地下管线三维建模与可视化技术研究

赵庆振

（中国建筑材料工业地质勘查中心湖北总队）

1 引言

城市地下管线是城市的生命线，是城市市政基础设施的重要构成部分，其涵盖通信、燃气、热力、电力等不同管线类型，在地表以下呈现出错综复杂、纵横交错的分布状态。三维建模与可视化技术在地下管线中的应用可以有效克服二维地下管线管理模式存在的管线展示不清晰、不直观、可读性差、实用性差等弊端，对地下管线的三维数据进行科学组织与模型构建，直观、可视化展示地下管线的三维空间结构与分布特征。

2 地下管线及其特点

2.1 地下管线

地下管线是埋设于地表以下，用于输送特殊物质的管状形态实体。根据传输物质的不同可以分为给水管道、排水管道、燃气管道、热力管道、工业管道、通信线路、电线电缆等。地下管线是城市能量传输的基础，为城市居民提供了最基本的物质生活条件；地下管线是城市代谢的重要载体，在地下管线强大的输送能力下，城市生活污水与工业废水可以快速输送至污水处理厂进行净化处理，提高城市的代谢与净化效率；地下管线是城市承载能力的重要评价内容，管线的数量以及输送能力直接影响着城市的环境容量以及城市居民的幸福指数[1]。

2.2 地下管线特点

地下管线具有鲜明的隐蔽性、复杂性、多元性与动态性。考虑到城市建设美观度以及节约用地等因素，电力、热力、通信等管线管道均埋设于地下，需要利用探测工具探测出地下管线的具体位置与埋深。在多样化的城市功能需求下，地下管线涵盖了诸多类别，不同类别的地下管线材质不同、设计规格不同、保养标准不同，给管理带来了较大的复杂度。此外，地下管线埋设、修改、拆除工作并非一成不变，各地下管线权属单位根据城市功能需要动态更新地下管线建设情况，因此，地下管线的管理也应当动态与及时。

3 地下管线三维数据组织与处理

3.1 管线数据结构

对地下管线数据进行结构化组织是地下管线三维建模与可视化的前提，通过从逻辑层面对地下管线进行抽象，地下管线可分为管点、管段、管网三类数据，其中管点是管段之间的连接点，管网由若干管段构成。

3.1.1 管点数据结构

管点为点状要素，其数据结构中的字段应包括管点唯一编码、三维坐标（经纬度与高程）、地表以下埋深、管点所关联的管段以及其他属性。

3.1.2 管段数据结构

管段为现状要素，也是管网的基本构成部分，其数据结构中的字段应包括管段唯一编码、管段的起始管点唯一编码、管段的终止管点唯一编码、管段的长度、管段的半径、管段的材质、管段的类型、管段所属的管网唯一编码以及其他属性。

3.1.3 管网数据结构

管网为网状要素，由若干管段构成，通常根据管段的用途不同分为电力管网、热力管网、通信管网、燃气管网等，便于地下管线三维建模时对不同类型的地下管线分别建模。管网数据结构中的字段应包括管网唯一编码、管网类别、管网包含的管段数量以及其他属性。

3.2 管线数据预处理

3.2.1 基础数据计算

对于已经埋设好的地下管线，需要利用探测器对地下管线进行探测后，利用GPS 等技术手段测出地下管线的三维地理坐标、埋深、起始点与终止点的高程、管段半径等数据。管线位置归算示意如图1所示。利用GPS测量得到地下管线起始点与终止点的经纬度数据，利用水准仪测量得到地表的高程数据以及起始点与终止点的高程数据，从而测算出地下管线的埋深。基于地下管线的埋深以及管段的半径，可以测算出地下管线中心的高程。上述基础数据均是地下管线三维建模与可视化的重要数据。

图1 管线位置归算

3.2.2 截面离散点坐标计算

地下管网的每一个管段均是弧形面，对管段弧形面进行建模，需对管段截面的坐标进行精准测算[2]。其具体步骤为，首先，截取管段的横截面并将其离散化为如图2a所示的关键点，根据管线中心线的高程以及管段半径等确定各个关键点的坐标。其次，将管线截面旋转至与管线中心线垂直的位置，旋转后示意如图2b所示。最后，通过平移与旋转将管线截面移动至真实管段的位置处，如图2c所示，计算得到地下管网管道的真实坐标数据。

