基于Skyline的地下管網(wǎng)三維可視化研究

王　雷

基于Skyline的地下管網(wǎng)三維可視化研究

王雷

（池州學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院，安徽池州247000）

為了更好的對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行管理與設(shè)計(jì)，在Skyline，首先將研究區(qū)遙感影像、數(shù)字高程模型和地面建筑物模型進(jìn)行疊加，創(chuàng)建管網(wǎng)基礎(chǔ)場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上通過(guò)Skyline二次開(kāi)發(fā)組件Terradeveloper完成圓形和矩形管線段自動(dòng)建模，最后綜合基礎(chǔ)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)的三維場(chǎng)景顯示。結(jié)果表明，結(jié)合三維基礎(chǔ)場(chǎng)景繪制地下三維管網(wǎng)能夠快速、準(zhǔn)確、有效的表達(dá)管網(wǎng)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的空間位置關(guān)系。

SkyLine；三維可視化；地下管網(wǎng)

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.020

現(xiàn)代城市建設(shè)中，各類(lèi)管網(wǎng)的使用越來(lái)越普遍，水、電、氣三種日常生活中的必備要素通過(guò)管網(wǎng)輸送到各家各戶，雨水、污水等通過(guò)管道進(jìn)行收集和排放，這些看不見(jiàn)的運(yùn)輸線保證了城市的日常運(yùn)行［1］。隨著城市管網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及管網(wǎng)本身隱蔽性的特點(diǎn)，如何有效管理這些地下生命線，對(duì)于城市的日常運(yùn)作和進(jìn)一步建設(shè)與發(fā)展顯得至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，部分城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理已初步實(shí)現(xiàn)信息化，然而這些管理系統(tǒng)大部分停留在管網(wǎng)數(shù)據(jù)的二維可視化上［2-3］，而二維的表達(dá)方式難以全面的描述存在于地下三維空間的管網(wǎng)。Skyline是一套功能完善的三維地理信息系統(tǒng)軟件，其利用各類(lèi)影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維可視化的地理環(huán)境，主要由TerraBuilder、Terra-Explorer Pro和TerraGate三部分組成［4］。本研究借助于Skyline三維地理信息平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)的三維可視化，從而直觀清晰的顯示地下管線段之間錯(cuò)綜復(fù)雜的空間關(guān)系，可以為管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效管理提供三維可視化環(huán)境。

1　數(shù)據(jù)組織

1.1管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織

城市地下管網(wǎng)類(lèi)型主要分為給水、排水、燃?xì)狻㈦娏?、電信、熱力、工業(yè)等幾大類(lèi)［5］。在不同的大類(lèi)中還可以進(jìn)行細(xì)分，如排水可以分為污水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)和雨污合流管網(wǎng)。由于管網(wǎng)數(shù)據(jù)量較為龐大，需要對(duì)不同管網(wǎng)數(shù)據(jù)按類(lèi)別進(jìn)行分層管理，每類(lèi)管網(wǎng)分別由管線段和管點(diǎn)圖層組成，每個(gè)圖層又包含管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要包括管段的起始位置、埋深、管徑和管點(diǎn)的三維坐標(biāo)，屬性數(shù)據(jù)是對(duì)管網(wǎng)非空間信息的描述，如管網(wǎng)的建設(shè)年代、管網(wǎng)的材質(zhì)等。

管線段相互之間通過(guò)與其關(guān)聯(lián)的各類(lèi)管點(diǎn)銜接，組織管段數(shù)據(jù)時(shí)需要對(duì)管段進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)明確管段的起始管點(diǎn)編號(hào)和管徑等三維數(shù)據(jù)，在管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中管點(diǎn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字設(shè)為“管點(diǎn)號(hào)”，并將“管點(diǎn)號(hào)”作為管段數(shù)據(jù)表的外關(guān)鍵字，從而確定管點(diǎn)數(shù)據(jù)與管段數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（見(jiàn)圖1）。

圖1　管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.2三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)組織

管網(wǎng)并非孤立的存在于城市地下，在它的周?chē)嬖谥c其相關(guān)聯(lián)的各類(lèi)要素，而管網(wǎng)區(qū)域的地形及其地面景觀直接影響著管網(wǎng)的布局。管網(wǎng)系統(tǒng)中的定位主要通過(guò)空間坐標(biāo)來(lái)表達(dá)，但這種定位方式并不適用于日常生活中管網(wǎng)位置的查詢，如給水、電力、燃?xì)獾裙芫W(wǎng)在居民區(qū)附近埋設(shè)較多，對(duì)這些管線位置的描述也常借助其周邊的建筑物等設(shè)施進(jìn)行描述，這些情況表明管網(wǎng)的日常管理需要地面信息的輔助。

