城市地下三维管网数据结构模型和管理模式

房莹莹 钱志奇

摘要

城市地下管网作为重要的市政基础设施，是城市运行的基本保障，采用GIS为技术支撑的二三维一体化信息化管理是解决复杂管网数据的有效方式。本文详细分析了城市地下管网数据内容、结构和构建三维模型的关键技术，并研究了地上地下三维数据管理模式，使管线数据、场景数据、业务数据融于一体，为提供城市管线管理一体化服务。

【关键词】城市地下管网 二三维一体化 数据结构 模型构建

城市地下管线数据信息指的是埋设在城市主干道、非机动车道、人行道以及道路两侧的绿化带等区域的地下管线的埋设位置、埋设深度、铺设方向、管线材质以及管线特征点、附属物等数据信息。城市管线数据是地下管线管理信息系统的核心与基础，然而城市地下管线数据和与之相关的数据来源多、格式杂、数据量大，给数据的处理和管理带来挑战。随着大数据、云平台等新技术的发展，复杂数据处理能力已经越来越强，这为城市地下管网信息化平台的应用带来活力。通过信息化手段，将更加科学、合理、高效的进行地下管网的管理。

1 地下管网三维数据结构模型研究

地下管网数据由城市地理地形数据、地下管线数据和地上三维建筑物模型数据等组成。管线数据分布在城市地下，三维模型数据指地上三维环境，基础地理地形数据为系统基本的现状信息。三者相辅相成，共同构成城市三维管线应用环境场景，展现一个直观、可见即可得的专业管线应用场景。

1.1 管线专题数据

管线专题数据包含管线本体数据、附属物。城市地下管线按类别可分为排水、燃气、工业、给水、热力、电力和通信管线，他们对应不同的权属机构和管理机关，统一在城市地下穿梭。附属物指管线的附属设施，常用于管线维护、管理、转换，如检修井、电线杆等。

1.2 管线数墩居组织

管线按数据类型划分为不同的管网层。不同类型管线在系统设计中具有相同的数据结构，但数据存储类型依据管线类型各异。管网层内的管线可以再细分，存储后以不同的类型码和颜色来显示。

1.3 城市管线三维数据结构

三维数据在二维结构的基础上，进一步的抽象，形成便于三维环境下组织、存储、建模的数据表结构。为了加快各类型管线检索、应用、分析的效率，我们将不同类型的管线分类存储，分别为各个类型管线建立管点模板、管线模板和三维井室模板。

1.4 三维管线模型的构建方法

在构建了城市三维管线模型数据结构的基础上，三维管线模型构件的制作非常关键，是三维系统的展现效果的基础，本文采用二维空间翻模方法进行构件生成。

构建方法如下：

（1）城市管线数据通过外业探测得到原始的记录表单，将表单通过手工录入建立初步探测成果。

（2）经过严格的检查和拓扑纠错后，导入到关系数据库。

（3）采用ArcGIS平台，按照数据的连接关系建立空间数据库，形成二维管线图层集合，存储于MDB数据库中。

（4）在二维管线图层基础上，使用ITerrain 3D Regbase的Create Cylinder工具三維管线数据模型。

从管线数据分类出发，管网构建可分为管点和管线两类。

管点模型构建：

（1）管点模型建立。管点数据包括管点的角度、位置、类型等信息。在CAD中可以对地物进行删除和简化后建成二维模型，在CAD二维模型导出前应获取管点中心点坐标，并将不同类型的管点模型依照规范进行唯一编号。

（2）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到Skyline中，将点的表现形式设置为3D MODEL形式，根据其属性字段来设置模型的参数，从而实现三维管点数据自动批量导入和生成。

（3）模型贴图过程。模型经过3DMAX软件创建好后，还需要进行贴图。贴图步骤为：首先选定要贴图的对象，点击菜单栏上的材质编辑器，然后点击贴图，选中漫反射并点击其后的栏，在弹出的对话框中选择要模型对象的材质或贴图，最后将材质指定给该对象。

（4）点模型的格式转换。首先将建好的管点模型导出并保存为.3DS格式的模型，通过使用Make XPL工具来完成模型归零。Make XPL工具不但支持将3DS格式的模型转换成XPL格式，而且还将模型的坐标归零，并且会记录模型的坐标值，从而形成模型坐标值文档。

