楊振杰 原瑞紅 朱澤宇 韓 松 李媛媛

（中國兵器工業(yè)北方勘察設計研究院有限公司，河北石家莊 050011）

0 引言

隨著數(shù)字化城市概念的提出，我國所有行業(yè)積極跟進，其中地下管線是一個城市重要的基礎設施，它承載著信息傳遞，資源輸送等主要職能，是一個城市的神經(jīng)和血管，保證著城市的正常運轉(zhuǎn)和活力。傳統(tǒng)的二維管線成果很難反映各專業(yè)管線之間的實際空間關系，并且圖紙專業(yè)性較強，對非專業(yè)人士不夠友好。地下管網(wǎng)的三維可視化很好地解決了這些問題，對地下實際情況的還原，結合屬性、權屬等信息的顯示，更加直觀且方便快捷[1-2]。管網(wǎng)的三維可視化主要有兩種方法，一種是直接用3ds Max 進行繪制，適用于小規(guī)模簡單管線建模，附屬屬性相對較少；另一種是利用起止點位置進行繪制，徐亞軍等[3]、唐莉萍等[4]、張玉紅等[5]使用Skyline 相應接口進行管線段建模，一些單體化模型使用3ds Max 進行精細化建模，此方法適用于大范圍管網(wǎng)建模，但是針對大批量的起止管點數(shù)據(jù)獲取問題，均未提供高效準確的自動化獲取方法，僅停留在信息系統(tǒng)的整合方法研究上。管點數(shù)據(jù)的快速獲取問題極大地阻礙了管線段自動化建模的進程。針對柱形管線，本文根據(jù)第二種方法進行前期管點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法創(chuàng)新，對大批量管點數(shù)據(jù)的快速制作方法進行研究。

1 可視化設計方案

1.1 開發(fā)平臺

Skyline 是可以實現(xiàn)從二維數(shù)據(jù)到三維真實模擬轉(zhuǎn)換的三維數(shù)字地球平臺軟件。Skyline 系列產(chǎn)品的TerraExplorer 是基于互聯(lián)網(wǎng)和本地環(huán)境的多元地形模型瀏覽、分析、編輯和發(fā)布工具，其開發(fā)接口（API）提供了一種集成TerraExplorer 和自定義應用程序的強大方式[6-7]，可以為訪問外部資源創(chuàng)建擴展?；贑OM 協(xié)議的所有接口均可進行二次開發(fā)。

1.2 設計思路

以外業(yè)測繪調(diào)查的二維數(shù)據(jù)為基礎，通過數(shù)據(jù)庫連接以及軟件接口，根據(jù)起始和終止位置、尺寸等主要特征參數(shù)進行圓柱或者四棱柱的自動繪制，以此立體圖形代替圓柱形管線和管溝，從而完成地下管線的可視化。由于圓柱和四棱柱兩種柱體繪制方法僅在程序代碼上存在微小差異，制作原理和過程均類似，因此本文以圓柱形管線為例進行討論?？紤]到項目側重點和計算機計算壓力，選擇TerraExplorer Pro中ISGWorld701 接口，利用CreateCylinder 方法創(chuàng)建圓柱體[7]，以此代替精細化圓形管線的繪制。其中以圓柱體的直徑表示圓形管線的管徑，圓柱體的“高程值+半徑”表示地下圓形管線的埋深，圓柱體的“高程值-半徑”表示架空圓形管線的凈空高，管點數(shù)據(jù)中各屬性字段可根據(jù)實際需求和調(diào)查情況進行定義，三維管線自動生成流程見圖1。

圖1 三維管線自動生成流程

1.3 功能實現(xiàn)

通過數(shù)據(jù)庫讀取管點數(shù)據(jù)，部分代碼如下：

其中：IPosition701 表示對象的位置和方向；Radius 表示圓柱體的半徑（單位：m）；ObjectHeight 表示圓柱體的高度（單位：m）；NumOfSegments 表示組成圓柱體的分段部分數(shù)目，數(shù)目越多，圓柱體越圓滑；LineColor 表示圓柱體線的顏色，用于指定的顏色值的顏色和透明度值。FillColor 如果透明度大于0，為圓柱體的填充色；GroupID 圓柱體在工程樹中的位置；Description 圓柱體在項目樹中的名稱。

2 管點數(shù)據(jù)整理方法

為在實際工程中實現(xiàn)大批量圓柱形管線、四棱柱形管溝管點數(shù)據(jù)的快速制作，以及不同平臺下數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，通過“外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)-管點數(shù)據(jù)-三維可視化”過程進行整理和轉(zhuǎn)換。

2.1 二維數(shù)據(jù)的整理

已知數(shù)據(jù)為現(xiàn)場外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，主要包括管線的空間位置、專業(yè)、材質(zhì)、管徑、埋深等信息。

