基于skyline的城市地下三维管线建立研究

张玉红，任东风，贲忠奇，李　琳，张新月

(1.阜蒙县国土资源局，辽宁 阜新 123100；2.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)



基于skyline的城市地下三维管线建立研究

张玉红1，任东风2，贲忠奇2，李琳2，张新月2

(1.阜蒙县国土资源局，辽宁 阜新 123100；2.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000)

随着城市建设规模不断扩大，作为城市生命线的管线系统，却暴露出管理中的种种问题。一方面由于城市中管线种类繁多、特性各异，分布不但集中，还多呈立体交叉网状，而且地下管线还具有不可见的特性，造成管线管理难度较大的问题；另一方面，我国城市管线规划、建设和管理，长期滞后于城市建设，多数城市历史上没有实行管线竣工测量，以设计图代替竣工图，造成管线的历史资料残缺不齐、规格标准不统一、精度不高、设备故障原因难以查找、核对困难等诸多问题。这些问题所造成的负面影响是：在城市地下工程建设、高层建筑的地基处理过程中，常常发生损坏地下管线的事故[1-2]。此外，在旧管线更新、新管线设计施工、新城区的管线规划等方面，建设单位无法及时得到已有管线的精确现状，在此基础上的研发工作缺乏科学依据，从而出现重复建设等问题，造成时间、资金上的巨大浪费[3]。

各大城市的管线系统多为二维系统，二维管线系统难以直观地反映各管线之间的立体空间位置关系[4-5]。基于此，少数城市开始对三维管线系统的探索[6]。

1技术路线

三维管线系统技术路线如图1所示。

图1　技术路线

2数据处理

在ArcMap中打开ArcToolbox，进行投影转换，因为TE中显示的是经纬度而图层显示的是平面坐标系。所以要进行从平面坐标系到球面坐标系的转换[7-9],如图2所示。

图2　投影转换

在Google Earth上获取高分辨率影像图，与shp格式的矢量图进行配准[10]。

TerraBuilder根据影像和DEM数据提供的投影、坐标、高程信息，可以把大量的影像数据和DEM数据自动叠加到一起，形成一个mpt文件。根据影像数据创建金字塔，生成mpt。本实验做的是球面工程，其可以利用全球的基础数据。做好的乌兰木伦mpt见图3。

图3　乌兰木伦mpt

3管网的数据结构

对于管点数据，包含管点的空间信息和属性信息。其中空间信息至少包括管井X，Y，Z坐标。属性信息包括管线材质 、类型、管径、转角等信息，如表1所示。

表1　管点数据结构

在加载模型的时候还需要7个参数：高度、旋转角、倾斜角、偏航角、X比例、Y比例和Z比例。在这个属性表上继续添加以上字段。

对于管线数据，包含管线的空间信息和属性信息。其中空间信息至少包括管体起始点和终点的坐标，如 (X1，Y1，Z1 )和(X2，Y2，Z2 )。而属性信息则表示管线类型、管径、年代、材质、起点埋深、终点埋深等信息，如表2所示。

表2　管线数据结构

4三维管线的建模和生成

4.1创建管点模型

管点数据一般包含管点的类型、位置、角度等信息。根据CAD底图进行制作，导入3DMAX(单位：m，模型做成1∶1)，Z轴不要进行旋转，在CAD中对地物进行简化、删减，建立二维模型，输出前首先获取中心点坐标值，然后将不同类型的管点模型 (弯头、三通四通接头、阀门)对应一个编号，所有的模型和贴图命名依照规范进行编号，不能有重名的文件。

4.2管点模型贴图

当模型利用3DMAX建好后，需要对模型进行贴图。具体步骤为：选定要赋予材质的对象，点击菜单栏上的材质编辑器，点击贴图，选中漫反射，点击其后的栏，在弹出的对话框中选择要赋予对象的材质或者贴图，点击将材质指定给选定对象[11]。

4.3管点模型的格式转换

将建好的管点模型导出为 Skyline软件识别的.3DS格式的模型。如果模型在输出成.3DS格式之前，没有进行归零操作，并且没有记录模型坐标值，那么可通过使用MakeXPL工具来完成模型归零操作。MakeXPL工具可将.3DS格式的模型转换成XPL格式的同时，将模型的坐标归零，并且会记录模型的坐标值，并形成模型坐标值文档[11]。

