城市地下管线三维建模工具开发及应用

张鹏程，丘广新，陈 鹏，张秀英

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

城市地下管线三维建模工具开发及应用

张鹏程1，丘广新1，陈 鹏1，张秀英1

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060）

首先对常用的管线三维建模方法进行了归纳总结；在分析不同方法的应用范围、综合考虑各种建模方法优缺点的基础上，基于DirectX9.0、.NET Framework3.5运行环境，采用C++语言，集成开发了管线三维建模工具。以广州市现有二维管线数据库为例，该工具通过对编码、字段、材质、特征、附属物等信息的映射设置，能快速、高效地实现管线的三维建模。

地下管线；三维建模工具；自动化建模；映射设置

地下管线的三维可视化建模、空间分析与辅助决策技术已广泛应用于管线规划、设计、审批、施工、运维等日常管理工作中，并将成为当前城市地下管线信息化发展的新趋势。20世纪90年代以来，国内大多数城市都开展了地下管线普查并同步建立了地下管线综合管理系统，已积累了较为丰富的二维地下管线数据库。如何在现有二维数据的基础上，研究管线三维建模方法，并开发可扩展、可定制、可独立运行的三维建模工具，从而实现管线的快速建模与更新，是城市管线面向三维应用的前提。

1 管线三维建模方法现状分析

1.1 管线三维建模方法概述

目前，国内众多城市开展了管线三维建模方面的研究，并取得了较好的应用效果。管线三维建模方法从自动化的程度来看，可分为人工建模和自动化建模[1]；从使用的建模软件来看，可分为使用第三方专业建模软件（3ds Max、Sketchup等）建模和直接使用三维GIS软件[2]（Skyline、CityMaker等）建模；从管线本身数据结构的角度来看，可分为固态化模型建模和参数化模型建模[3-4]；从建模的数据来源角度来看，可分为基于现有的二维管线数据进行三维建模和制定新的三维数据标准，然后按照新标准重新进行外业数据采集并建模[5-6]。

不同的建模方法，其目标或应用范围不同：①人工建模能建立精细、美观的管线三维模型，但所有管线段、管线点的连接设备和附属设备都要手工建模，工作量巨大；自动化建模通过开发相应的自动化建模工具，能基于二维管线数据快速生成三维模型，效率高，但模型精细化程度稍差，尤其是对于不规则的管线附属设备。②第三方专业建模软件具有强大的三维建模能力，不仅能构建各种规则的管线段实体，而且能构建各种复杂、不规则的管线附属设备，但建立好的三维管线模型导入到三维GIS后，由于是外部对象，会导致系统运行效率低，尤其是管线数据量大的时候；三维GIS软件可直接使用内部对象构建规则的管线段实体（一般是方形管或圆形管），模型运行效率高，但不规则的附属设备难以构建。③管线的固态化模型一般是指不规则的管线附属设备，如水表、阀门、消防栓等，固态化模型一般需要借助第三方建模软件建模，而参数化模型主要是指管线段实体、规则的连接设备，这些对象可通过调整参数（管径的大小、三通的位置、旋转角度等）来建模。

1.2 广州市管线数据现状与建模方法

不同城市应根据管线三维系统的具体应用需求、现有管线的数据量、数据结构和数据现状等，采用不同的管线建模思路、软件和方法。以广州市为例，自1995 年开展地下管线普查、1997年实施管线竣工验收测量以来，目前已建立了包括给水、排水、燃气、电力、通信等十大类、总长约2.3万km的二维地下综合管线数据库。同国内大多数城市一样，管线数据库由管线段和管线点两大部分构成[7-8]，管线段基本是由规则的方形管和圆形管组成，管点层根据其“特征”属性字段标识三通、四通、五通、预留口、变径、弯头和封头等规则的连接设备，根据其“附属物”属性字段标识阀门、消防栓、水表、调压井和污水蓖等不规则的附属设备。

根据广州市管线数据的现状，结合现有管线三维建模方法及其适用范围，本文在管线三维建模时，采用了人工建模与自动化建模相结合、第三方建模软件和三维GIS软件相结合、固态化模型和参数化模型建模相结合的思路及方法：①对于规则的管线段（方形管和圆形管）以及规则的管点连接设备（三通、四通、变径、弯头等），采用参数化模型建模，利用专业三维GIS软件本身内部的几何对象（长方体、圆柱体等），进行自动化的建模，如根据管线段的长×宽或半径来决定长方体或圆柱体的三维模型大小；②对于不规则的管点附属设备（阀门、消防栓、水表等），采用固态化模型建模，利用第三方建模软件（3ds Max等），通过人工按照1∶1的比例进行三维建模仿真[9]，并将模型作为三维符号导入到三维管线系统中，系统根据其与管线段的连接方向、管径、高程和坐标等自动计算模型旋转角度、缩放比例等，最终生成相应的附属设备模型。

2 管线三维建模工具与功能

采用上述方法可实现二维管线的三维建模，但随着城市建设的快速发展，管线存在定期普查修测和日常竣工验收测量的更新需求，而且随着管线新材料、新技术的应用和发展，管线的数据标准（如电信管线的材质由铜质电缆变为光纤）存在扩充、变更的可能。因此，有必要对上述管线三维建模方法进行集成，开发可定制、可配置、可扩展的工具。