1.2.1地形場(chǎng)景建模管網(wǎng)三維場(chǎng)景建模需要綜合建模區(qū)域的三維地形和地面景觀數(shù)據(jù)。三維地形模型描述的是研究區(qū)的地勢(shì)起伏，Skyline軟件中的TerraBuilder模塊在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，通過(guò)疊加研究區(qū)的遙感影像和數(shù)字高程模型能夠生成地形模型。景觀模型主要由建筑物及其地面設(shè)施構(gòu)成，Skyline軟件中的TerraExplorer Pro模塊具有簡(jiǎn)單模型的制作功能，能夠基本滿足管網(wǎng)地面場(chǎng)景建模的需求，同時(shí)TerraExplorer Pro的各類(lèi)模型還可以通過(guò)3dsMax等專業(yè)三維建模軟件生成。

綜合管網(wǎng)的鋪設(shè)區(qū)域往往范圍比較大，相應(yīng)的地形數(shù)據(jù)量也較大，因此對(duì)地形數(shù)據(jù)的有效管理能夠直接影響管網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)效率。本研究基于統(tǒng)一的地理參考通過(guò)TerraBuilder疊加遙感影像、數(shù)字高程模型建立三維地形模型，借助金字塔式的數(shù)據(jù)管理模式，創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)較大范圍地形環(huán)境多角度、快速、流暢的瀏覽。

1.2.2地面景觀建模三維地面景觀包含的內(nèi)容復(fù)雜多樣，這里我們選擇與管網(wǎng)位置關(guān)聯(lián)緊密的各類(lèi)建筑物、道路、市政設(shè)施進(jìn)行建模。地面景觀主要通過(guò)TerraExplorer Pro創(chuàng)建的簡(jiǎn)化建筑物模型，TerraExplorer Pro自帶的簡(jiǎn)易模型以及3dsMax制作的模型文件進(jìn)行建模，建模效果見(jiàn)圖2。

圖2　地面景觀模型

根據(jù)以上表述可以看出，TerraExplorer Pro軟件模塊能夠有效地綜合地形場(chǎng)景和地面場(chǎng)景，借助該模塊對(duì)地形模型和地面景觀模型進(jìn)行整合可以生成包含真實(shí)地形的三維場(chǎng)景。同時(shí)，TerraExplorer Pro還支持以數(shù)據(jù)流的方式充分展現(xiàn)地表信息，并能夠進(jìn)行三維場(chǎng)景要素的編輯、注釋以及發(fā)布等。

2　管線段參數(shù)計(jì)算

管線段是整個(gè)管網(wǎng)的主要部分，管線段的生成在原始勘測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出繪制管線段所需要的參數(shù)，其主要參數(shù)計(jì)算如下：

（1）管線段起止點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算

管線段三維建模需要管線中軸線的起止坐標(biāo)，在實(shí)際管線勘測(cè)過(guò)程中多記錄管線段的XY坐標(biāo)、地面高程、埋深和管徑等數(shù)據(jù)，這就需要依據(jù)勘測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算中軸線起止點(diǎn)的Z坐標(biāo)。依據(jù)管線段數(shù)據(jù)中記錄的“起點(diǎn)點(diǎn)號(hào)”和“終點(diǎn)點(diǎn)號(hào)”關(guān)聯(lián)管點(diǎn)數(shù)據(jù)表，讀取起止點(diǎn)的XY坐標(biāo)、地面高程、埋深以及管徑數(shù)據(jù)，其中Z坐標(biāo)可通過(guò)地面高程、埋深和管徑數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

其中Z表示管線中軸線起止節(jié)點(diǎn)的高程，dmgc表示地面高程值，ms表示節(jié)點(diǎn)的埋深，gj表示管線段的管徑。

（2）管線段長(zhǎng)度的計(jì)算

管線段長(zhǎng)度即起止節(jié)點(diǎn)間的空間距離，借助IPosition6接口的DistanceTo方法可以計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)間的空間距離。

（3）偏航角、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角的計(jì)算

偏航角、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角三個(gè)參數(shù)描述了管線段的空中姿態(tài)，其中偏航角（Yaw）表示視點(diǎn)與興趣點(diǎn)間的偏轉(zhuǎn)角度，傾斜角（Pitch）表示視點(diǎn)與興趣點(diǎn)間的俯仰角度，旋轉(zhuǎn)角（Roll）表示視點(diǎn)與興趣點(diǎn)間的旋轉(zhuǎn)角度，三者分別描述管線段繞Z軸、Y軸和X軸的旋轉(zhuǎn)角度［6］。對(duì)于這三個(gè)參數(shù)的計(jì)算，IPosition6接口提供了AimTo方法，該方法返回起點(diǎn)坐標(biāo)值以及起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)間的角度值。

3　管網(wǎng)可視化

Skyline包含一個(gè)基于COM技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)包TerraDeveloper，可以通過(guò)目前主流的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。用戶可以根據(jù)自身的需求，基于TerraDeveloper開(kāi)發(fā)出自己需要的三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)。TerraDeveloper包含三個(gè)可視化控件（TE3DWindow、TEInformationWindow、TENavigationMap）及一組API組成（見(jiàn)表1）。

