城市管網三維建模技術研究

劉子恒，侯英姿，張 闖，王方雄

（1.遼寧師范大學 遼寧省自然地理與空間信息科學重點實驗室，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學 城市與環境學院，遼寧 大連 116029；3.浙江科瀾信息技術有限公司，浙江 杭州310012；4.杭州吉翱地理信息技術有限公司，浙江 杭州 310012）

城市管網三維建模技術研究

劉子恒1,2,3，侯英姿1,2，張 闖4，王方雄1,2

（1.遼寧師范大學 遼寧省自然地理與空間信息科學重點實驗室，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學 城市與環境學院，遼寧 大連 116029；3.浙江科瀾信息技術有限公司，浙江 杭州310012；4.杭州吉翱地理信息技術有限公司，浙江 杭州 310012）

設計了城市管網三維模型的邏輯結構，介紹了基于SuperMap的管網三維建模技術，解決了管網拓撲模型中的假節點、流向等問題，并以大連石化礦區燃氣管網建模為例，詳細介紹了在SuperMap中三維建模技術的具體步驟。

城市地下管網；三維建模；管網拓撲模型；管網三維模型；SuperMap iDesktop

管網模型分為二維平面模型和三維立體模型。管網三維建?？梢圆捎弥庇^、形象的三維模型符號來表達管網的流向信息、閥門朝向及其空間分布規律，是管網可視化的重要內容[1]。管網三維建模技術在智慧城市、基礎設施管理方面的應用日益廣泛。SuperMap軟件不僅在處理管網數據復雜的拓撲關系中有獨特的技術優勢[2]，而且提供了豐富的可自定義的二三維符號庫，可充分表達管網的三維模型特征和綜合場景。SuperMap Max插件支持3DMax模型與SuperMap三維場景模型的交互操作[3]，與SuperMap快速建模優勢互補，可完整實現城市管網三維模型場景并進行功能優化。

1 城市管網的三維建模方法

管網三維模型不僅可以在三維空間中表達地上/地下管網的形態特征，還可以描述管網的幾何模型和邏輯結構模型。管網三維模型主要由管網骨架模型和管網紋理模型構成。利用ArcGIS、AutoCAD等軟件將文本、Excel屬性表、紙質地圖等源數據矢量化入庫得到管網數據，以管網數據為基礎，在SuperMap中構建管網骨架模型。管網紋理包括地上/地下管線流向紋理和地上/地下閥門表面紋理，紋理數據來自管網國際化標準符號庫和實際管網紋理采樣，根據管網骨架模型的管徑和尺寸大小等，使用Photoshop圖像處理軟件處理管線流向紋理信息和閥門表面紋理特征。管網三維模型的構成要素、數據來源以及基于SuperMap的建模流程如圖1所示[1]。

圖1 管網三維模型的構成要素及建模流程

2 基于SuperMap的管網拓撲建模技術

通過ArcGIS軟件將管網的文本、Excel表、紙質地圖等源數據矢量化入庫得到管網的空間數據和屬性數據，或者使用AutoCAD軟件根據實測管網數據坐標繪制生成多線段的管網數據（如圖2a）[4]。SuperMap軟件兼容多種數據格式，如*.dwg、*.shp、*.tab、*.xlsx、*.scv、*.kml、*.dem等，基于SuperMap的三維管網建模技術的關鍵是管網拓撲和三維建模。在SuperMap iDesktop軟件中，管網拓撲包括拓撲處理（拓撲預處理、拓撲檢查、線拓撲處理）、拓撲構網、創建流向等。拓撲預處理包括插入節點、節點容限捕捉、多邊形走向調整，主要處理管網閥門與管線在容限范圍內鄰近點的捕捉和擦除。如不修改原始數據，則需在拓撲預處理前對數據進行備份。拓撲檢查是利用拓撲規則對管網數據進行拓撲預處理的方法之一，拓撲規則主要有點必須在線上、點必須在面上、線內無懸線、線內無假節點、線與線無重疊、線段相交處必須存在節點等；再根據檢查到的拓撲錯誤對線數據集進行拓撲處理，包括弧段求交、去除假節點、刪除冗余點等。拓撲構網是將拓撲處理后的管網數據通過構建二維/三維網絡數據集實現管線各段間內部物質傳輸的連通性[3]。管網流向通過“網絡分析-環境設置-創建流向-追蹤分析網絡建模-導入源、匯點數據集”創建流向的字段信息（見表1）[3]，并根據流向字段信息選擇符號庫中合適的管線符號，包括管網的閥門符號和環路符號信息，完成二維管網拓撲建模（如圖2b所示）。

表1 網絡數據集流向信息說明

3 基于SuperMap的管網三維建模技術

在管網三維建模時，首先利用SuperMap軟件中的“投影轉換”工具將GIS/CAD管網數據圖層的投影坐標轉換為WGS 84，將管網二維數據轉換為三維的點/線數據集。加載三維資源點、線、填充符號庫，為管網三維數據選擇匹配的三維點、線符號，或者在符號庫中編輯制作新的管線三維符號，匹配生成管網三維模型。在三維場景中添加管網三維數據集，在圖層管理器中制作三維管網專題圖（單值專題圖、標簽專題圖等）[3]；選擇圖層風格符號選擇器，為三維管網添加資源符號庫中的三維管線、三維閥門符號，生成管網三維骨架模型。

根據管網三維骨架模型的符號及紋理特征，使用Photoshop軟件制作管網紋理模型，在SuperMap符號庫中編輯管網模型符號，添加管網紋理模型，完成管網3D建模（如圖2c所示，紅色表示地上管線，綠色表示地下管線，箭頭表示管線內物質傳輸的流向。閥門包括彎頭、直通閥、三通閥、四通閥、閥門節點等，符號大小和朝向可以調控）[3]。