管线模型构建：

（1）管线建模的生成。根据管线的横断面不同可分为方形管线和圆形管线两类，这两类管线的三维建立可以分别采用BOX和Cylinder方式来实现。

（2）管点和管线的匹配。Skyline系统可以利用导入的Shp，根据其相关参数，自动生成三维管线。生成的三维管线继承了二维管线数据的属性。同时，Skyline系统能根据管点的属性和空间位置进行自动匹配，在管线连接处自动生成相应的三维模型。自动生成的管点、管线可能会出现连接性异常，因此数据检查十分必要。

2 地上地下三维数据管理模式研究

城市地下三维管网综合信息平台数据集管线数据、场景数据、业务数据于一体，提供城市管线管理一体化服务。城市地下管线数据库内容有：基础地理数据、遥感影像数据、三维地形场景数据和地下管网模型数据。

2.1 基础地理数据

现有基础地理矢量数据预处理工作相对比较简单，主要包括：空间参考系统统一、编码的更改统一、数据分层等工作。对于未经过处理的分幅数据，必须在相邻图幅之间进行几何接边和逻辑接边，确保系统显示时相邻两个图幅或区域的内容在视觉上不存在缝隙。根据制定的数据分类与编码方案，对基础地理矢量数据中各空间实体的编码进行修改与统一。根据数据的实际情况，对数据进行分层，并按照定义的命名规范，为每一个图层命名。

2.2 遥感影像数据

高分辨率的影像数据可以采用最新航片数据或高分辨率的卫星遥感数据。基于机载激光雷达的航空摄影通过激光反射脉冲，可以高精度获取地面光斑的三维坐标（X，Y，Z），同步也获取传统的地面的航空影像，是目前国内最先进的航测采集技术。其主要特点有：

（1）能较好地克服茂密植被对测绘工作的影响;

（2）能克服山高坡陡、交通不便，并快速获取三维数据;

（3）测绘精度高;

（4）受天气影响较小。

2.3 三维地形场景数据构建

从整体上看，三维地形场景数据构建的作业结构有四部分组成：数据预处理工作、三维数据汇总、构造景观汇总和系统应用。

2.4 三维地形场景数据处理关键技术

（1）多分辨率、多源数据的融合，通过TerraBuilder提供全自动影象分辨率识辨而自动分级设置和无缝集成;

（2）支持JPEG2000等高效的数据压缩方式，可以实现数据的无损高效压缩;

（3）多分辨率影像的金字塔技术，这里不是一般的影像“切片”技术来进行的金字塔，而是彻底的基于像素单元的金字塔技术，对于多级分辨率影象还可以进行手工调节，来实现多分辨率影像无缝分级显示。

（4）海量数据支撑，可以支持更高的数据量要求，这是由于TerraBuilder软件具有真正海量數据管理技术，数据量只局限在硬件服务器的能力而不是软件。

2.5 三维建筑模型与纹理处理方法

依据城市地物的重要性，对三维建筑模型的建设策略也不同。全市一般性建筑一般采用建筑物粗模处理，通过贴图和模型拉伸，能够总体实现场景的还原。对于城市主要特色建筑，由于受众重视的程度不一样，普遍采用精细建模方法，将建筑物的外观、风格精细展现，达到作为地标的目的。采用该策略建模，不但可以对城市三维建筑的全局表达，也节约建设成本。

2.6 三维建筑模型数据的处理

三维建筑模型数据处理首先经过粗模处理，首先使用建筑物矢量数据进行拉伸和计算，得到三维建筑粗模。然后在粗模基础上，进行精细处理，最后生成逼真的三维模型数据。建筑物所需要的侧面信息是通过数码相机进行实地采集的。数码相机采集的原则是：先采集整体，再采集局部。建筑物的各个面都要尽量正面拍摄，千万不要漏拍。如果不能进行正面拍摄，可在两个面的交接处进行拍摄。有些需要局部特别拍摄（如建筑物上的特殊标志）。建筑物的顶部纹理要通过卫星影像或航片进行采集。

3 总结

本文主要研究了城市地下管网数据及其场景的数据结构设计、三维构件建设、系统建设，并概述了构建三维场景的关键技术和步骤，为城市地下三维管网综合信息平台三维数据建模提供数据基础。

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