基于Skyline的三維綜合地下管線應(yīng)用與研究

劉軍 ，錢海峰，孫永新

(1.無(wú)錫市測(cè)繪院有限責(zé)任公司，江蘇 無(wú)錫 214031;2.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京 210011)

1 引言

地下管線是一個(gè)城市的“生命線”，也是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，更是發(fā)揮城市功能、確保城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)健康、協(xié)調(diào)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。各大城市紛紛建立起綜合地下管線信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市建設(shè)中的各類管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合有效的存儲(chǔ)管理，提供各種查詢、分析和統(tǒng)計(jì)的工具，并形成良好的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，為城市的地下管線管理工作，提供綜合協(xié)調(diào)、應(yīng)急指揮等科學(xué)的輔助手段。

然而由于綜合地下管線的特殊性，其布設(shè)遍及于地下、水下等，二維方式難以直觀地反映各管線之間的空間位置關(guān)系。通過(guò)三維方式能夠真實(shí)反映在交錯(cuò)復(fù)雜的條件下各管線之間的位置關(guān)系以及管線與周邊地物的位置關(guān)系［1］。因此，本文以Skyline平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在三維平臺(tái)上綜合地下管線的展現(xiàn)、查詢、分析和輔助設(shè)計(jì)等功能，該系統(tǒng)的建立改變了以往制圖指標(biāo)計(jì)算不準(zhǔn)確、難以校核的情況，使規(guī)劃成果的科學(xué)性和指導(dǎo)性進(jìn)一步加強(qiáng);使規(guī)劃設(shè)計(jì)成果走向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步提高了成果的專業(yè)深度。

2 技術(shù)路線

Skyline是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺(tái)軟件。憑借其國(guó)際領(lǐng)先的三維數(shù)字化顯示技術(shù)，它可以利用海量的遙感航測(cè)影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二三維數(shù)據(jù)搭建出一個(gè)對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行模擬的三維場(chǎng)景［1］。

整體技術(shù)路線是首先將衛(wèi)星影像或者航空像片以及高程數(shù)據(jù)加載到Skyline系列的TerraBuilder軟件中，并對(duì)這些數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)一步生成MPT格式的文件，形成Skyline系列軟件的TerraExplorer Pro所需要的地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)。其次在TerraExplorer Pro中，加載地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)，導(dǎo)入矢量數(shù)據(jù)集及相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行二維、三維模型的建立。最后對(duì)二維的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模擬，實(shí)現(xiàn)三維的綜合地下管線。圖1為具體的技術(shù)路線。

圖1 技術(shù)路線圖

3 管線三維模擬的實(shí)現(xiàn)

管網(wǎng)數(shù)據(jù)一般都分為管井和管線兩類。管井根據(jù)管線類型及用途的不同，由不同的管線井設(shè)備組成，比如窨井、消火栓、閥門等等［2］。我們根據(jù)國(guó)家有關(guān)管線設(shè)備的管井符號(hào)規(guī)定，定義管井設(shè)備的三維符號(hào)和樣式庫(kù)。使用3ds Max建立各類管井設(shè)備的模型，保存為.X文件，管井設(shè)備的符號(hào)如圖2所示:并使用Skyline的符號(hào)轉(zhuǎn)換器將這些三維管井設(shè)備符號(hào)轉(zhuǎn)入到符號(hào)庫(kù)中，形成xpl格式的管井模型符號(hào)庫(kù)，該庫(kù)采用文件夾的方式保存，如圖3所示。在三維仿真的符號(hào)化過(guò)程中，根據(jù)管井的類型、埋深等信息，利用已經(jīng)建立的三維管井模型符號(hào)庫(kù)，比如:三通井選擇三通的三維符號(hào)，有時(shí)三通井不正規(guī)，要根據(jù)管井所在的管線之間的角度，選擇具體近似的三通井符號(hào)，從而將管井要素三維符號(hào)化。

圖2 管井設(shè)備模型

圖3 管井模型庫(kù)型

圖4 圓形管線模型

三維管線根據(jù)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(lái)實(shí)現(xiàn)。其中方形管模型主要通過(guò)BOX方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，BOX的長(zhǎng)和寬從管線斷面的長(zhǎng)寬獲取。圓形管模型主要通過(guò)Cylinder的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，將管線的外環(huán)劃分成多個(gè)片面，片數(shù)越多，描述的越準(zhǔn)確，通過(guò)這些片面的組合形成一個(gè)圓柱體從而實(shí)現(xiàn)圓形管的三維模型，如圖4所示。在管線的三維模擬過(guò)程中，根據(jù)管線端點(diǎn)坐標(biāo)以及管徑，獲取創(chuàng)建方形管CreateBox與創(chuàng)建圓形管CreateCylinder的方法需要的參數(shù)，例如圓形管所需參數(shù)為兩端點(diǎn)的坐標(biāo)值、管徑、埋深、地面高程、片面數(shù)目、管線顏色、名稱等。在管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，一般管線和管井名稱都是唯一的，創(chuàng)建的三維管井和三維管線的名稱要求跟二維數(shù)據(jù)庫(kù)中的名稱保持一致，如圖4中的興昌南路B0049－興昌南路B0047名稱就是直接從二維管線中獲取。這樣三維管線的各類屬性管理完全可以與數(shù)據(jù)庫(kù)中的管網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。三維管線生成流程如圖5所示。