對于三維場景范圍內的其他輔助數據，根據影像圖、地形圖等底圖數據在GIS軟件中通過地圖矢量化得到各類型的點、線、面輔助數據；然后根據輔助圖層數據的模型紋理特征使用Photoshop軟件對模型貼圖文件進行裁剪、調色、擦除等，在3DMax軟件中對3D模型進行貼圖紋理渲染；利用SuperMap Max插件將3DMax中的三維模型文件以CAD模型數據集、KML、模型緩存、模型文件的形式導入到SuperMap的三維場景中，并調整與管網三維模型的空間位置關系，最后生成三維輔助模型場景[5-6]。

圖2 管網矢量化入庫、模型拓撲、三維建模過程

4 應用實例

大連石化礦區位于大連市甘井子區街道，地處東經121°37'14"～121°38'50"、北緯38°58'7"～38°59'18"，面積約4.99 km2。首先利用ArcGIS軟件將管網數據矢量化入庫，構建管網基礎數據集，然后在SuperMap中處理管網數據邏輯模型，構建管網幾何骨架模型，使用Photoshop軟件處理管網模型紋理，采用3DMax軟件構建其他輔助數據的3D模型，最后生成綜合管網三維模型場景。

基于SuperMap的三維管網具體建模步驟為：

1）將ArcGIS中的矢量化燃氣管網源數據在SuperMap中與石化礦區影像圖進行空間配準，并根據配準文件批量化配準其他要素圖層。

2）利用拓撲功能列表對燃氣管網的管線、閥門數據邏輯模型進行拓撲預處理、拓撲檢查，去除管線和閥門間的假節點、冗余點等，利用拓撲構網功能實現燃氣管線和燃氣閥門的連通。根據網絡數據集的圖層信息，通過“追加行/列”工具將燃氣管網的閥門類型字段信息追加到對應的屬性信息表中。利用燃氣管網的源點和匯點信息，通過“追蹤分析網絡建模”創建燃氣管網流向信息字段（包括環路信息），在符號庫中制作二維管線流向符號，生成拓撲處理后的二維管網數據模型（如圖2b）。

3）在SuperMap資源符號庫中導入三維線型符號，制作單值、標簽專題圖，修改圖層風格符號等，生成管網三維骨架模型（如表2）[7]。

表2 三維模型符號控制參數

4）根據影像圖信息為石化社區添加輔助數據，如基礎點、小區道路、小區樓房等二維數據集。制作三維點符號、道路符號，使用Photoshop處理點、道路模型紋理貼圖，根據小區樓房表面紋理，在3DMax軟件中構建三維建筑模型；然后利用SuperMap Max的插件將三維建筑模型導入到SuperMap三維場景的CAD模型數據集中，構成輔助三維模型（如圖3a）[8]。

圖3 基于SuperMap的三維建模應用實例

5）在SuperMap三維場景中使用Photoshop軟件處理過的燃氣管網模型紋理貼圖制作/修改三維管線符號，并賦值于3）中的燃氣管網骨架模型，導入輔助三維數據集并添加相應符號和模型，實現城市燃氣管網三維可視化（如圖3b，其中地上管線用紅色表示，地下管線用綠色表示）。

5 結 語

城市管網三維建模是管網源數據矢量化入庫后將二維地圖向三維模型可視化建模的過程，旨在促進管網數據由平面化管理向三維立體顯示的發展，以虛擬3D建模的方式展現并管理真實管網數據，實現管網系統的高效管理。

本文研究了基于三維管網的邏輯結構模型，闡述了基于SuperMap平臺的管網三維建模的技術流程，并以大連石化礦區管網模型為例，介紹了SuperMap中管網三維建模的具體步驟，特別是對管網拓撲關系的處理，有效地解決了管網的假節點、冗余點、流向問題。在創建管網模型的同時，以模型符號化形式表達管網內介質傳輸的方向、管線的分類和不同閥門朝向，利用3DMax軟件構建研究區內的輔助地物模型，實現了管網三維模型場景的美觀和完整表達。基于SuperMap的城市管網三維建模技術是管網三維模型表達的最優選擇。

[1] 杜研,王方雄,王博.基于SketchUp的三維地貌建模技術[J].地理空間信息,2013,11(1):64-66

[2] 姚志強.城市管網的三維建模與可視化技術研究[D].解放軍信息工程大學,2009

[3] SuperMap圖書編委會著.GIS工程師訓練營：SuperMap GIS二三維一體化開發實戰[M].北京:清華大學出版社,2013

[4] 林楠，周亮，陳天博,等.基于SuperMap Objects的校園地下管網信息查詢系統的實現[J].測繪與空間地理信息,2013(11):24-26

[5] 張翔,王方雄,崔羽.城市三維管網地理信息系統的設計與開發[J].測繪地理信息,2015, 40(2):17-19

[6] 杜國明,龔健雅,熊漢江,等.城市三維管網的可視化及其系統功能實現的關鍵技術[J].武漢大學學報（信息科學版）,2002(5):534-537

[7] 鄭文青,王亞巍.真三維地下管網信息系統建設的研究[J].測繪通報,2013(S1):230-232

[8] 北京超圖軟件股份有限公司[EB/OL]. [2014-04-18](2015-10-19),http://support.supermap.com.cn/DataWarehouse/ WebDocHelp/Deskpro_WebHelp_8C/SuperMap_ iDesktop_8C.htm

P208

B

1672-4623（2017）02-0102-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.031

2015-11-30。

項目來源：教育部人文社會科學研究一般項目（11YJC630202）。

劉子恒，碩士研究生，研究方向為地理信息系統應用與開發。