實際管線調(diào)查中，為方便畫圖，通常增加許多輔助定位點，由于使用的管線三維可視化原理是根據(jù)管線段無縫拼接成的管網(wǎng)，如果不進行處理，會增加計算機繪制壓力。而在上翻、下翻、變徑處二維圖紙中卻沒有節(jié)點的體現(xiàn)，因此首先需要對二維數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，突出第三維度（Z軸）的變化位置，具體如下：

（1）在合理的容差范圍內(nèi)去掉冗余的管線折點

刪除外業(yè)調(diào)查輔助點，使管線段盡量符合實際情況，直接減少了后期的管線段數(shù)量，從而減輕了計算機繪制壓力。將連續(xù)管線（如主線、各分支）進行多線段連接，使其成為一個整體，方便后期的路由、流向等信息的管理。

（2）在上翻、下翻、變徑處增加節(jié)點

在二維圖紙中上翻、下翻和變徑處的變化通常沒有體現(xiàn)，而在三維系統(tǒng)中，由于屬性的不同，則需增加節(jié)點以掛接不同的屬性信息，從而準確地表達出現(xiàn)場實際空間位置和變化情況。

（3）刪除多余的圖層

在二維CAD 圖中，刪除不必要的圖層，僅需保留管線走向和各個野外調(diào)查的屬性圖層，使圖紙更加簡潔明了。保留管徑、埋深、材質(zhì)等屬性圖層可方便后文的管線附屬信息的制作。每種屬性對應單個圖層，可以有效避免在ArcGIS 軟件屬性掛接過程中的思維混亂，減少屬性信息圖層對應錯誤。

（4）坐標轉(zhuǎn)換

將CAD 文件通過坐標轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換到指定的坐標系下，不同的工程需求也不同，如果三維可視化需要準確位置，則可以通過多個控制點進行四參數(shù)或七參數(shù)轉(zhuǎn)換到國家通用的坐標系下，比如國家2000 大地坐標系。如果需要的是相對位置，即建筑坐標則省略此步驟。此操作的目的是在ArcGIS 中進行投影定義，將CAD 文件中的投影信息與所要定義的坐標系保持一致，保證在Skyline 中位置能夠準確對應。

2.2 管線附屬信息圖層的制作

在CASS 或者CAD 軟件中進行管線附屬屬性的圖層制作。首先確定所需增加屬性的類別，分別新建文本圖層，然后將各個節(jié)點對應的屬性信息以文字格式與之對應，即屬性文本的插入點與該節(jié)點重合。對于上翻、下翻、變徑等位置的屬性標注后期區(qū)分是比較困難的，由于最終輸出的是每個節(jié)點的位置和各種屬性信息，而一種屬性僅在EXCEL 表格中一個單元格里呈現(xiàn)，因此這些位置的空間變化無法直接表示出來。針對此問題，經(jīng)過實際工程總結驗證，在單種屬性發(fā)生變化時通過特殊字符的加入能夠有效解決問題，本研究以“AA/BB”在埋深圖層中代表上下翻變化，“/”表示此處存在上下翻情況，需增加豎直管線，該管線段Z軸的空間位置為AA 到BB。以“CC（DD）”在管徑圖層中代表變徑現(xiàn)象，后期看到“（）”立馬可以識別該變化，通過前后管點的管徑確定兩個方向的管徑大小，某工程中部分管線屬性圖層制作見圖2。

圖2 增加屬性圖層

2.3 屬性掛接

在ArcGIS 軟件中將各個屬性文本圖層掛接到節(jié)點，并最終將完成所有屬性掛接的屬性表導出為Excel 表格，某工程中電力管線信息掛接最終處理結果見圖3。

圖3 屬性掛接

（1）格式轉(zhuǎn)換

將CAD 文件添加到ArcGIS 軟件里，在Arc-GIS 軟件中管線的走向以“polyline”要素形式存在，各種屬性信息以“annotation” 要素形式存在。首先需要將線要素、備注要素分別導出為單獨的.shp 矢量文件。其中線要素直接導出即可，屬性要素可通過ArcToolbox 中“要素轉(zhuǎn)點”工具進行轉(zhuǎn)化。

（2）投影轉(zhuǎn)換

ArcGIS 軟件不能直接識別CAD 文件的空間參考信息，缺少空間參考信息不能進行投影轉(zhuǎn)換。經(jīng)過測試只要有投影信息，投影坐標或地理坐標在Skyline 軟件中都能夠正確對應。因此需要通過ArcToolbox 中“定義投影”工具對（1）格式轉(zhuǎn)換中數(shù)據(jù)的投影坐標進行正確的投影定義。如果需要地理坐標，可通過“投影”工具將投影坐標轉(zhuǎn)換為地理坐標。最終得到帶有投影信息并且以投影坐標或地理坐標呈現(xiàn)的線要素和點要素。

