基于skyline的城市地下三維管線建立研究

張玉紅，任東風，賁忠奇，李　琳，張新月

(1.阜蒙縣國土資源局，遼寧 阜新 123100；2.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

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基于skyline的城市地下三維管線建立研究

張玉紅1，任東風2，賁忠奇2，李琳2，張新月2

(1.阜蒙縣國土資源局，遼寧 阜新 123100；2.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

隨著城市建設規模不斷擴大，作為城市生命線的管線系統，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，還多呈立體交叉網狀，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，我國城市管線規劃、建設和管理，長期滯后于城市建設，多數城市歷史上沒有實行管線竣工測量，以設計圖代替竣工圖，造成管線的歷史資料殘缺不齊、規格標準不統一、精度不高、設備故障原因難以查找、核對困難等諸多問題。這些問題所造成的負面影響是：在城市地下工程建設、高層建筑的地基處理過程中，常常發生損壞地下管線的事故[1-2]。此外，在舊管線更新、新管線設計施工、新城區的管線規劃等方面，建設單位無法及時得到已有管線的精確現狀，在此基礎上的研發工作缺乏科學依據，從而出現重復建設等問題，造成時間、資金上的巨大浪費[3]。

各大城市的管線系統多為二維系統，二維管線系統難以直觀地反映各管線之間的立體空間位置關系[4-5]?；诖耍贁党鞘虚_始對三維管線系統的探索[6]。

1技術路線

三維管線系統技術路線如圖1所示。

圖1　技術路線

2數據處理

在ArcMap中打開ArcToolbox，進行投影轉換，因為TE中顯示的是經緯度而圖層顯示的是平面坐標系。所以要進行從平面坐標系到球面坐標系的轉換[7-9],如圖2所示。

圖2　投影轉換

在Google Earth上獲取高分辨率影像圖，與shp格式的矢量圖進行配準[10]。

TerraBuilder根據影像和DEM數據提供的投影、坐標、高程信息，可以把大量的影像數據和DEM數據自動疊加到一起，形成一個mpt文件。根據影像數據創建金字塔，生成mpt。本實驗做的是球面工程，其可以利用全球的基礎數據。做好的烏蘭木倫mpt見圖3。

圖3　烏蘭木倫mpt

3管網的數據結構

對于管點數據，包含管點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。屬性信息包括管線材質 、類型、管徑、轉角等信息，如表1所示。

表1　管點數據結構

在加載模型的時候還需要7個參數：高度、旋轉角、傾斜角、偏航角、X比例、Y比例和Z比例。在這個屬性表上繼續添加以上字段。

對于管線數據，包含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和終點的坐標，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、起點埋深、終點埋深等信息，如表2所示。

表2　管線數據結構

4三維管線的建模和生成

4.1創建管點模型

管點數據一般包含管點的類型、位置、角度等信息。根據CAD底圖進行制作，導入3DMAX(單位：m，模型做成1∶1)，Z軸不要進行旋轉，在CAD中對地物進行簡化、刪減，建立二維模型，輸出前首先獲取中心點坐標值，然后將不同類型的管點模型 (彎頭、三通四通接頭、閥門)對應一個編號，所有的模型和貼圖命名依照規范進行編號，不能有重名的文件。

4.2管點模型貼圖

當模型利用3DMAX建好后，需要對模型進行貼圖。具體步驟為：選定要賦予材質的對象，點擊菜單欄上的材質編輯器，點擊貼圖，選中漫反射，點擊其后的欄，在彈出的對話框中選擇要賦予對象的材質或者貼圖，點擊將材質指定給選定對象[11]。

4.3管點模型的格式轉換

將建好的管點模型導出為 Skyline軟件識別的.3DS格式的模型。如果模型在輸出成.3DS格式之前，沒有進行歸零操作，并且沒有記錄模型坐標值，那么可通過使用MakeXPL工具來完成模型歸零操作。MakeXPL工具可將.3DS格式的模型轉換成XPL格式的同時，將模型的坐標歸零，并且會記錄模型的坐標值，并形成模型坐標值文檔[11]。

4.4管點數據批量導入

將管點數據按照矢量點的方式批量導入Skyline，將點的表現形式設置為 3D Model，即每個點顯示為一個對應的管點模型，根據其它的屬性字段如角度等設置模型的屬性，從而實現三維管點數據自動批量生成。這些必須的參數，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[12]。

4.5管線建模和生成

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，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、平面偏轉角、垂直方向偏轉角、管線顏色、名稱等[13]。生成的管線，如圖4所示。

圖4　生成的管線

4.6管點和管線的匹配

系統可以利用用戶導入二維的shp格式數據，根據其相關管線參數，自動生成三維管線。生成的三維管線，繼承二維管線數據的屬性信息，包括埋深、管徑、走向、連接點等。同時，系統能根據管點的屬性，通過空間位置信息進行自動匹配組合。在管線連接處自動生成相應類型的三維模型[14]。匹配后的三維管網，如圖5所示。