图2 截面关键点计算

4 地下管线三维建模

4.1 直管建模

直管建模较为简单，根据管段的数据结构以及管段截面上的关键点坐标，利用TIN 三角网可对管段进行三维TIN 模型构建，此过程涉及到管段的局部坐标系与世界坐标系的转换，具体建模流程如下：

①面向管段建立局部坐标系，用于表达与描述直管模型的几何信息，根据管段数据结构中的字段参数、截面关键点坐标等在局部坐标系中确定管线中心与截面关键点的相对位置，利用OpenGL 图形库构建出局部坐标系下的直管三维模型；

②测算管段局部坐标系与世界坐标系的转换方法与相关参数，将直管三维模型的各关键点三维坐标（局部坐标系下）转换到世界坐标系中。

4.2 弯管衔接建模

弯管是一种较为常见的管段类型，在两个直管管段的衔接处，可利用弯管对其进行关联，实现管段截面的平滑拼接。弯管衔接建模的关键在于两个管段之间的过渡面设计、计算与建模，其具体实现步骤为：首先，找到弯管的起始截面中心点以及终止截面中心点，基于上述两个中心点绘制出中心弧线；其次，利用3.2小节的截面关键点计算流程测算出管线截面关键点的坐标，构成管线截面关键点坐标集合；最后，利用TIN网格对截面的关键点进行连接，实现对两个直管管段连接处弯管衔接部分的三维建模。在弯管中心弧线上设置一定的步长，根据步长提取管线截面的控制点，并摆放管线截面，经过管线截面关键点坐标计算，得到一组按照弯管中心线弧段摆放的管线截面序列以及截面坐标点集合。中心弧线上步长越小，管线截面数量越多，截面坐标点集合数量越多，所构建的弯管衔接三维模型也越光滑、越逼真。

4.3 立体三通衔接建模

立体三通衔接是三个管段在空间上交叉形成的衔接类型，以直角三通（示意图如图3 所示）这类特殊的立体三通衔接为例，三个管段在空间上互相垂直，在衔接部位相互交叉形成衔接面。立体三通衔接建模流程为：首先，以三个管段的中心线交叉点为坐标原点，以三个管段的中心线分别为X、Y、Z轴，三个坐标轴相互垂直，构建局部坐标系；其次，根据管段的半径、三个管段中心线的起点三维坐标与终点三维坐标，求解出衔接面上各个离散点的三维坐标，组合形成衔接面离散点三维坐标集合；接着，利用旋转矢量法求解出相互垂直正交的管段截面各离散点三维坐标，组合形成管段截面离散点的三维坐标集合；最后，将衔接面离散点集合与管段截面离散点集合进行关联与匹配，利用OpenGL 图形库对匹配的连接点绘制TIN 三角网，构建出管段立体三通衔接部分的三维模型。

图3 直角三通示意图

4.4 地下管线可视化

在对地下管线的管点、管段、管网数据进行结构化组织与三维建模的基础上，对构建的地下管线三维模型进行可视化渲染。在地下管线可视化方面，地下管线可视化的精度与效果取决于管段表面三角片的数量，数量越多则管段建模与可视化的精度越高，但相应的建模与可视化所需的计算资源会增加，可视化渲染与显示速度会降低，需要有效权衡与取舍地下管线的建模精度、可视化效果以及计算资源的消耗情况。在管点可视化方面，需要根据管点的属性、类别等设计相适应的管点符号，如消火栓符号、阀门符号等，将其按照管点所在的三维坐标位置进行精准表达与可视化，通过符号的渲染与表达提升地下管点的可视化效果[3]。

5 结语

地下管线是城市能源供应、通信连接、排污净化的重要载体，当前地下管线建设与管理存在鲜明的隐蔽性、多元性、复杂性与动态性等特征，传统的二维地图管理模式已无法适配地下管线的运维管养需要。将地下管线从逻辑层面抽象为地下管点与地下管段，共同构成同类型的地下管网，分别对不同的要素类型进行数据组织与结构化管理，并利用旋转矢量法、坐标系转换法等对地下管段截面关键点以及衔接面离散点的三维坐标进行测算，利用TIN 三角网法对离散点进行关联，构建地下管线三维模型并进行可视化渲染与符号表达，弥补二维管线管理模式下的表达形式单一、表达内容受限、空间数据与属性数据关联度低等不足。