基于倾斜摄影和GIS建模的管网三维数字管理系统实现

张丽青

摘要：地下管网稳定的运行状态保证了城市基础资源的流通和人民的正常生活，对地下管网的建设现状和管理运行状态及时了解和把控尤为重要。由于地下管网的分布范围大且埋于地下，使得管网的探查和维护不是那么便捷，传统的二维管网管理无法表达管网之间错综复杂的空间关系。而随着三维 GIS 逐渐成为 GIS 领域的发展方向之一，人们发现它比二维GIS更能够体现空间对象的几何特征和分布特征，能够将复杂的地理空间对象以简单明了的方式呈现给用户。本文以河北省某市二、三维一体化数字城市管网系统建设项目为工程背景，探讨了管网二、三维一体化数字管理系统的实现方法。

关键词：地下管网  地上下一体  二三维一体  三维场景

Abstract： The stable operation state of underground pipe network ensures the circulation of urban basic resources and people's normal life. It is particularly important to timely understand and control the construction status and management operation state of underground pipe network. Because the underground pipe network is distributed widely and buried underground， the exploration and maintenance of pipe network is not convenient. The traditional two-dimensional pipe network management can not express the complex spatial relationship between pipe networks. As 3D GIS has gradually become one of the development directions in the field of GIS， people found that it can better reflect the geometric and distribution characteristics of spatial objects than 2D GIS， and can present complex geospatial objects to users in a simple and clear way. Based on the construction project of two-dimensional and three-dimensional integrated digital urban pipe network system in some cities， this paper discusses the implementation method of two-dimensional and three-dimensional integrated digital management system of pipe network.

Key Words： Underground pipe network; Integration of above ground and underground; Two-dimensional and three-dimensional integration; Three-dimensional scene

管网三维可视化依靠计算机虚拟现实技术将空间数据库中海量、抽象的管网基础信息立体化、具象化表示出来，采用这种方式表达的地下管网，城市管线的走向、连接以及管线之间的空间位置关系一目了然，为市政部门管理管网提供了强有力的技术支撑。但是，今天的地下管网三维可视化仍存在许多挑战：面对一座城市海量的地下管网数据，如何进行整合与管理;面对管网中复杂的管件构造和杂乱分布的管线，如何快速构建管网三维模型;当城市管网中某部分重新规划后，是否能在对应的管网三维模型中进行及时更新，以及管网内几何、语义、关系的整体表达。因此，亟需在建立管网三维模型时提出一套能够对管网精细表达、具备一定专业性的地下管网三维空间数据模型和可行性高的精细建模方法[1]。该文以河北某市二、三维一体化数字城市管网系统建设项目为工程背景，探讨了管网二、三维一体化数字管理系统的实现方法。

1 工程简介

河北某市二、三维一体化数字城市管网系统建设及测绘项目范围为城区范围，面积约20km²。该项目拟对该范围内进行地下管线普查、1∶500数字地形图测绘、三维城市建模、1∶1000数字正射影像图制作、城市街景制作并建立相应数字化管理系统。

测区1∶5万地形图全部覆盖，1∶1万地形图部分地区覆盖，可作为该项目初步设计使用。

“天地图”“谷歌”等在线卫星影像数据现势性较好，地图显示级别均在17级以上，可作为航摄范围划定及飞行线路设计等基础性资料。

2 项目成果指标与规格

2.1 数学基础

（1）坐标系统：采用1980西安坐标系统，并提供到2000国家大地坐标系（CGCS2000）的转换参数。（2）高程基準：1985国家高程基准。（3）成图比例尺：地形图1∶500;正射影像1∶1000。

2.2 成果格式要求

（1）DEM数据：ArcINFOGRID格式。（2）DOM数据：采用非压缩TIFF格式，加定位信息文件。（3）地形图：dwg格式。（4）三维数据：osgb格式或obj格式。

2.3 成果分幅要求

（1）分幅大小：采用50cm×50cm正方形分幅。（2）分幅编号：采用内图廓西南角坐标公里数（取至0.5km），以X-Y坐标的形式进行编号，中间以短线连接，如“402.0-533.0”。

3 无人机倾斜摄影

该项目使用六旋翼无人机搭载ARC524倾斜摄影相机的方式获取测区的最新基础航空影像数据[2]，航拍面积为20km2， 绝对飞行高度为180 m，基准面为31m，区域最高海拔为38 m，区域最低海拔为28m 地面分辨率最低点优于0.03m。

