城市地下管線三維建模工具開發(fā)及應用

張鵬程，丘廣新，陳 鵬，張秀英

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

城市地下管線三維建模工具開發(fā)及應用

張鵬程1，丘廣新1，陳 鵬1，張秀英1

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060）

首先對常用的管線三維建模方法進行了歸納總結；在分析不同方法的應用范圍、綜合考慮各種建模方法優(yōu)缺點的基礎上，基于DirectX9.0、.NET Framework3.5運行環(huán)境，采用C++語言，集成開發(fā)了管線三維建模工具。以廣州市現有二維管線數據庫為例，該工具通過對編碼、字段、材質、特征、附屬物等信息的映射設置，能快速、高效地實現管線的三維建模。

地下管線；三維建模工具；自動化建模；映射設置

地下管線的三維可視化建模、空間分析與輔助決策技術已廣泛應用于管線規(guī)劃、設計、審批、施工、運維等日常管理工作中，并將成為當前城市地下管線信息化發(fā)展的新趨勢。20世紀90年代以來，國內大多數城市都開展了地下管線普查并同步建立了地下管線綜合管理系統，已積累了較為豐富的二維地下管線數據庫。如何在現有二維數據的基礎上，研究管線三維建模方法，并開發(fā)可擴展、可定制、可獨立運行的三維建模工具，從而實現管線的快速建模與更新，是城市管線面向三維應用的前提。

1 管線三維建模方法現狀分析

1.1 管線三維建模方法概述

目前，國內眾多城市開展了管線三維建模方面的研究，并取得了較好的應用效果。管線三維建模方法從自動化的程度來看，可分為人工建模和自動化建模[1]；從使用的建模軟件來看，可分為使用第三方專業(yè)建模軟件（3ds Max、Sketchup等）建模和直接使用三維GIS軟件[2]（Skyline、CityMaker等）建模；從管線本身數據結構的角度來看，可分為固態(tài)化模型建模和參數化模型建模[3-4]；從建模的數據來源角度來看，可分為基于現有的二維管線數據進行三維建模和制定新的三維數據標準，然后按照新標準重新進行外業(yè)數據采集并建模[5-6]。

不同的建模方法，其目標或應用范圍不同：①人工建模能建立精細、美觀的管線三維模型，但所有管線段、管線點的連接設備和附屬設備都要手工建模，工作量巨大；自動化建模通過開發(fā)相應的自動化建模工具，能基于二維管線數據快速生成三維模型，效率高，但模型精細化程度稍差，尤其是對于不規(guī)則的管線附屬設備。②第三方專業(yè)建模軟件具有強大的三維建模能力，不僅能構建各種規(guī)則的管線段實體，而且能構建各種復雜、不規(guī)則的管線附屬設備，但建立好的三維管線模型導入到三維GIS后，由于是外部對象，會導致系統運行效率低，尤其是管線數據量大的時候；三維GIS軟件可直接使用內部對象構建規(guī)則的管線段實體（一般是方形管或圓形管），模型運行效率高，但不規(guī)則的附屬設備難以構建。③管線的固態(tài)化模型一般是指不規(guī)則的管線附屬設備，如水表、閥門、消防栓等，固態(tài)化模型一般需要借助第三方建模軟件建模，而參數化模型主要是指管線段實體、規(guī)則的連接設備，這些對象可通過調整參數（管徑的大小、三通的位置、旋轉角度等）來建模。

1.2 廣州市管線數據現狀與建模方法

不同城市應根據管線三維系統的具體應用需求、現有管線的數據量、數據結構和數據現狀等，采用不同的管線建模思路、軟件和方法。以廣州市為例，自1995 年開展地下管線普查、1997年實施管線竣工驗收測量以來，目前已建立了包括給水、排水、燃氣、電力、通信等十大類、總長約2.3萬km的二維地下綜合管線數據庫。同國內大多數城市一樣，管線數據庫由管線段和管線點兩大部分構成[7-8]，管線段基本是由規(guī)則的方形管和圓形管組成，管點層根據其“特征”屬性字段標識三通、四通、五通、預留口、變徑、彎頭和封頭等規(guī)則的連接設備，根據其“附屬物”屬性字段標識閥門、消防栓、水表、調壓井和污水蓖等不規(guī)則的附屬設備。

根據廣州市管線數據的現狀，結合現有管線三維建模方法及其適用范圍，本文在管線三維建模時，采用了人工建模與自動化建模相結合、第三方建模軟件和三維GIS軟件相結合、固態(tài)化模型和參數化模型建模相結合的思路及方法：①對于規(guī)則的管線段（方形管和圓形管）以及規(guī)則的管點連接設備（三通、四通、變徑、彎頭等），采用參數化模型建模，利用專業(yè)三維GIS軟件本身內部的幾何對象（長方體、圓柱體等），進行自動化的建模，如根據管線段的長×寬或半徑來決定長方體或圓柱體的三維模型大小；②對于不規(guī)則的管點附屬設備（閥門、消防栓、水表等），采用固態(tài)化模型建模，利用第三方建模軟件（3ds Max等），通過人工按照1∶1的比例進行三維建模仿真[9]，并將模型作為三維符號導入到三維管線系統中，系統根據其與管線段的連接方向、管徑、高程和坐標等自動計算模型旋轉角度、縮放比例等，最終生成相應的附屬設備模型。