（2）屬性掛接

對管線走向的節(jié)點進行整理，將線要素的折點轉(zhuǎn)化為點要素，提取到所有管線的節(jié)點信息。各種屬性信息在之前步驟中已經(jīng)轉(zhuǎn)為點要素，每個點都包含了該節(jié)點的所有屬性信息，由于在二維數(shù)據(jù)整理時不同圖層對應著不同屬性，因此僅需在屬性表中“Layer”字段下根據(jù)圖層名稱進行分離，完成單個屬性的點要素制作。最后根據(jù)空間位置通過ArcToolbox 中“空間連接”工具依次完成所有單個屬性點要素與管線走向折點點要素的聯(lián)合，將管線所有屬性掛接到對應的管點上。

（3）增加平面坐標

前文投影轉(zhuǎn)換之后，Skyline 便可根據(jù)坐標對應到實際位置，因此在矢量文件屬性表里增加平面坐標字段。通過“添加X、Y坐標”工具將平面坐標X、Y字段添加到屬性表中，作為管點數(shù)據(jù)中最基礎、最重要的組成部分。

（4）屬性表轉(zhuǎn)Excel

經(jīng)過上述步驟操作，完成所有信息掛接以及平面坐標的獲取，最后通過 “表轉(zhuǎn)Excel”工具將管點數(shù)據(jù)屬性表以Excel 表格形式導出。

2.4 入庫表整理

在導出的Excel 表中，ORIG_FID 字段值相同表示一根連續(xù)的管線，即2.1 節(jié)二維數(shù)據(jù)的整理第（1）條在合理的容差范圍內(nèi)去掉冗余的管線折點中多線段連接的操作。POINT_X、POINT_Y 字段分別表示X、Y坐標值，其他屬性字段名稱以命名為準。

由于前面步驟導出的Excel 只是每個節(jié)點對應的屬性信息，和最終入庫要求的起始和終止點位置、屬性組有差別（導出的是以單個節(jié)點為單位，入庫需要的是以管線段為單位），不能夠直接使用，因此需要以最終入庫表格式為標準，利用Excel 函數(shù)公式、宏命令來進行快速的批量處理。首先根據(jù)ORIG_FID字段下相同的數(shù)字對管點數(shù)據(jù)進行錯位復制、粘貼，完成初步的管線段制作。其次在上下翻、變徑處進行重點處理，按照2.2 節(jié)管線附屬信息圖層的制作中定義的規(guī)則進行上下翻垂直方向管線段的補充和變徑前后管線段管徑的修改。最后以入庫表定義的規(guī)則為準對數(shù)據(jù)進行對照整理，從而完成最終的管點數(shù)據(jù)入庫表制作，某工程管點數(shù)據(jù)入庫表設計如表1所示。

表1 管點數(shù)據(jù)入庫表

3 三維可視化

3.1 管線的可視化

通過數(shù)據(jù)庫的連接和對應接口代碼的運行，在Skyline 平臺下自動繪制所有入庫表中的圓柱體，以此來代替圓形管線。某工程中局部地區(qū)管線可視化效果見圖4。

圖4 管線三維可視化

3.2 附屬設施的可視化

管網(wǎng)附屬設施包括閥門、電表、消火栓、控制器、雨水篦子、檢修井、井蓋等，與管線的可視化相比較，區(qū)別在于管線是利用ISGWorld701 接口下CreateCylinder 方法進行圓柱體的自動繪制，而附屬設施則是利用ISGWorld701 接口下CreateModel 方法進行模型的重復加載定位。可視化過程中同樣需要在數(shù)據(jù)庫中進行Position、FileName、Scale 等必要參數(shù)與模型的對應管理。對于差別較小的模型，可以使用同一個模型數(shù)據(jù)，無法歸類劃分的則需進行多個模型的構建。而主要的平面坐標、高程數(shù)據(jù)、朝向、旋轉(zhuǎn)角度等屬性參數(shù)與管點數(shù)據(jù)整理方法類似，某工程中部分附屬設施的可視化效果見圖5-圖8。

圖5 閥門可視化

圖6 消火栓可視化

圖7 檢修井可視化

圖8 雨水篦子可視化

4 結論與展望

在根據(jù)起止位置繪制管線的方法上，從管點數(shù)據(jù)角度切入，整理總結了一套快速靈活的批量化處理流程。該方法在二維數(shù)據(jù)的基礎上進行信息優(yōu)化，通過多軟件協(xié)助作業(yè)完成屬性信息的掛接轉(zhuǎn)換，最后利用Skyline 平臺接口進行數(shù)據(jù)庫連接并完成三維管線的快速繪制和可視化。此方法在某工程中得到了較好的驗證，其主要優(yōu)勢在于：

（1）整理速度快，可合理有效地縮短工期、節(jié)約成本；

（2）在大量管點數(shù)據(jù)的空間對應上，更直觀，更易進行增刪改查；

（3）管線模型更加輕量化，減輕了計算機計算壓力，提升了用戶體驗；

（4）后期維護更加方便。

本方法能夠為管網(wǎng)系統(tǒng)中圓柱和管溝形狀的管線三維可視化提供思路，為快速、輕量化地推動數(shù)字化城市建設提供有力支持。未來可對管塊和隧道等復雜情況進行進一步分析。