基于SuperMap平台的地下管线三维自动化建模

唐小丽，吕顺杰，郭红操，许文强

(1.成都市规划信息技术中心，四川 成都 610041； 2.四川天地图劳务有限公司，四川 成都 610041)

1 引 言

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，担负着输送能量、传输物质和传递信息的重要任务，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。掌握和摸清城市地下管线的现状是城市规划、建设和管理的需要，也是抗震、防灾和防止城市建设发生管线事故的需要[1]。

随着经济社会的不断发展，城镇化进程的不断深入，传统的城市地下管线二维管理模式，已根本无法满足当今人们对地下管网、管线大数据信息分析、表达、应用的实际需要。利用计算机、图形学等信息技术实现地下管线三维可视化，能够有效地为各类地下管线信息的规划，设计和管理提供信息参考[2]。地下管线三维具有直观、清晰、形象的特点，使本来在平面显示下错综复杂的管线变得更加清晰明了。但是由于缺乏地下管线自动化三维处理的方法和工具软件，管线数据无法动态生成直观的地下三维模型，更无法与地上三维实景模型进行统一的存储管理与更新。

文本在分析现有三维建模平台的基础上，结合SuperMap平台的GIS数据组织、模型展示方法，设计科学的三维管线部件(管段、管点)的数据组织结构、字段属性要求，并对已有管线数据进行预处理(包括图层、属性字段的拆解，管线空间方位属性、连接关系的计算，逻辑错误数据纠正等)，构建管线部件模型库和拓扑规则库。同时设计并研发地下管线三维自动化建模处理软件，通过自动化计算得到管线三维结构重建的关键参数，形成管线三维成果数据，最后利用SuperMap平台进行成果展示及应用。

2 三维管线建模软件分析

2.1 开源平台

现行开源三维建模平台较多，如OpenSCAD、Art of Illusion、Wings3D等，各有特点。OpenSCAD基于命令行实现，Art of Illusion在于细分曲面模型，Wings3D易于学习。而OpenSceneGraph作为跨平台的开源三维引擎，基于工业标准OpenGL软件接口，实现了对OpenGL的完全类封装，建立了面向对象的框架，程序员可以快速便捷地创建高性能、跨平台三维交互图形程序[3]，受到国内外仿真用户的重视，平台采用实时建模方式，具有精细化编辑、效率低、加载慢、稳定性低的特点。

2.2 商业平台

包括美国推出的Google Earth、Skyline、World Wind、ArcGIS pro等以及国内伟景行的CityMaker、武大吉奥的GeoGlobe等[6]，主要通过在三维软件中制定基础模型，采用基础模型关联构建的方式进行模型展示、浏览、编辑等，具有效率高、加载快、编辑麻烦的特点。

综上所述，两者各有利弊，本文根据地下管线的特点，充分利用两种模式的优点进行三维自动化建模，其中管线采用SuperMap自有底层API，以实时建模的方式完成，管点采用基础模型关联的方式构建。

3 模型库构建

管点模型使用Autodesk公司的3dsMax处理，最终生成满足SuperMap iDesktop展示需求的.sym符号库。模型构建包含类别的划分、尺寸的确定以及纹理的补充三个方面[4，5]。

3.1 分类

按照管点类型划分为井室、井盖、附属物三大类，利用3ds Max进行模型建立，对每一个模型赋予唯一编码，为自动化建模提供基础。

3.2 尺寸

尺寸的确定是关键，直接影响展示、分析的效果。模型的尺寸基于关键参数的设立，建模之前必须获取关键参数。以井室为例，须包含井盖直径、井深、井室类型。首先建立关键参数与管线成果表中字段的对应关系，形成对照表，然后通过映射算法使场景中模型的缩放比例符合实际。其中有缩放比例需求的附属物包括人孔井、手孔井等，无缩放比例需求的附属物包括监控器、发射塔、电话厅等。最终完成井室模型8个、井盖模型14个、附属物模型27个、连接辅助模型3个，合计52个，构建完成管线部件模型库。

3.3 贴图

贴图的纹理与实际材质类型相对应，纹理的像素长宽尺寸满足2的N次方要求，并且完全覆盖模型的所有面片。基础模型编码和模型库构建分别如图1、图2所示。

图1 基础模型编码 图2 模型库构建

4 软件研发

自动化建模软件的研发选择Windows平台，采用.Net Framework4.5版本框架，使用微软公司的Visual Studio集成开发环境，以C#语言进行功能开发，开发接口遵照.NET Framework和DBA接口规范；数据的存储方式为微软Access关系型数据库。

4.1 建设原则

4.1.1 完整性

软件应考虑数据处理工作的需要，处理后数据应能满足超图平台所需的三维管线数据信息。

4.1.2 安全性

地下管线数据是国家和地方基础性、战略性的信息资源，软件提供严格的操作控制和存取控制，保持数据的安全完整。

4.1.3 扩展性

软件充分考虑未来变化，设计采用组件化GIS平台构建，满足未来扩展需要。

4.2 功能设计

4.2.1 数据处理与检查

(1)数据处理

按照《城镇地下管线普查技术规程(DB51/T 2276-2016)》《城镇地下管线普查数据规定(DB51/T 2277-2016)》，对已有二维地下管线的管线类别进行更正、属性字段进行对照转换为标准字段，数据结构如图3所示。

