城市管網(wǎng)地上下一體化建模方法研究

關(guān)鍵詞： 三維管線 建模 三維一體化 場景優(yōu)化

隨著城市面貌的日新月異，地下管網(wǎng)的建設(shè)也在持續(xù)推進(jìn)，作為城市的地下“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，需要全天24 h保障城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。同時(shí)，在城市建設(shè)和施工的過程中，其空間關(guān)系與屬性信息也一直存在動(dòng)態(tài)變化。地下管線結(jié)構(gòu)交錯(cuò)，復(fù)雜多變，針對不同的管線類型，其管理方式也不盡相同，因此，開發(fā)一套面向城市管理的管網(wǎng)二三維一體化數(shù)字管理系統(tǒng)，能夠更高效地支撐城市“智治”，降低各種管線風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率，將成為智慧城市“城市大腦”重要的子系統(tǒng)之一。

國外發(fā)達(dá)國家早已開展了管網(wǎng)三維可視化相關(guān)技術(shù)的研究，一些國家對地下管網(wǎng)如排污、石油管道等信息系統(tǒng)建設(shè)較為完善，建設(shè)了精準(zhǔn)的地下三維管線系統(tǒng)。在全行業(yè)普及地理信息島的大趨勢下，國內(nèi)的三維管網(wǎng)系統(tǒng)也得到了越來越多的重視，許多研究機(jī)構(gòu)開始對其進(jìn)行商品化運(yùn)作與研發(fā)[2]。文章利用地理信息系統(tǒng)（Geographic InformationSystem，GIS）進(jìn)行了二三維數(shù)據(jù)的集成、屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，以及空間分析等功能的實(shí)現(xiàn)。對管線、管點(diǎn)、地物等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、建模和入庫，在三維地圖上進(jìn)行矢量化展示和真三維可視化，基于OpenGL 的管線模型，實(shí)現(xiàn)二維管線到三維管線的快速轉(zhuǎn)換，在此基礎(chǔ)上，探討了地上建筑設(shè)施的建模方法，基于超圖平臺(tái)將管線模型和地上建筑設(shè)施模型進(jìn)行集成，在三維場景中重現(xiàn)排水管網(wǎng)的地下空間分布與排水設(shè)施的真實(shí)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)地上地下設(shè)施的三維一體化展示。

1 管網(wǎng)建模

1.1 屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型在描述管網(wǎng)空間幾何對象及可視化等方面具有重要作用，可為表達(dá)管網(wǎng)信息提供支持，是構(gòu)建管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。地下排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以分為管線點(diǎn)表和管線線表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容如表1、表2 所示。

1.2 管網(wǎng)模型構(gòu)建

在提取管線和管點(diǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入Excel 管線和管點(diǎn)數(shù)據(jù)到基于OpenGL 的管線模型繪制算法開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺(tái)[3]，完成二維管線數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為三維管線數(shù)據(jù)，并完成坐標(biāo)校正、模型校正、紋理校正，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的真三維建模，最終效果見圖1。

2 地上建筑設(shè)施建模

2.1 數(shù)據(jù)源

地上建筑設(shè)施建模的數(shù)據(jù)源來自最新的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)和最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)。在最新的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)中提取建筑的平面位置信息，誤差不得超過0.2 m；在最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)中提取建筑的高程信息及房頂結(jié)構(gòu)信息，誤差不得超過0.4 m。

地上建筑設(shè)施模型的紋理信息主要來源于外業(yè)實(shí)測采集的照片數(shù)據(jù)和最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)。在外業(yè)實(shí)測采集的照片數(shù)據(jù)中提取地上建筑設(shè)施模型的側(cè)面紋理，在最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)中提取地上建筑設(shè)施模型的屋頂紋理。

2.2 制作流程

依據(jù)數(shù)據(jù)源制作三維模型，制作過程大致可分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，具體為建筑照片采集、生成白模、屋頂制作、紋理制作、模型細(xì)化貼圖、模型優(yōu)化檢查、模型烘焙、導(dǎo)出USB 文件、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、編譯發(fā)布等[4]，具體情況如圖2 所示。

3 二三維一體化技術(shù)

三維GIS 具有良好的可視化表達(dá)效果，發(fā)展三維GIS，在三維虛擬場景上完成空間數(shù)據(jù)組織，實(shí)現(xiàn)眾多三維空間分析功能，是GIS 應(yīng)用研究的重要方向之一。然而，目前大多數(shù)地理信息系統(tǒng)的三維空間分析能力不足，短時(shí)間內(nèi)難以代替二維GIS，基于二維GIS 的空間分析仍為主流。與三維GIS 相比，二維的空間數(shù)據(jù)比較簡單，更加抽象，也更加全面[5]。多年來，二維GIS不斷改進(jìn)，它在空間分析和應(yīng)用方面已經(jīng)非常成熟，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。實(shí)現(xiàn)二維、三維地理信息系統(tǒng)的集成表達(dá)，將二維地圖與三維真實(shí)場景有效結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，相互借鑒，可以為不同用戶、不同應(yīng)用提供優(yōu)秀的地理信息服務(wù)。