圖5　匹配后的三維管線

5管網系統的實現

5.1系統的主界面

啟動程序進入系統主界面，主界面風格基本與TerraExplorer相似，由標題欄、菜單欄、工具欄、工程樹、3D窗口以及狀態欄組成。

界面的設計采用菜單欄的設計以及API的添加，由C#的菜單編輯功能建設菜單選項，然后添加TE API來建立界面，工具欄采用的是ToolStripButton，菜單欄采用的是ToolStripMenuItem，工程樹采用的是TEInformationWindow Class，3D窗口采用的是TE3DWindow Class，狀態欄采用的是ToolStripStatus。

系統的主界面如圖6所示。

圖6　系統的主界面

主界面介紹：

1)菜單欄：通過C#的菜單編譯器，可以實現菜單欄的定制，菜單欄中的子菜單鏈接系統的全部功能，本設計的菜單欄包括文件(File)、對象(Object)、工程樹(Information Window)、導航(Navigate)、菜單(Menu)、地下模式(Underground)、地形分析(Terrain Analyze)，每一個菜單項有若干命令，每一命令完成系統的一項基本功能。

2)工具欄：多數功能為常用的功能，每個按鈕都設置一定的功能，當鼠標指向工具按鈕時，即顯示該按鈕的作用。

3)工程樹：這個和skyline的目錄樹一樣，用于顯示文件和文件的狀態。

4)3D窗口：顯示當前已經加載的圖層、建筑物、管線等。

5) 狀態欄：顯示鼠標所在地的經緯度。

5.2系統功能實現

5.2.1 文件管理模塊實現

在主菜單文件下，主要包括打開、關閉、另存、打印4個功能。打印功能如圖7所示。

圖7　打印功能對話框

5.2.2對象模塊的實現

對象功能中包括標簽(任意位置的標簽、特定位置的標簽)、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。標簽功能如圖8所示。多邊形功能如圖9所示。

圖8　標簽功能示意圖

圖9　多邊形功能示意圖

標簽功能實現的主要代碼如下：

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距離量測模塊的實現

距離量測模塊包括：水平距離量測、垂直距離量測、空間距離量測。如圖10~圖12所示。

圖10　水平距離量測

圖11　垂直距離量測

圖12　空間距離量測

5.2.4空間查詢模塊的實現

以’起點頂高’>1110為條件查詢，其結果如圖13所示。

數據的更新如圖14所示。

圖13　查詢高度

圖14　管線數據的更新

6結束語

本文實現管線的三維建模和系統的開發功能。

1)實現坐標系的相互轉換以及高程數據和影像數據的處理。

2)實現3DMAX管點模型的建立以及三維管線和管點模型的匹配和顯示。

3)開發的管線系統能實現文件管理、圖形顯示、圖層管理、查詢等功能，使用戶操作起來簡單易懂。

參考文獻：

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[3]任海軍,文俊浩,徐玲.一種三維數字城市的構建和實現方法[J].重慶大學學報(自然科學版),2006,29(4):101-104.

[4]劉軍,錢海峰,孫永新.基于Skyline的三維綜合地下管線應用與研究[J].城市勘測,2011(4):43-45,49.

[5]黃夢龍.基于Skyline的三維城市模型數據庫管理系統設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2014，37(8)：133-135.

[6]李黎.利用地下管線探測點進行區域三維模擬[J].測繪工程,2007,16(3):11-14.

[7]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):55-57,60.

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[14] 惠立.基于skyline油田集輸管網數字化與三維可視化應用研究[D].西安:西安石油大學,2011.

[責任編輯：張德福]

摘要：傳統二維管線系統難以直觀地反映各管線之間的立體空間位置關系。舊管線更新、新管線規劃、管線設計施工、土建工程的破土動工等都需要準確掌握地下管線的現狀信息，如果盲目開挖就可能引起自來水管爆裂、煤氣泄露、停電、通信信號中斷等事故。以地下管線為研究對象，以skyline為平臺，C#為開發語言建立城市三維管網系統，在地下錯綜復雜的條件下，展現各管線之間以及管線與周邊地物之間的空間位置關系，實現管線的查詢和分析功能，有利于決策者做出更好的決定。

關鍵詞：三維管線；地理信息系統；管線建模；skyline

Establishment of the underground city 3D pipeline based on skylineZHANG Yuhong1,REN Dongfeng2,BEN Zhongqi2,LI Lin2,ZHANG Xinyue2

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

Abstract：It is difficut for the traditional 2D pipeline system to directly reflect the three-dimensional spatial relationships between the various pipelines.Old pipeline updates,new pipeline planning,pipeline design construction, and civil engineering all need to accurately grasp the status of ground-breaking information on underground pipelines in case that the blind excavation causes water pipes burst,gas leaks,power outages,traffic signal interruption and other accidents.In this paper,the pipeline is taken as the case of study,with skyline as a platform,and C# development language as a three-dimensional systems. In the complicated conditions, it shows the spatial relationships between the pipelines and the pipelines between the peripheral surface features, in order to achieve the pipeline query and analysis functions, which will help decision-makers make better decisions, and contribute to the development of the city.

Key words：3D pipeline；geographic information system；pipeline modeling；skyline

作者簡介：張玉紅(1966-)，男，工程師.

收稿日期：2014-11-27

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)02-0071-06