城市管網(wǎng)三維建模技術(shù)研究

劉子恒，侯英姿，張 闖，王方雄

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

城市管網(wǎng)三維建模技術(shù)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(xué) 遼寧省自然地理與空間信息科學(xué)重點實驗室，遼寧 大連 116029；2.遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029；3.浙江科瀾信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州310012；4.杭州吉翱地理信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012）

設(shè)計了城市管網(wǎng)三維模型的邏輯結(jié)構(gòu)，介紹了基于SuperMap的管網(wǎng)三維建模技術(shù)，解決了管網(wǎng)拓撲模型中的假節(jié)點、流向等問題，并以大連石化礦區(qū)燃氣管網(wǎng)建模為例，詳細介紹了在SuperMap中三維建模技術(shù)的具體步驟。

城市地下管網(wǎng)；三維建模；管網(wǎng)拓撲模型；管網(wǎng)三維模型；SuperMap iDesktop

管網(wǎng)模型分為二維平面模型和三維立體模型。管網(wǎng)三維建?？梢圆捎弥庇^、形象的三維模型符號來表達管網(wǎng)的流向信息、閥門朝向及其空間分布規(guī)律，是管網(wǎng)可視化的重要內(nèi)容[1]。管網(wǎng)三維建模技術(shù)在智慧城市、基礎(chǔ)設(shè)施管理方面的應(yīng)用日益廣泛。SuperMap軟件不僅在處理管網(wǎng)數(shù)據(jù)復(fù)雜的拓撲關(guān)系中有獨特的技術(shù)優(yōu)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(wǎng)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(yōu)勢互補，可完整實現(xiàn)城市管網(wǎng)三維模型場景并進行功能優(yōu)化。

1 城市管網(wǎng)的三維建模方法

管網(wǎng)三維模型不僅可以在三維空間中表達地上/地下管網(wǎng)的形態(tài)特征，還可以描述管網(wǎng)的幾何模型和邏輯結(jié)構(gòu)模型。管網(wǎng)三維模型主要由管網(wǎng)骨架模型和管網(wǎng)紋理模型構(gòu)成。利用ArcGIS、AutoCAD等軟件將文本、Excel屬性表、紙質(zhì)地圖等源數(shù)據(jù)矢量化入庫得到管網(wǎng)數(shù)據(jù)，以管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在SuperMap中構(gòu)建管網(wǎng)骨架模型。管網(wǎng)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(shù)據(jù)來自管網(wǎng)國際化標準符號庫和實際管網(wǎng)紋理采樣，根據(jù)管網(wǎng)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(wǎng)三維模型的構(gòu)成要素、數(shù)據(jù)來源以及基于SuperMap的建模流程如圖1所示[1]。

圖1 管網(wǎng)三維模型的構(gòu)成要素及建模流程

2 基于SuperMap的管網(wǎng)拓撲建模技術(shù)

通過ArcGIS軟件將管網(wǎng)的文本、Excel表、紙質(zhì)地圖等源數(shù)據(jù)矢量化入庫得到管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，或者使用AutoCAD軟件根據(jù)實測管網(wǎng)數(shù)據(jù)坐標繪制生成多線段的管網(wǎng)數(shù)據(jù)（如圖2a）[4]。SuperMap軟件兼容多種數(shù)據(jù)格式，如*.dwg、*.shp、*.tab、*.xlsx、*.scv、*.kml、*.dem等，基于SuperMap的三維管網(wǎng)建模技術(shù)的關(guān)鍵是管網(wǎng)拓撲和三維建模。在SuperMap iDesktop軟件中，管網(wǎng)拓撲包括拓撲處理（拓撲預(yù)處理、拓撲檢查、線拓撲處理）、拓撲構(gòu)網(wǎng)、創(chuàng)建流向等。拓撲預(yù)處理包括插入節(jié)點、節(jié)點容限捕捉、多邊形走向調(diào)整，主要處理管網(wǎng)閥門與管線在容限范圍內(nèi)鄰近點的捕捉和擦除。如不修改原始數(shù)據(jù)，則需在拓撲預(yù)處理前對數(shù)據(jù)進行備份。拓撲檢查是利用拓撲規(guī)則對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行拓撲預(yù)處理的方法之一，拓撲規(guī)則主要有點必須在線上、點必須在面上、線內(nèi)無懸線、線內(nèi)無假節(jié)點、線與線無重疊、線段相交處必須存在節(jié)點等；再根據(jù)檢查到的拓撲錯誤對線數(shù)據(jù)集進行拓撲處理，包括弧段求交、去除假節(jié)點、刪除冗余點等。拓撲構(gòu)網(wǎng)是將拓撲處理后的管網(wǎng)數(shù)據(jù)通過構(gòu)建二維/三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集實現(xiàn)管線各段間內(nèi)部物質(zhì)傳輸?shù)倪B通性[3]。管網(wǎng)流向通過“網(wǎng)絡(luò)分析-環(huán)境設(shè)置-創(chuàng)建流向-追蹤分析網(wǎng)絡(luò)建模-導(dǎo)入源、匯點數(shù)據(jù)集”創(chuàng)建流向的字段信息（見表1）[3]，并根據(jù)流向字段信息選擇符號庫中合適的管線符號，包括管網(wǎng)的閥門符號和環(huán)路符號信息，完成二維管網(wǎng)拓撲建模（如圖2b所示）。

表1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集流向信息說明

3 基于SuperMap的管網(wǎng)三維建模技術(shù)