圖5 三維管線生成流程圖

4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用多層的C/S體系結(jié)構(gòu)，具體分為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)接口層和三維應(yīng)用層。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是Oracle，管線和地形矢量數(shù)據(jù)的訪問(wèn)通過(guò)ArcGIS的ArcSDE數(shù)據(jù)庫(kù)引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)按照管線建庫(kù)原則存儲(chǔ)了管線的點(diǎn)位信息以及屬性信息［3］。三維應(yīng)用層通過(guò)數(shù)據(jù)接口層訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的管線數(shù)據(jù)，根據(jù)需要選擇需要模擬的管線范圍，即時(shí)實(shí)現(xiàn)三維管線的模擬并且呈現(xiàn)給用戶，如圖6所示，在二維GIS庫(kù)中選中范圍后，在窗口中選擇相應(yīng)方法即可生成該范圍內(nèi)的三維管線。

圖6 三維管線模擬工具

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用二維與三維交互的方式實(shí)現(xiàn)三維管線數(shù)據(jù)的瀏覽，其中三維地形場(chǎng)景來(lái)自于Skyline的TerraBuild根據(jù)影像和DEM打包制作的Mpt文件。

圖8 二三維管線互定位

二維采用VS2008+ArcEngine方式實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)瀏覽和管理;三維采用VS2008+Skyline PRO5.1.1接口實(shí)現(xiàn)三維管線的生成和三維場(chǎng)景的瀏覽，同時(shí)通過(guò)兩者的坐標(biāo)關(guān)系實(shí)現(xiàn)二三維的數(shù)據(jù)相互聯(lián)動(dòng)，通過(guò)二三維窗口的切換，實(shí)現(xiàn)二三維互定位，效果如圖8所示。

用戶在二維管網(wǎng)圖上選擇指定區(qū)域的管線數(shù)據(jù)，通過(guò)三維管線模擬工具，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)所選區(qū)域三維管線場(chǎng)景，調(diào)節(jié)三維地形場(chǎng)景的透明度，效果如圖9所示。

圖9 三維管線效果圖

三維管線系統(tǒng)充分挖掘仿真在管網(wǎng)中的作用，再現(xiàn)真實(shí)的三維管網(wǎng)場(chǎng)景，提供基于三維地形場(chǎng)景的導(dǎo)航、飛行等等三維操作功能。同時(shí)提供了基于三維管網(wǎng)的輔助分析功能，在三維窗口中選擇管線，再通過(guò)調(diào)用二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠進(jìn)行管網(wǎng)的水平凈距、垂直凈距分析，縱橫斷面分析等等功能，如圖10所示。

圖10 管線分析

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本文提出了一套完整的城市三維綜合管線的解決方法。通過(guò)城市地下管線三維系統(tǒng)的建立，可以通過(guò)探測(cè)數(shù)據(jù)入庫(kù)，然后根據(jù)條件選擇范圍，直接模擬生成城市地下管線三維數(shù)據(jù)模型，建立一個(gè)接近客觀世界的真實(shí)的地下三維管線，減少工作量。

(2)這種三維建模方式是切實(shí)可行的，能夠高效快速的建立大場(chǎng)景的城市三維管線數(shù)據(jù)，直觀快速地顯示和瀏覽三維信息，能滿足城市三維建模的需求。

(3)今后城市地下管線三維信息系統(tǒng)研究將更加著重于還原一個(gè)真實(shí)與客觀的地下管線埋設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，可以參考地下周圍地形和建筑，并實(shí)現(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，能隨意地修改規(guī)劃方案，改變管道埋設(shè)深度，改變管道連接方式、改變管道埋設(shè)走向等，這樣不同的規(guī)劃、不同的方案設(shè)計(jì)意圖通過(guò)三維建模實(shí)時(shí)地反映出來(lái)，為城市規(guī)劃工作提供參考性決策依據(jù)。

［1］劉新，劉文寶，李成名等.三維GIS中位置關(guān)系的定性描述與推理［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008(4)

［2］CJJ61－2003.城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］赫建忠，李成名，印潔等.城市綜合管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的建立［J］.工程勘察，2002(3)