法表達(dá)管線段本身的三維信息以及管線段的空間姿態(tài)信息。將Skyline軟件應(yīng)用于地下管網(wǎng)建模，結(jié)合研究區(qū)的場景數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、有效、直觀的將管線段之間的空間位置關(guān)系呈現(xiàn)給技術(shù)人員，對城市的建設(shè)和管理提供更為便捷的服務(wù)。

城市管網(wǎng)的主體部分為圓形和方形管線段，采用TerraDeveloper函數(shù)可以在低系統(tǒng)消耗的前提下快速地完成管線段的可視化，然而這種方法不適宜管線段接頭模型的生成，對于精細(xì)化程度要求較高的管網(wǎng)建模則難以滿足。如何有效地結(jié)合專業(yè)三維建模工具（如3ds Max）精細(xì)化程度高的優(yōu)點，增強管網(wǎng)可視化的精細(xì)程度是本文的后續(xù)研究方向。

［1］華建源.地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲性能改善技術(shù)探討［J］.地礦測繪，2005，21（3）：42-44.

［2］周春波，吳歡，魏偉，等.基于AutoCAD的地下管網(wǎng)圖形屬性一體化方案［J］.城市勘測，2014（6）：87-90.

［3］岳漢秋，楊雨華，高松峰，等.基于ArcEngine的城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的建設(shè)研究［J］.供水技術(shù)，2014，8（4）：32-35.

［4］鄧浩，夏春林，王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立［J］.遙感技術(shù)應(yīng)用，2008，23（5）：529-532.

［5］CJJ61-2003.城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程［S］.2003.

［6］張劍波，李春亮，張耀芝，等.基于Skyline的城市三維管道自動生成技術(shù)［J］.測繪通報，2013（12）：66-69.

［責(zé)任編輯：余義兵］

P208

A

1674-1102（2015）06-0065-03

2015-08-23

池州學(xué)院自然科學(xué)基金項目（2015ZR008）。

王雷（1988-），男，安徽池州人，池州學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院助教，碩士，研究方向為GIS開發(fā)與應(yīng)用。