在管網(wǎng)三維建模時，首先利用SuperMap軟件中的“投影轉(zhuǎn)換”工具將GIS/CAD管網(wǎng)數(shù)據(jù)圖層的投影坐標轉(zhuǎn)換為WGS 84，將管網(wǎng)二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維的點/線數(shù)據(jù)集。加載三維資源點、線、填充符號庫，為管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)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(wǎng)三維模型。在三維場景中添加管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)集，在圖層管理器中制作三維管網(wǎng)專題圖（單值專題圖、標簽專題圖等）[3]；選擇圖層風(fēng)格符號選擇器，為三維管網(wǎng)添加資源符號庫中的三維管線、三維閥門符號，生成管網(wǎng)三維骨架模型。

根據(jù)管網(wǎng)三維骨架模型的符號及紋理特征，使用Photoshop軟件制作管網(wǎng)紋理模型，在SuperMap符號庫中編輯管網(wǎng)模型符號，添加管網(wǎng)紋理模型，完成管網(wǎng)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(nèi)物質(zhì)傳輸?shù)牧飨?。閥門包括彎頭、直通閥、三通閥、四通閥、閥門節(jié)點等，符號大小和朝向可以調(diào)控）[3]。

對于三維場景范圍內(nèi)的其他輔助數(shù)據(jù)，根據(jù)影像圖、地形圖等底圖數(shù)據(jù)在GIS軟件中通過地圖矢量化得到各類型的點、線、面輔助數(shù)據(jù)；然后根據(jù)輔助圖層數(shù)據(jù)的模型紋理特征使用Photoshop軟件對模型貼圖文件進行裁剪、調(diào)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(shù)據(jù)集、KML、模型緩存、模型文件的形式導(dǎo)入到SuperMap的三維場景中，并調(diào)整與管網(wǎng)三維模型的空間位置關(guān)系，最后生成三維輔助模型場景[5-6]。

圖2 管網(wǎng)矢量化入庫、模型拓撲、三維建模過程

4 應(yīng)用實例

大連石化礦區(qū)位于大連市甘井子區(qū)街道，地處東經(jīng)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(wǎng)數(shù)據(jù)矢量化入庫，構(gòu)建管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，然后在SuperMap中處理管網(wǎng)數(shù)據(jù)邏輯模型，構(gòu)建管網(wǎng)幾何骨架模型，使用Photoshop軟件處理管網(wǎng)模型紋理，采用3DMax軟件構(gòu)建其他輔助數(shù)據(jù)的3D模型，最后生成綜合管網(wǎng)三維模型場景。

基于SuperMap的三維管網(wǎng)具體建模步驟為：

1）將ArcGIS中的矢量化燃氣管網(wǎng)源數(shù)據(jù)在SuperMap中與石化礦區(qū)影像圖進行空間配準，并根據(jù)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(wǎng)的管線、閥門數(shù)據(jù)邏輯模型進行拓撲預(yù)處理、拓撲檢查，去除管線和閥門間的假節(jié)點、冗余點等，利用拓撲構(gòu)網(wǎng)功能實現(xiàn)燃氣管線和燃氣閥門的連通。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的圖層信息，通過“追加行/列”工具將燃氣管網(wǎng)的閥門類型字段信息追加到對應(yīng)的屬性信息表中。利用燃氣管網(wǎng)的源點和匯點信息，通過“追蹤分析網(wǎng)絡(luò)建?！眲?chuàng)建燃氣管網(wǎng)流向信息字段（包括環(huán)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(wǎng)數(shù)據(jù)模型（如圖2b）。

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

表2 三維模型符號控制參數(shù)

4）根據(jù)影像圖信息為石化社區(qū)添加輔助數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)點、小區(qū)道路、小區(qū)樓房等二維數(shù)據(jù)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(jù)小區(qū)樓房表面紋理，在3DMax軟件中構(gòu)建三維建筑模型；然后利用SuperMap Max的插件將三維建筑模型導(dǎo)入到SuperMap三維場景的CAD模型數(shù)據(jù)集中，構(gòu)成輔助三維模型（如圖3a）[8]。

圖3 基于SuperMap的三維建模應(yīng)用實例

5）在SuperMap三維場景中使用Photoshop軟件處理過的燃氣管網(wǎng)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(wǎng)骨架模型，導(dǎo)入輔助三維數(shù)據(jù)集并添加相應(yīng)符號和模型，實現(xiàn)城市燃氣管網(wǎng)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(jié) 語

城市管網(wǎng)三維建模是管網(wǎng)源數(shù)據(jù)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(wǎng)數(shù)據(jù)由平面化管理向三維立體顯示的發(fā)展，以虛擬3D建模的方式展現(xiàn)并管理真實管網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的高效管理。

本文研究了基于三維管網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)模型，闡述了基于SuperMap平臺的管網(wǎng)三維建模的技術(shù)流程，并以大連石化礦區(qū)管網(wǎng)模型為例，介紹了SuperMap中管網(wǎng)三維建模的具體步驟，特別是對管網(wǎng)拓撲關(guān)系的處理，有效地解決了管網(wǎng)的假節(jié)點、冗余點、流向問題。在創(chuàng)建管網(wǎng)模型的同時，以模型符號化形式表達管網(wǎng)內(nèi)介質(zhì)傳輸?shù)姆较?、管線的分類和不同閥門朝向，利用3DMax軟件構(gòu)建研究區(qū)內(nèi)的輔助地物模型，實現(xiàn)了管網(wǎng)三維模型場景的美觀和完整表達。基于SuperMap的城市管網(wǎng)三維建模技術(shù)是管網(wǎng)三維模型表達的最優(yōu)選擇。

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

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[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(xué)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(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。