2 管線三維建模工具與功能

采用上述方法可實現二維管線的三維建模，但隨著城市建設的快速發(fā)展，管線存在定期普查修測和日常竣工驗收測量的更新需求，而且隨著管線新材料、新技術的應用和發(fā)展，管線的數據標準（如電信管線的材質由銅質電纜變?yōu)楣饫w）存在擴充、變更的可能。因此，有必要對上述管線三維建模方法進行集成，開發(fā)可定制、可配置、可擴展的工具。

2.1 工具的主要功能

基于DirectX9.0、.NET Framework3.5運行環(huán)境，采用C++語言，對上述建模方法進行封裝，工具在現有二維管線數據shp文件的基礎上，通過對編碼、字段、材質、特征、附屬物、埋設方式等信息的映射設置，可快速、高效地實現管線的三維建模。

2.1.1 分類編碼映射設置

分類編碼映射功能支持對用戶現有管線數據的分類和編碼進行設置，包括管線分類編碼、特征編碼、附屬設施編碼和材質編碼的定制，如圖1所示。

2.1.2 屬性字段映射設置

工具默認提取現有二維管線數據shp文件中的所有屬性字段，用戶可根據三維管線模型實際的字段查詢、統計等需求，進行自定義的配置；其中，管線段起終點的編號、管頂（底）高程、埋深、管徑或斷面尺寸、管線材料、埋設方式等為必選字段，而管線點必須包括XY坐標、地面高程、管頂/底高程、井深、特征、附屬物等字段。圖2為屬性字段的設置管理功能。

圖1 分類編碼設置管理

圖2 屬性字段設置管理

2.1.3 值域映射設置

工具自動提取二維管線數據shp文件中材質、特征、附屬物、埋設方式字段值中的內容，并將讀取到的結果自動與系統標準值進行匹配，不能匹配的，支持用戶手工指定。圖3為管線材質的設置管理功能。

圖3 材質設置管理

2.1.4 紋理、設施材質映射設置

紋理、設施材質映射包括對管線段的紋理、附屬物的材質及模型進行設置的功能（圖4）。其中，附屬設施模型如分線箱、上桿、閥門、消防栓、水表等屬于固態(tài)化模型，需要采用人工建模的方法，利用第三方建模軟件，事先按照1∶1的比例進行三維建模仿真并導入到工具中。

2.2 工具的應用示例

利用該工具方便、快捷地實現了覆蓋廣州市約760 km2區(qū)域、總長度為2.3萬km地下管線的批量、自動化建模。生成的三維管線紋理、材質符合相關數據標準、管線段與管線點的特征、附屬設備耦合度高，整個三維場景形象、逼真，同時支持三維場景下的管線瀏覽、查詢、統計、分析、量算和標注等功能，如圖5所示。

圖4 附屬設施材質、模型設置管理

圖5 管線三維場景效果

作為可配置、可定制、可獨立運行的工具，支持對日常竣工驗收測量工程管線數據的快速建模與更新，確保管線三維模型庫的現勢性。此外，該工具可擴展性強，例如，增加了某類管線，只需在圖1分類編碼映射設置中增設相應的管線分類及編碼即可；某類管線增加了某種材質，只需在圖3材質設置管理中增加相應的新材質即可；增加了某類不規(guī)則的管線附屬設備，只需在第三方建模軟件中建好該模型，導出為usx格式，并在本工具的圖4設施材質映射設置中增加即可。

3 結 語

本文在總結現有管線三維建模方法及其應用范圍的基礎上，針對管線動態(tài)更新和數據標準的變更需求，開發(fā)了可配置、可擴展、可獨立運行的管線三維建模工具，并以廣州市為例，利用該工具實現了海量二維管線數據的三維快速建模。

應用實踐表明，該工具具有如下特色：①基于可獨立部署、運行的特性，在管線普查修測、竣工驗收后，可利用工具快速生成更新區(qū)域的三維模型，實現三維管線模型的更新與二維管線數據庫更新的同步；②隨著新材料、新技術的發(fā)展，管線數據標準存在變更需求，利用工具可擴展、可定制的特性，通過簡單的配置（分類編碼、屬性、材質、特征、附屬物等信息的映射設置），可滿足相應的變更需求；③體現了人工建模與自動化建模相結合、第三方建模軟件和三維GIS軟件相結合、固態(tài)化模型建模和參數化模型建模相結合的建模思路。

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10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.027

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1672-4623（2016）07-0085-03隨著計算機軟硬件、三維可視化技術的快速發(fā)展，

張鵬程，博士，正高職高級工程師，主要從事地理信息系統與地圖編制工作。

2014-09-30。