目前，許多系統(tǒng)都在分別開發(fā)二維GIS 和三維GIS，無法實(shí)現(xiàn)二維GIS和三維GIS的深度集成。為了拓展GIS 平臺(tái)的應(yīng)用深度和廣度，市場上一些GIS 公司將二維GIS和三維GIS相結(jié)合，相互補(bǔ)充。例如：SuperMap公司的解決方案敘述如下：（1）以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù)集成，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)等進(jìn)行一體化管理，簡化數(shù)據(jù)管理流程，節(jié)約數(shù)據(jù)資源；（2）支持三維符號(hào)化應(yīng)用，整理和編輯同一個(gè)三維符號(hào)庫，集成二維符號(hào)，使符號(hào)得以復(fù)用，既提高了建模效率，又節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

4 城市管網(wǎng)地上地下一體化顯示

一套完整的城市地下管網(wǎng)模型，除了包含管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、外觀表達(dá)及語義信息外，還需要能夠讓用戶隨時(shí)判讀管網(wǎng)位置。將管網(wǎng)對應(yīng)的地上層與地下層進(jìn)行三維場景集成，能夠讓用戶根據(jù)地上層的特征迅速對應(yīng)管網(wǎng)要素在現(xiàn)實(shí)世界中的位置信息，提高管網(wǎng)模型的可讀性[6]。將地上層模型與管網(wǎng)模型一同加載顯示，巨大的數(shù)據(jù)量和構(gòu)成模型的無數(shù)三角形面片都將拖延載入速度和場景瀏覽效果。為了解決這一問題，在場景集成顯示中對模型進(jìn)行了緩存和場景優(yōu)化，減輕加載模型負(fù)擔(dān)，極大地提升了三維場景顯示速度。

4.1 地上地下模型集成

文章將地下管網(wǎng)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(yè)管網(wǎng)數(shù)據(jù)分為多個(gè)專題層載入SuperMap 球面場景，加載管點(diǎn)和管線對應(yīng)的三維模型，調(diào)用可視化參數(shù)完成管網(wǎng)匹配；地上層場景模型同樣將綠化、道路及水體分為多個(gè)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 所示。

4.2 模型緩存

緩存技術(shù)是用空間換取時(shí)間的一種手段，它事先對地圖數(shù)據(jù)或三維數(shù)據(jù)作緩存處理，即為地圖、影像、地形或模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建分層分塊的切片數(shù)據(jù)，在使用數(shù)據(jù)的時(shí)候直接調(diào)用預(yù)處理的切片數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，使數(shù)據(jù)的瀏覽過程變得高效、流暢，大幅度加快數(shù)據(jù)加載和瀏覽的速度。在三維場景中可以加載的各種GIS 數(shù)據(jù)都具有對應(yīng)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。

4.3 場景優(yōu)化

在展示三維場景時(shí)，相機(jī)高度決定了人們在三維世界中的視野范圍，相機(jī)高度越高，視野范圍越廣，同時(shí)也越難以辨認(rèn)地物。因此，當(dāng)相機(jī)高度過高時(shí)，可以設(shè)置場景中部分不可見，通過設(shè)置最大可見高度的方式對場景進(jìn)行性能優(yōu)化，使場景模型在不同的相機(jī)高度下能夠有選擇地呈現(xiàn)不同細(xì)節(jié)，這樣可令場景在瀏覽時(shí)操作更加順暢。

5 應(yīng)用案例

文章以超圖平臺(tái)作為基本平臺(tái)，對上海某高校地上下一體化管網(wǎng)模型進(jìn)行三維漫游、信息查詢及空間分析等操作，能夠滿足管網(wǎng)管理的基本需求。可將地表調(diào)整為透明狀態(tài)，用戶可以直觀地看到底下管網(wǎng)與地上場景的對應(yīng)關(guān)系，具體如圖4 所示。

6 結(jié)語

文章對管線、管點(diǎn)、地物等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、建模和入庫，探討了地上建筑設(shè)施的建模方法，基于超圖平臺(tái)將管線模型和地上建筑設(shè)施模型進(jìn)行集成，在三維場景中重現(xiàn)排水管網(wǎng)的地下空間分布與排水設(shè)施的真實(shí)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)地上地下設(shè)施的三維一體化展示。并融合呈現(xiàn)了道路兩側(cè)地面建筑物的三維形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了地上、地下設(shè)施的三維一體化展示，能夠滿足用戶的實(shí)際需要。