基于傾斜攝影和GIS建模的管網三維數字管理系統實現

張麗青

摘要：地下管網穩定的運行狀態保證了城市基礎資源的流通和人民的正常生活，對地下管網的建設現狀和管理運行狀態及時了解和把控尤為重要。由于地下管網的分布范圍大且埋于地下，使得管網的探查和維護不是那么便捷，傳統的二維管網管理無法表達管網之間錯綜復雜的空間關系。而隨著三維 GIS 逐漸成為 GIS 領域的發展方向之一，人們發現它比二維GIS更能夠體現空間對象的幾何特征和分布特征，能夠將復雜的地理空間對象以簡單明了的方式呈現給用戶。本文以河北省某市二、三維一體化數字城市管網系統建設項目為工程背景，探討了管網二、三維一體化數字管理系統的實現方法。

關鍵詞：地下管網? 地上下一體? 二三維一體? 三維場景

Abstract： The stable operation state of underground pipe network ensures the circulation of urban basic resources and people's normal life. It is particularly important to timely understand and control the construction status and management operation state of underground pipe network. Because the underground pipe network is distributed widely and buried underground， the exploration and maintenance of pipe network is not convenient. The traditional two-dimensional pipe network management can not express the complex spatial relationship between pipe networks. As 3D GIS has gradually become one of the development directions in the field of GIS， people found that it can better reflect the geometric and distribution characteristics of spatial objects than 2D GIS， and can present complex geospatial objects to users in a simple and clear way. Based on the construction project of two-dimensional and three-dimensional integrated digital urban pipe network system in some cities， this paper discusses the implementation method of two-dimensional and three-dimensional integrated digital management system of pipe network.

Key Words： Underground pipe network; Integration of above ground and underground; Two-dimensional and three-dimensional integration; Three-dimensional scene

管網三維可視化依靠計算機虛擬現實技術將空間數據庫中海量、抽象的管網基礎信息立體化、具象化表示出來，采用這種方式表達的地下管網，城市管線的走向、連接以及管線之間的空間位置關系一目了然，為市政部門管理管網提供了強有力的技術支撐。但是，今天的地下管網三維可視化仍存在許多挑戰：面對一座城市海量的地下管網數據，如何進行整合與管理;面對管網中復雜的管件構造和雜亂分布的管線，如何快速構建管網三維模型;當城市管網中某部分重新規劃后，是否能在對應的管網三維模型中進行及時更新，以及管網內幾何、語義、關系的整體表達。因此，亟需在建立管網三維模型時提出一套能夠對管網精細表達、具備一定專業性的地下管網三維空間數據模型和可行性高的精細建模方法[1]。該文以河北某市二、三維一體化數字城市管網系統建設項目為工程背景，探討了管網二、三維一體化數字管理系統的實現方法。

1 工程簡介

河北某市二、三維一體化數字城市管網系統建設及測繪項目范圍為城區范圍，面積約20km2。該項目擬對該范圍內進行地下管線普查、1∶500數字地形圖測繪、三維城市建模、1∶1000數字正射影像圖制作、城市街景制作并建立相應數字化管理系統。

測區1∶5萬地形圖全部覆蓋，1∶1萬地形圖部分地區覆蓋，可作為該項目初步設計使用。

“天地圖”“谷歌”等在線衛星影像數據現勢性較好，地圖顯示級別均在17級以上，可作為航攝范圍劃定及飛行線路設計等基礎性資料。

2 項目成果指標與規格

2.1 數學基礎

（1）坐標系統：采用1980西安坐標系統，并提供到2000國家大地坐標系（CGCS2000）的轉換參數。（2）高程基準：1985國家高程基準。（3）成圖比例尺：地形圖1∶500;正射影像1∶1000。

2.2 成果格式要求

（1）DEM數據：ArcINFOGRID格式。（2）DOM數據：采用非壓縮TIFF格式，加定位信息文件。（3）地形圖：dwg格式。（4）三維數據：osgb格式或obj格式。

2.3 成果分幅要求

（1）分幅大小：采用50cm×50cm正方形分幅。（2）分幅編號：采用內圖廓西南角坐標公里數（取至0.5km），以X-Y坐標的形式進行編號，中間以短線連接，如“402.0-533.0”。

3 無人機傾斜攝影

該項目使用六旋翼無人機搭載ARC524傾斜攝影相機的方式獲取測區的最新基礎航空影像數據[2]，航拍面積為20km2， 絕對飛行高度為180 m，基準面為31m，區域最高海拔為38 m，區域最低海拔為28m 地面分辨率最低點優于0.03m。