4.4管点数据批量导入

将管点数据按照矢量点的方式批量导入Skyline，将点的表现形式设置为 3D Model，即每个点显示为一个对应的管点模型，根据其它的属性字段如角度等设置模型的属性，从而实现三维管点数据自动批量生成。这些必须的参数，是把模型加载到TE里面获取的，然后添加到属性表里得到的[12]。

4.5管线建模和生成

三维管线根据管线的横断面形状，大致可分为方形管和圆形管两类，这两类管线的三维建立可以采用 Skyline中的 BOX和 Cylinder的方式来实现。其中方形管模型主要通过 BOX方式来实现，BOX的长和宽从管线断面的长宽获取。圆形管模型主要通过 Cylinder的方式来实现，在管线的三维模拟过程中，根据管线端点坐标以及管径，获取创建方形管 CreateBox与创建圆形管 CreateCylinder的方法需要的参数，例如圆形管所需参数为两端点的坐标值、管径、埋深、地面高程、片面数目、平面偏转角、垂直方向偏转角、管线颜色、名称等[13]。生成的管线，如图4所示。

图4　生成的管线

4.6管点和管线的匹配

系统可以利用用户导入二维的shp格式数据，根据其相关管线参数，自动生成三维管线。生成的三维管线，继承二维管线数据的属性信息，包括埋深、管径、走向、连接点等。同时，系统能根据管点的属性，通过空间位置信息进行自动匹配组合。在管线连接处自动生成相应类型的三维模型[14]。匹配后的三维管网，如图5所示。

图5　匹配后的三维管线

5管网系统的实现

5.1系统的主界面

启动程序进入系统主界面，主界面风格基本与TerraExplorer相似，由标题栏、菜单栏、工具栏、工程树、3D窗口以及状态栏组成。

界面的设计采用菜单栏的设计以及API的添加，由C#的菜单编辑功能建设菜单选项，然后添加TE API来建立界面，工具栏采用的是ToolStripButton，菜单栏采用的是ToolStripMenuItem，工程树采用的是TEInformationWindow Class，3D窗口采用的是TE3DWindow Class，状态栏采用的是ToolStripStatus。

系统的主界面如图6所示。

图6　系统的主界面

主界面介绍：

1)菜单栏：通过C#的菜单编译器，可以实现菜单栏的定制，菜单栏中的子菜单链接系统的全部功能，本设计的菜单栏包括文件(File)、对象(Object)、工程树(Information Window)、导航(Navigate)、菜单(Menu)、地下模式(Underground)、地形分析(Terrain Analyze)，每一个菜单项有若干命令，每一命令完成系统的一项基本功能。

2)工具栏：多数功能为常用的功能，每个按钮都设置一定的功能，当鼠标指向工具按钮时，即显示该按钮的作用。

3)工程树：这个和skyline的目录树一样，用于显示文件和文件的状态。

4)3D窗口：显示当前已经加载的图层、建筑物、管线等。

5) 状态栏：显示鼠标所在地的经纬度。

5.2系统功能实现

5.2.1 文件管理模块实现

在主菜单文件下，主要包括打开、关闭、另存、打印4个功能。打印功能如图7所示。

图7　打印功能对话框

5.2.2对象模块的实现

对象功能中包括标签(任意位置的标签、特定位置的标签)、多边形(任意位置的多边形、特定位置的多边形)、线、矩形、圆柱体、球体、圆锥体、方体。标签功能如图8所示。多边形功能如图9所示。

图8　标签功能示意图

图9　多边形功能示意图

标签功能实现的主要代码如下：

IPosition65cPos=sgworld.Creator.CreatePosition(dXcoord,dYcoord,dAltitude,eAltitudeTypecode,dYaw,dPitch,dRoll,dDistance );

ILabelStyle65cLabelStyle= sgworld.Creator.CreateLabelStyle(SGLabelStyle.LS_DEFAULT);

ITerrainLabel65cTextLabel=sgworld.Creator.CreateTextLabel(cPos,,cLabelStyle,string.Empty,“TextLabel”);

IPosition65 cFlyToPos = cPos.Copy();

cFlyToPos.Pitch =-89.0；

sgworld.Navigate.FlyTo(cFlyToPos,ActionCode.AC_FLYTO);