表1　TerraDeveloper的主要接口及其功能

管線段的形狀主要有圓形和矩形兩種，TerraDeveloper中的CreateCylinder函數(shù)可用于創(chuàng)建圓形管線段，CreateBox函數(shù)可用于創(chuàng)建矩形管線段。三維管線段的繪制，首先需要獲取管段的起始點(diǎn)的編號(hào)，對(duì)應(yīng)獲取起始點(diǎn)三維坐標(biāo)，其中坐標(biāo)的Z值以管段截面中心點(diǎn)的高程最為理想，或者結(jié)合地面高程、埋深、管徑等數(shù)據(jù)計(jì)算管線段截面的中心點(diǎn)高程。

TerraDeveloper中圓柱采用矩形剖分的形式繪制，其精細(xì)程度取決于矩形面的數(shù)量。CreateCylinder函數(shù)中參數(shù)NumOfSegments為構(gòu)成圓形的線段數(shù)，即圓柱體對(duì)應(yīng)的矩形數(shù)量。另外，CreateCylinder函數(shù)其中的其他參數(shù)分別為：Position指定圓柱體中軸線起點(diǎn)的位置，該參數(shù)同時(shí)包含了圓柱體的空間姿態(tài)參數(shù)；Radius為圓柱體的半徑參數(shù)，對(duì)應(yīng)管線段的管徑；ObjectHeight為圓柱體的高度，對(duì)應(yīng)管線段的長(zhǎng)度；LineColor為圓柱體輪廓線的顏色；FillColor為圓柱體的填充顏色，對(duì)應(yīng)管線段的顏色。圓形管線段建模效果見(jiàn)圖3。

圖3　圓形管線段

圖4　矩形管線段

矩形管線段繪制較為簡(jiǎn)單，TerraDeveloper通過(guò)函數(shù)CreateBox來(lái)繪制矩形管線段。CreateBox函數(shù)其中的參數(shù)分別為：Position為矩形管線段中軸線中心點(diǎn)的位置，這與圓形管線段有所不同；ObjectWidth為管線段的寬度；ObjectDepth為管線段的長(zhǎng)度；ObjectHeight為管線段的高度；LineColor為管線段輪廓線的顏色；FillColor為管線段的填充顏色。矩形管線段建模效果見(jiàn)圖4。

文章基于前文構(gòu)建的基礎(chǔ)三維場(chǎng)景，在.net開(kāi)發(fā)環(huán)境下，通過(guò)讀取管網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用Skyline二次開(kāi)發(fā)組件，按管線類(lèi)別將管網(wǎng)分成多個(gè)圖層，每類(lèi)管網(wǎng)采用不同顏色加以區(qū)分，構(gòu)建研究區(qū)的三維管網(wǎng)綜合場(chǎng)景（見(jiàn)圖5）。

圖5　管網(wǎng)綜合場(chǎng)景

4　結(jié)論

目前，各類(lèi)城市管網(wǎng)信息系統(tǒng)多為二維的，這些系統(tǒng)雖然能夠初步實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管網(wǎng)的信息化管理，但無(wú)法表達(dá)管線段本身的三維信息以及管線段的空間姿態(tài)信息。將Skyline軟件應(yīng)用于地下管網(wǎng)建模，結(jié)合研究區(qū)的場(chǎng)景數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、有效、直觀的將管線段之間的空間位置關(guān)系呈現(xiàn)給技術(shù)人員，對(duì)城市的建設(shè)和管理提供更為便捷的服務(wù)。

城市管網(wǎng)的主體部分為圓形和方形管線段，采用TerraDeveloper函數(shù)可以在低系統(tǒng)消耗的前提下快速地完成管線段的可視化，然而這種方法不適宜管線段接頭模型的生成，對(duì)于精細(xì)化程度要求較高的管網(wǎng)建模則難以滿足。如何有效地結(jié)合專業(yè)三維建模工具（如3ds Max）精細(xì)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)管網(wǎng)可視化的精細(xì)程度是本文的后續(xù)研究方向。

［1］華建源.地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能改善技術(shù)探討［J］.地礦測(cè)繪，2005，21（3）：42-44.

［2］周春波，吳歡，魏偉，等.基于AutoCAD的地下管網(wǎng)圖形屬性一體化方案［J］.城市勘測(cè)，2014（6）：87-90.

［3］岳漢秋，楊雨華，高松峰，等.基于ArcEngine的城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的建設(shè)研究［J］.供水技術(shù)，2014，8（4）：32-35.

［4］鄧浩，夏春林，王潤(rùn)芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立［J］.遙感技術(shù)應(yīng)用，2008，23（5）：529-532.

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

［6］張劍波，李春亮，張耀芝，等.基于Skyline的城市三維管道自動(dòng)生成技術(shù)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2013（12）：66-69.

［責(zé)任編輯：余義兵］

P208

A

1674-1102（2015）06-0065-03

2015-08-23

池州學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015ZR008）。

王雷（1988-），男，安徽池州人，池州學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院助教，碩士，研究方向?yàn)镚IS開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。