城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分, 触及城市的各个角落, 与人民生活息息相关, 是城市赖以生存和发展的物质基础, 被称作城市的生命线。城市地下管线具有规模大、范围广、管线种类繁多、空间分布复杂、变化大、增长速度快和形成时间长等特点。
目前对地下管线的管理仍然停留在图纸及文字手工管理或计算机二维图形管理模式。作为城市建设的一个重要组成部分, 地下工程的规划、设计、施工及运行管理需要完整、精确、直观的地下管线信息。因此, 建立城市地下三维管线信息系统, 实现管线数据的三维可视化就成为一个迫切的需要。在建立城市地下三维管线信息系统的过程中, 城市地下管线数据模型的制作就成为极其关键的一个环节, 因为管线数据模型的的设计是三维显示和操作的基础, 直接决定了整个系统的完整性、准确性和直观性。
建立城市地下管线的空间模型, 首先要了解地下管线的分布特征和空间结构。种类繁多, 主要分布在城市道路地下, 呈立体空间交叉网状分布, 具有分布集中性和不可见性等特点。
城市地下管线可以分为给水、排水、煤气、电力、电信、有线电视、热力和工业8大类, 并且每种管线还可以按照其传输的物质和用途的不同进行细分, 例如, 排水系统可以分为污水、雨水和雨污合流等。各种管线分层而立, 不同的管线不存在直接的关系。虽然城市管线种类繁多, 但是其基本的结构是一致的, 一般都由管点、管线段及附属设施组成。管线层由若干条管线、管点和附属设施组成, 一条管线可以分为若干条管线段, 而管线段是两个管点之间的连接管的通称。管点的基本几何结构可以分为以下几类:管线交叉点、管线分支点、管径变化点、管线埋深变化点、管线转折点、附属设施中心点。
采用面向对象的设计思路, 将每段管线或者管点看作为一个对象, 制作成独立的模型, 一个数据对象应包括一个唯一的标识号, 该标识号用于后期地下管线查询系统的属性查询功能。
在管线三维视图中, 一段管线一般用圆柱面表示, 圆柱面的轴心即为管线中心线, 圆柱面的截面半径为管线在截面处的半径。在构造管线三维图形时, 管线的截面是以等边多边形来实现的, 实验表明, 管线表面等分地越细, 模拟管线在直观上就越接近真实管线, 但模型的计算量增大, 电脑显示速度会降低;反之, 模拟管线比较粗糙, 电脑显示速度较快。当管线表面为八边等边形时, 显示真性与显示速度能取得较好的平衡。
Skyline Terrasuite是目前国际上应用较广泛、技术较领先的3维GIS平台之一, 具有精确的定位查询、浏览、编辑、注释、打印、空间分析、VR技术、用户自定义工作界面、基于COM的二次开发以及网络发布等功能。由TerraBuilder, TerraExplorer和Ter raGate三个相互独立的子系统构成。
TerraExplorer pro具有创建简单三维模型的功能, 系统的工具箱提供了一系列的简单三维实体可以放置到三维场景中, 其中包括:三维模型、点云模型、线性点云模型、建筑物、三维多边形、立方体、圆柱、球体、圆锥、金字塔、三维箭头。在工具栏上选项相应的图标可以在三维场景中绘制相应的三维图形。
由于地下管线多为圆柱型, 可用系统的工具箱提供的圆柱模型制作工具进行手动绘制。该方式方便快捷, 可直接在三维场景中绘制管线数据模型, 对模型有较为直观的控制。因为是手动绘制, 模型的位置精度难以保证, 需进一步调整。
TerraExplorer A PI提供了一套强大的接口用来集成TerraExplorer、TerraEx plorerPro和用户自定义应用。TerraExplo rer也提供了一套A ctiveX控件, 可将3D窗口、信息树和导航图以控件对象的方式嵌入到用户自定义的可视化界面中。
TerraExplorer API接口中的IObjectM anager51用于管理三维窗口中的所有对象, 可创建、删除、修改三维窗口中的所有对象。可根据管线属性信息利用IObjectManag er51接口下的CreateCylinder方法创建圆柱模型。具体代码如下。