5.2.3距离量测模块的实现

距离量测模块包括：水平距离量测、垂直距离量测、空间距离量测。如图10~图12所示。

图10　水平距离量测

图11　垂直距离量测

图12　空间距离量测

5.2.4空间查询模块的实现

以’起点顶高’>1110为条件查询，其结果如图13所示。

数据的更新如图14所示。

图13　查询高度

图14　管线数据的更新

6结束语

本文实现管线的三维建模和系统的开发功能。

1)实现坐标系的相互转换以及高程数据和影像数据的处理。

2)实现3DMAX管点模型的建立以及三维管线和管点模型的匹配和显示。

3)开发的管线系统能实现文件管理、图形显示、图层管理、查询等功能，使用户操作起来简单易懂。

参考文献：

[1]徐爱锋,徐俊,龚健雅.基于Skyline的三维管线系统的设计与实现[J].测绘通报,2013(6):75-77,93.

[2]普杰.基于Skyline的三维地理信息系统设计与应用.[J].测绘与空间地理信息，2014，37(2)：153-155.

[3]任海军,文俊浩,徐玲.一种三维数字城市的构建和实现方法[J].重庆大学学报(自然科学版),2006,29(4):101-104.

[4]刘军,钱海峰,孙永新.基于Skyline的三维综合地下管线应用与研究[J].城市勘测,2011(4):43-45,49.

[5]黄梦龙.基于Skyline的三维城市模型数据库管理系统设计与实现[J].测绘与空间地理信息，2014，37(8)：133-135.

[6]李黎.利用地下管线探测点进行区域三维模拟[J].测绘工程,2007,16(3):11-14.

[7]赫建忠,李成名,印洁,等.城市综合管网地理信息系统的建立[J].工程勘察,2002(3):55-57,60.

[8]梁吉欣，邱向东，宋述军，等.基于Skyline的温江区三维辅助城市规划系统设计与实现.[J].测绘与空间地理信息，2014，37(2)：129-131.

[9]陈靓,赵冬玲.三维可视化地理信息系统在校园地下管线管理中的应用综述[J].北京测绘,2006(1):42-46.

[10] 梁辉池.论城市地下管线管理中存在的问题及解决措施[J].黑龙江科技信息,2007(11)：194.

[11] 黄鸿,龚健雅,钟正.地下管线数据的智能化检查研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2007,32(8):731-734.

[12] 张文元,付仲良.基于ArcGIS Engine的综合管线三维可视化研究[J].测绘通报,2008(8):28-31.

[13] 严勇.地下管线的三维可视化研究[D].武汉:武汉大学,2003.

[14] 惠立.基于skyline油田集输管网数字化与三维可视化应用研究[D].西安:西安石油大学,2011.

[责任编辑：张德福]

摘要：传统二维管线系统难以直观地反映各管线之间的立体空间位置关系。旧管线更新、新管线规划、管线设计施工、土建工程的破土动工等都需要准确掌握地下管线的现状信息，如果盲目开挖就可能引起自来水管爆裂、煤气泄露、停电、通信信号中断等事故。以地下管线为研究对象，以skyline为平台，C#为开发语言建立城市三维管网系统，在地下错综复杂的条件下，展现各管线之间以及管线与周边地物之间的空间位置关系，实现管线的查询和分析功能，有利于决策者做出更好的决定。

关键词：三维管线；地理信息系统；管线建模；skyline

Establishment of the underground city 3D pipeline based on skylineZHANG Yuhong1,REN Dongfeng2,BEN Zhongqi2,LI Lin2,ZHANG Xinyue2

(1.Fumeng County Land Resources Bureau,Fuxin 123100,China；2.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

Abstract：It is difficut for the traditional 2D pipeline system to directly reflect the three-dimensional spatial relationships between the various pipelines.Old pipeline updates,new pipeline planning,pipeline design construction, and civil engineering all need to accurately grasp the status of ground-breaking information on underground pipelines in case that the blind excavation causes water pipes burst,gas leaks,power outages,traffic signal interruption and other accidents.In this paper,the pipeline is taken as the case of study,with skyline as a platform,and C# development language as a three-dimensional systems. In the complicated conditions, it shows the spatial relationships between the pipelines and the pipelines between the peripheral surface features, in order to achieve the pipeline query and analysis functions, which will help decision-makers make better decisions, and contribute to the development of the city.

Key words：3D pipeline；geographic information system；pipeline modeling；skyline

作者简介：张玉红(1966-)，男，工程师.

收稿日期：2014-11-27

中图分类号：P208

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)02-0071-06