图3 数据结构

(2)数据检查

实现对多种管线拓扑规则的正确性检查输出与处理，保证后续建模数据的正确性。

①数据预检查

按照《城镇地下管线普查技术规程(DB51/T 2276-2016)》、《城镇地下管线普查数据规定(DB51/T 2277-2016)》对数据表名及字段名(包含类型、精度等)进行检查。

②数据主检查

检查项包含逻辑检查、位置精度检查、属性精度检查、图库联动检查，其中逻辑检查包含要素编码检查、管线压力值、管线材质、敷设方式与线型、敷设方式与管径、井室信息等约束性检查；位置精度检查包含管点、管线重复性等拓扑类检查、排水管线检查等；属性精度检查包括管点、管线、附属物与特征等属性字段的完整性与正确性检查；图库联动检查包含图库统一性检查、成图点属性非空检查等。

根据所选检查项，对数据进行属性与拓扑关系等检查，并可将检查结果导出，支持检查日志、检查报表以及相关报表的生成和导出，如图4所示。

图4 数据检查

4.2.2 三维自动化建模

(1)假三维数据建模

通过对管线数据的计算，添加X、Y、Z三个维度上的旋转角、缩放比例、模型编码、颜色编码等字段信息，使生成的三维管线数据符合SuperMap平台建模需求。同时可添加多种自定义勾选选项如井盖井室的单位是否为米、是否从管点表中获取管线高程等信息。

(2)真三维数据建模

在假三维模型的基础上，添加实际的井室模型规格数据字段，可得到与实际一致的模型，如图5所示。

图5 数据建模

5 成果展示及关键技术

5.1 成果展示

使用SuperMapiObjects 9D、SuperMapiDesktop 9D、SuperMapiServer 9D产品，其中iObjects作为开发组件，iDesktop作为数据加载到三维场景中的桌面平台，iServer适配WebGL绘图协议提供硬件3D加速渲染，支持三维场景的在线发布；地下管线三维自动化建模后，可直观清晰地掌握管线分布状况、查看管线位置、查询管线信息(图6)，计算管线间距，进行管线剖面分析(图7)、填挖方计算等，为城市规划、管理、智慧城市建设提供有效解决方案。

图6 管线信息查询

图7 剖面分析

5.2 关键技术

5.2.1 自动建模技术

管线具有几何不规则性以及规格多样性的特点，无法建立标准的静态模型库来进行匹配，为了保证管网模拟的准确性、逼真性和可用性，采用分类设计方式，不同类型的模型采用不同的技术方法建立：

检索点数据表中的关键字确定井室、井盖、附属物、连接部件等几大类管点模型的图层内容。

抽象化的不规则形体的管点实体模型：如各种种类的阀门、水表、消防栓、配电箱、交接箱等。这类模型具有几何形态的不变性和表面材质纹理的相似性，具有重要的形状和位置特征，建立一个三维模型便可以重复使用。这类实体模型可以利用对象的平面底图数据、航空影像或地面摄影影像，在3ds Max等建模软件中手工建立。

尺寸结构属性驱动的管点实体模型：如各种不同型号的地下井室、蓄水池等。这类模型带有明显的底面边界尺寸信息，是带有一定厚度、固定方位的规则体元，如立方体、柱体等。这类实体模型采用构造实体几何法来表达，只需输入底面尺寸、高度、位置等少量参数信息即可确定，非常简单便捷。

5.2.2 管网自动耦合造型法

采用管网自动耦合造型法来实现管线和管网的设备(例如阀门，井等)的自动耦合。可将管点与管线之间按任意角度、连接数量、管径大小进行无缝拼接，且算法具有良好的造型能力可扩展性，计算量小，运算速度快，结果精度高，大大缩短了城市管网的建模时间，提高了系统的性能，同时保证了管件规格多样性的特点。自动耦合并不是将管线和管网设备完全融合为一体，在系统展示时，管线和管网设备无缝拼接，以获得最佳的视觉效果；在查询分析时，二者分离，可以获得更准确可靠的分析计算结果。主要步骤包括节点埋深处理、坐标计算、模型编译。

(1)节点埋深处理

将所有点的埋深平移到管底→确定管点埋深，井深，井脖深，井半径→若管点为独立点，寻找该点是不是其他管点的偏心井点，如果存在这个点，则埋深值根据两点之间的距离和偏心井点相关的管线来确定→压力管道管线的起点和终点埋深做特殊处理。

(2)坐标计算

由点线关系确定线的方向，起点终点坐标等：所有管线的起点和终点坐标偏移到管子的中心点→管沟的起点和终点坐标设置在管底→计算坐标的笛卡尔坐标值；根据节点附属设施和特征信息创建管点所需数据结构；计算附属设施和管点高程的关系。

(3)模型编译

管线：生成二维平面坐标→二维变换到三维；管点(joint)：生成joint参数→生成mesh；生成箍和法兰；生成井：生成圆井、酒瓶井、方井等；生成附属设施；生成井室：判断井室上有哪些井→根据井的属性信息确定井室的埋深和井室高度→mesh生成；生成矩形管沟。

6 总结与展望

本文以SuperMap平台为基础，定制开发数据处理及自动化建模软件，实现二维基础管线数据一次批量转化为三维管线数据，并建立系统配置表，对于管线数据字段类型和字段内容等数据变动可通过配置进行弹性适配，建立地下管线三维可视化系统，查看区域内管线信息，为道路设计、管线施工、管线竣工、专题图制作等提供数据支撑。后续将根据实际情况进行添加和修正模型库，同时不断更新数据成果，辅助审查管线方案，为审批工作提供决策支撑。