相对飞行高度为150m，航线总长度为602km，旁向重叠为80% ，航带间距为36 m，航向重叠在80%以上，拍摄间距为24m（80%），作为该项目基础地理信息数据采集的数据源。

4 城市三维建模流程

城市三维建模流程如图1所示，建模效果如图2所示。城市街景测量采用先进的移动测量系统进行数据的采集和处理[3]。1∶500道路现状图测绘采用常规测量方法，利用GNSS、RTK、全站仪进行地形图测量。测量成果以测区道路为基本单位，生成的计算机数据文件包括：DWG格式的图形文件（*.dwg）、MDB格式的数据库文件（*.mdb）、导出arcgis的*.Shp文件。

5 城市管网地上下一体化显示技术

一套完整的城市地下管网模型，除了完整地包含管网拓扑关系、外观表达及语义信息外，还需要达到能够让用户随时判读管网位置的目的[4]。将管网对应的地上层与地下层进行三维场景集成，能够让用户能够根据地上层的特征迅速对应管网要素在显示世界中的位置信息，提高管网模型的可读性。将地上层模型与管网模型一同加载显示，巨大的数据量和构成模型的无数三角形面片都将拖延载入速度和场景浏览效果，出现卡帧、残缺等现象，为了解决这一问题，该文在场景集成显示中对模型进行了缓存和场景优化，进一步减轻了系统加载模型时的负担，提升了三维场景的显示速度。

5.1  地上地下模型集成

SuperMap 三维基于完全自主研发的二、三维一体化 GIS 技术体系，为用户提供强大实用的 GIS 功能与三维可视化平台，突破了以往 GIS 软件在三维建模及模型应用方面的局限性，用户能够根据实际需求设计相应的三维地理信息应用系统。SuperMap 平台能够对三维数据进行高效率的可视化和空间分析功能，实现三维漫游并支持矢量和栅格数据[5]。因此该文将地下管网三维模型与地上场景三维模型集中于 SuperMap 三维模块中展示，将各行业管网数据分为多个专题层载入 SuperMap 球面场景，加载管点和管线对应的三维模型，调用可视化参数完成管网匹配;地上层场景模型同样将绿化、道路及水体分为多个专题层加入球面场景，载入建筑物模型，完成地上场景搭建，效果如图3。

5.2  模型緩存

缓存技术是用空间换取时间的一种手段，它事先对地图数据或三维数据作缓存处理，即为地图、影像、地形或模型数据创建分层分块的切片数据[6]，在使用数据的时候直接调用预处理的切片数据进行呈现，使数据的浏览过程变得高效流畅，大幅加快数据加载和浏览的速度。在三维场景中可以加载的各种 GIS 数据都具有对应的缓存类型，包括影像缓存、地形模型缓存、矢量地图缓存和三维场景缓存。

5.3 场景优化

在展示三维场景时，相机高度决定了人们在三维世界中的视野范围，相机高度越高，视野范围越广，同时也越难以辨认地物。因此当相机高度过高时，可以设置场景中部分不可见。通过设置最大可见高度的方式对场景进行性能优化，使场景模型在不同的相机高度下能够有选择地呈现不同细节，这样可令场景在浏览时操作更加顺畅。

6 结语

目前，管网管理工作在各个城市都在如火如荼地推进，对管网实施高效、便捷的三维化的管理和规划，无论在市政或是经济上都将取得很大的收益。该文所研究的管网三维可视化工作在模型构建技术、精细程度和基础语义方面有了一定的成果，已投入该市管网管理系统中进行应用。

参考文献

[1]张芳，吴思，陈勇，等.地下管网三维可视化平台设计与实现[J].测绘通报，2018（7）：101-105，125.

[2]郑海鹏，吕东芳.基于OpenGL的城市地下管网三维可视化实现[J].河北民族师范学院学报，2020，40（2）：83-87.

[3]叶远智，孔凡强.基于ArcGIS的城市管网三维建模[J].城市勘测，2020（6）：43-45.

[4]马开德.基于二三维一体化的综合管网信息系统研发[D].北京：中国地质大学，2020.

[5]朱朝宁.三维GIS管网系统关键技术的研究与实现[D].邯郸：河北工程大学，2019.

[6]王利军，杨军义，尹潘飞.二三维一体化技术在地下综合管网系统中的应用[J].矿山测量，2019，47（6）：9-12.

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