2.1 工具的主要功能

基于DirectX9.0、.NET Framework3.5运行环境，采用C++语言，对上述建模方法进行封装，工具在现有二维管线数据shp文件的基础上，通过对编码、字段、材质、特征、附属物、埋设方式等信息的映射设置，可快速、高效地实现管线的三维建模。

2.1.1 分类编码映射设置

分类编码映射功能支持对用户现有管线数据的分类和编码进行设置，包括管线分类编码、特征编码、附属设施编码和材质编码的定制，如图1所示。

2.1.2 属性字段映射设置

工具默认提取现有二维管线数据shp文件中的所有属性字段，用户可根据三维管线模型实际的字段查询、统计等需求，进行自定义的配置；其中，管线段起终点的编号、管顶（底）高程、埋深、管径或断面尺寸、管线材料、埋设方式等为必选字段，而管线点必须包括XY坐标、地面高程、管顶/底高程、井深、特征、附属物等字段。图2为属性字段的设置管理功能。

图1 分类编码设置管理

图2 属性字段设置管理

2.1.3 值域映射设置

工具自动提取二维管线数据shp文件中材质、特征、附属物、埋设方式字段值中的内容，并将读取到的结果自动与系统标准值进行匹配，不能匹配的，支持用户手工指定。图3为管线材质的设置管理功能。

图3 材质设置管理

2.1.4 纹理、设施材质映射设置

纹理、设施材质映射包括对管线段的纹理、附属物的材质及模型进行设置的功能（图4）。其中，附属设施模型如分线箱、上杆、阀门、消防栓、水表等属于固态化模型，需要采用人工建模的方法，利用第三方建模软件，事先按照1∶1的比例进行三维建模仿真并导入到工具中。

2.2 工具的应用示例

利用该工具方便、快捷地实现了覆盖广州市约760 km2区域、总长度为2.3万km地下管线的批量、自动化建模。生成的三维管线纹理、材质符合相关数据标准、管线段与管线点的特征、附属设备耦合度高，整个三维场景形象、逼真，同时支持三维场景下的管线浏览、查询、统计、分析、量算和标注等功能，如图5所示。

图4 附属设施材质、模型设置管理

图5 管线三维场景效果

作为可配置、可定制、可独立运行的工具，支持对日常竣工验收测量工程管线数据的快速建模与更新，确保管线三维模型库的现势性。此外，该工具可扩展性强，例如，增加了某类管线，只需在图1分类编码映射设置中增设相应的管线分类及编码即可；某类管线增加了某种材质，只需在图3材质设置管理中增加相应的新材质即可；增加了某类不规则的管线附属设备，只需在第三方建模软件中建好该模型，导出为usx格式，并在本工具的图4设施材质映射设置中增加即可。

3 结 语

本文在总结现有管线三维建模方法及其应用范围的基础上，针对管线动态更新和数据标准的变更需求，开发了可配置、可扩展、可独立运行的管线三维建模工具，并以广州市为例，利用该工具实现了海量二维管线数据的三维快速建模。

应用实践表明，该工具具有如下特色：①基于可独立部署、运行的特性，在管线普查修测、竣工验收后，可利用工具快速生成更新区域的三维模型，实现三维管线模型的更新与二维管线数据库更新的同步；②随着新材料、新技术的发展，管线数据标准存在变更需求，利用工具可扩展、可定制的特性，通过简单的配置（分类编码、属性、材质、特征、附属物等信息的映射设置），可满足相应的变更需求；③体现了人工建模与自动化建模相结合、第三方建模软件和三维GIS软件相结合、固态化模型建模和参数化模型建模相结合的建模思路。

[1] 李浩.基于CityMaker的三维地下管线地理信息系统建设[J].城市勘测,2014(2):51-54

[2] 唐莉萍,张浩.一种基于Skyline软件自动批量创建三维管线的方法[J].工程勘察,2012(4):85-87

[3] 钟远根,戴相喜,李颖捷.三维地下管线建模及系统实现研究[J].现代测绘,2014,37(1):25-27

[4] 周海彬,周京春,施昆,等.昆明市地下管线精细化建模研究[J].测绘通报,2012(增刊):764-767

[5] 陈勇,王明洋,张云,等.浅谈城市三维地下管线数据建库建模[J].测绘通报,2013(增刊):155-157

[6] 张军.基于二维地下管线数据快速建立地下管网三维场景[J].北京测绘,2014(2):81-84

[7] 毕天平,孙立双,钱施光.城市地下管网三维整体自动建模方法[J].地下空间与工程学报,2013,9(增刊1):1 473-1477

[8] 陶迎春,郑国江,杨伯钢. 三维城市地下管网规划辅助系统研究[J].测绘通报,2013(10):95-98

[9] 韩立钦,王志红,杨军义.二三维联动的城市地下管线信息管理系统设计[J].矿山测量,2013(5):36-38

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.027

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1672-4623（2016）07-0085-03随着计算机软硬件、三维可视化技术的快速发展，

张鹏程，博士，正高职高级工程师，主要从事地理信息系统与地图编制工作。

2014-09-30。