相對飛行高度為150m，航線總長度為602km，旁向重疊為80% ，航帶間距為36 m，航向重疊在80%以上，拍攝間距為24m（80%），作為該項目基礎地理信息數據采集的數據源。

4 城市三維建模流程

城市三維建模流程如圖1所示，建模效果如圖2所示。城市街景測量采用先進的移動測量系統進行數據的采集和處理[3]。1∶500道路現狀圖測繪采用常規測量方法，利用GNSS、RTK、全站儀進行地形圖測量。測量成果以測區道路為基本單位，生成的計算機數據文件包括：DWG格式的圖形文件（*.dwg）、MDB格式的數據庫文件（*.mdb）、導出arcgis的*.Shp文件。

5 城市管網地上下一體化顯示技術

一套完整的城市地下管網模型，除了完整地包含管網拓撲關系、外觀表達及語義信息外，還需要達到能夠讓用戶隨時判讀管網位置的目的[4]。將管網對應的地上層與地下層進行三維場景集成，能夠讓用戶能夠根據地上層的特征迅速對應管網要素在顯示世界中的位置信息，提高管網模型的可讀性。將地上層模型與管網模型一同加載顯示，巨大的數據量和構成模型的無數三角形面片都將拖延載入速度和場景瀏覽效果，出現卡幀、殘缺等現象，為了解決這一問題，該文在場景集成顯示中對模型進行了緩存和場景優化，進一步減輕了系統加載模型時的負擔，提升了三維場景的顯示速度。

5.1? 地上地下模型集成

SuperMap 三維基于完全自主研發的二、三維一體化 GIS 技術體系，為用戶提供強大實用的 GIS 功能與三維可視化平臺，突破了以往 GIS 軟件在三維建模及模型應用方面的局限性，用戶能夠根據實際需求設計相應的三維地理信息應用系統。SuperMap 平臺能夠對三維數據進行高效率的可視化和空間分析功能，實現三維漫游并支持矢量和柵格數據[5]。因此該文將地下管網三維模型與地上場景三維模型集中于 SuperMap 三維模塊中展示，將各行業管網數據分為多個專題層載入 SuperMap 球面場景，加載管點和管線對應的三維模型，調用可視化參數完成管網匹配;地上層場景模型同樣將綠化、道路及水體分為多個專題層加入球面場景，載入建筑物模型，完成地上場景搭建，效果如圖3。

5.2? 模型緩存

緩存技術是用空間換取時間的一種手段，它事先對地圖數據或三維數據作緩存處理，即為地圖、影像、地形或模型數據創建分層分塊的切片數據[6]，在使用數據的時候直接調用預處理的切片數據進行呈現，使數據的瀏覽過程變得高效流暢，大幅加快數據加載和瀏覽的速度。在三維場景中可以加載的各種 GIS 數據都具有對應的緩存類型，包括影像緩存、地形模型緩存、矢量地圖緩存和三維場景緩存。

5.3 場景優化

在展示三維場景時，相機高度決定了人們在三維世界中的視野范圍，相機高度越高，視野范圍越廣，同時也越難以辨認地物。因此當相機高度過高時，可以設置場景中部分不可見。通過設置最大可見高度的方式對場景進行性能優化，使場景模型在不同的相機高度下能夠有選擇地呈現不同細節，這樣可令場景在瀏覽時操作更加順暢。

6 結語

目前，管網管理工作在各個城市都在如火如荼地推進，對管網實施高效、便捷的三維化的管理和規劃，無論在市政或是經濟上都將取得很大的收益。該文所研究的管網三維可視化工作在模型構建技術、精細程度和基礎語義方面有了一定的成果，已投入該市管網管理系統中進行應用。

參考文獻

[1]張芳，吳思，陳勇，等.地下管網三維可視化平臺設計與實現[J].測繪通報，2018（7）：101-105，125.

[2]鄭海鵬，呂東芳.基于OpenGL的城市地下管網三維可視化實現[J].河北民族師范學院學報，2020，40（2）：83-87.

[3]葉遠智，孔凡強.基于ArcGIS的城市管網三維建模[J].城市勘測，2020（6）：43-45.

[4]馬開德.基于二三維一體化的綜合管網信息系統研發[D].北京：中國地質大學，2020.

[5]朱朝寧.三維GIS管網系統關鍵技術的研究與實現[D].邯鄲：河北工程大學，2019.

[6]王利軍，楊軍義，尹潘飛.二三維一體化技術在地下綜合管網系統中的應用[J].礦山測量，2019，47（6）：9-12.

3521500338262