用该方式制作管线数据模型需要管线的属性数据, 比如:管线起止点的x、y、z方向上的坐标、管径、透明度、截面多边形面数、线条颜色、填充颜色、管线名称。该制作方式是以管线的坐标数据为基础进而在三维场景中生成管线数据模型, 所以用该方式生成的模型的位置极为精准, 可用以主要管线的生成, 对整个管网图层的在三维场景中的位置进行控制。该方式的不足之处为:需要逐个输入属性数据, 较为繁琐, 只适用于少数模型的生成。
在AutoCAD中对地形图进行处理, 对不需要的线进行删减, 减少数据量, 只剩下主要并清晰的管线线条, 将数据导入到Arc GIS中进行拓扑检查, 对管线线条中的断、超、重情况进行修正处理, 以保证后面的建模可以顺利进行。
将AutoCAD数据导入到3ds Max中进行建模。将导入场景中的数据的scale值设为1, 建模时数据的小数点前或后的位数不应太多, 以提高运行速度, 对于所建的模型要进行优化, 在维持模型显示效果的前提下, 使用尽可能少的点、线、面和多边形。模型完成之后需对模型进行塌陷, 并防止平移、旋转等操作时出现问题然后将模型的坐标值归零。最后在3DMAX中使用PandaD XExport插件导出.X文件。该方法需要多个软件平台协作, 流程复杂, 制作繁琐, 但可以用来制作较为精细的模型, 比如管点和附属设施。
TerraExplorer pro具有加载三维模型的功能, 系统的工具箱提供了Load 3D Mo del工具将三维模型加载到三维场景中。将导入场景中的模型的scale值设为1, 保持模型的实际尺寸。鼠标在TerraExplorer pro场景中的点击位置即为模型的加载位置, 但鼠标点击位置往往不是模型的实际位置, 需要对模型进行移动。
对于数量较少的模型以手动方式加载较为快捷, 如果要加载较多数量的模型, 则采用流方式进行加载, 具体步骤如下。
将所有模型的X, Y点坐标获取输出成txt文本, 同时添加相应模型名称字段和模型编号。将txt文本导入Arcgis制作点shp文件, 并加以投影。对点shp文件进行剪辑, 增加模型保存路径字段如D:tempskylin e�****.x。
TerraExplorer pro具有加载三维模型的功能, 系统的工具箱提供了load featuerl ayer工具将shp文件加载到三维场景中。将导入场景中的模型的scale值设为1, 保持模型的实际尺寸。
由上文可知, 管线数据模型制作有多种方式, 且各有优缺点。如果要制作一个高精度的完整的管线系统, 就需要对上述各种制作方式进行整合, 在不同的情况下使用不同的制作方式, 以达到快捷、方便和精准的效果。管线数据模型的制作流程一般分为三个阶段如图1所示:流程一, 使用sky line软件二次开发工具制作主要管线数据模型, 因为该建模方式精度较高, 适合主要管线的生成, 从而对整个管网图层的在三维场景中的位置进行控制;流程二, 选择简单快捷的skyline系统工具箱制作次要管线数据模型, 对管网系统进行补充;流程三, 需要对管点和附属设施进行建模, 故采用能够精细建模的多软件平台协作的方式。整体效果图如图2所示。
城市信息化建设的步伐逐渐加快, 各大中城市都加强数字城市建设的投入, 城市管线作为城市发展的命脉, 在城市规划建设和日常安全建设中的作用不可忽视。我们相信三维管线数据模型制作技术将在城市管线信息化建设中发挥更大的优势。
摘要：本文以城市地下管网信息系统研究现状为切入点, 提出了实现管网数据的三维可视化的迫切需要。重点对管线数据模型的多种制作技术进行了分析研究和评价, 然后对这几种制方式进行了整合, 最后提出了最佳的制作流程。
关键词：城市地下管线,Skyline,Terrasuite,管线数据模型,整合
[1] 《城市地下管线探测技术书册》编写委员会.城市地下管线探测技术书册[M].北京:中国建筑工业出版社, 1998.
[2] 毛坤德, 刘俊林, 周园.三维地下管网管理系统研究与开发[J].城市勘测, 2007, 6 (6) :36～3 7.
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