張玉紅，任東風，賁忠奇，李 琳，張新月

(1.阜蒙縣國土資源局，遼寧 阜新 123100；2.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

基于Skyline的城市地下三維管線建立研究

張玉紅1，任東風2，賁忠奇2，李 琳2，張新月2

(1.阜蒙縣國土資源局，遼寧 阜新 123100；2.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000)

傳統(tǒng)二維管線系統(tǒng)難以直觀地反映各管線之間的立體空間位置關系。舊管線更新、新管線規(guī)劃、管線設計施工、土建工程的破土動工等都需要準確掌握地下管線的現(xiàn)狀信息，如果盲目開挖就會引起自來水管爆裂、煤氣泄露、停電、通信信號中斷等事故。以地下管線為研究對象，以Skyline為平臺，C#為開發(fā)語言建立城市三維管網(wǎng)系統(tǒng)，在錯綜復雜的條件下展現(xiàn)各管線之間以及管線與周邊地物之間的空間位置關系，實現(xiàn)管線的查詢和分析功能。

三維管線；地理信息系統(tǒng)；管線建模；Skyline

隨著城市建設突飛猛進，規(guī)模不斷擴大，作為城市生命線的管線系統(tǒng)卻暴露出管理中的種種問題。一方面由于城市中管線種類繁多、特性各異，分布不但集中，多呈立體交叉網(wǎng)狀，而且地下管線還具有不可見的特性，造成管線管理難度較大的問題；另一方面，我國城市管線規(guī)劃、建設和管理長期滯后于城市建設，多數(shù)城市歷史上沒有實行管線竣工測量，以設計圖代替竣工圖，造成了管線的歷史資料殘缺不齊、規(guī)格標準不統(tǒng)一、精度不高、設備故障原因難以查找、核對困難等許多問題。這些問題造成的負面影響是：在城市地下工程建設、高層建筑的地基處理過程中，常常發(fā)生損壞地下管線的事故[1]。此外，在舊管線更新、新管線設計施工、新城區(qū)的管線規(guī)劃等方面，建設單位無法及時得到已有管線的精確現(xiàn)狀，在此基礎上的研發(fā)工作缺乏科學依據(jù)，從而出現(xiàn)重復建設等問題，造成時間、資金上的巨大浪費[2]。

各大城市的管線系統(tǒng)多為二維系統(tǒng)，二維管線系統(tǒng)難以直觀地反映各管線之間的立體空間位置關系[3]。少數(shù)城市開始了對三維管線系統(tǒng)的探索[4]。

1 技術路線

圖1 技術路線

2 數(shù)據(jù)處理

在ArcMap中打開ArcToolbox進行投影轉換(見圖2)，因為TE中顯示的是經(jīng)緯度而圖層顯示的是平面坐標系，所以要進行從平面坐標系到球面坐標系的轉換[5-6]。

圖2 投影轉換

在Google Earth上獲取高分辨率影像圖，與shp格式的矢量圖進行配準[7]。

TerraBuilder根據(jù)影像和DEM數(shù)據(jù)提供的投影、坐標、高程信息，可以把大量的影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)自動疊加到一起，形成一個mpt文件。根據(jù)影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建金字塔，生成mpt。本實驗為球面工程，可以利用全球的基礎數(shù)據(jù)。做好的烏蘭木倫mpt如圖3所示。

圖3 烏蘭木倫mpt

3 管網(wǎng)的數(shù)據(jù)結構

對于管點數(shù)據(jù)，包含了管點的空間信息和屬性信息。其中空間信息至少包括管井X，Y，Z坐標。屬性信息包括管線材質(zhì) 、類型、管徑、轉角等信息，如表1所示。

表1 管點數(shù)據(jù)結構

在加載模型的時候還需要7個參數(shù)：高度、旋轉角、傾斜角、偏航角、X比例、Y比例、Z比例。在這個屬性表上繼續(xù)添加以上字段。

對于管線數(shù)據(jù)，包含了管線的空間信息和屬性信息。其中空間信息至少包括管體起始點和終點的坐標，如 (X1，Y1，Z1)和(X2，Y2，Z2)。而屬性信息則表示管線類型、管徑、年代、材質(zhì)起點埋深、終點埋深等信息，如表2所示。

表2 管線數(shù)據(jù)結構

4 三維管線的建模和生成

4.1 創(chuàng)建管點模型

管點數(shù)據(jù)一般包含管點的類型、位置、角度等信息。根據(jù)CAD底圖進行制作，導入3DMAX(單位：m，模型1：1)，Z軸不要進行旋轉，在CAD中對地物進行簡化、刪減，建立二維模型，輸出前首先獲取中心點坐標值，然后將不同類型的管點模型 (彎頭、三通四通接頭、閥門)對應一個編號，所有的模型和貼圖命名依照規(guī)范進行編號，不能有重名的文件。

4.2 管點模型貼圖

當模型利用3DMAX建好后，需要對模型進行貼圖。具體步驟為：選定要賦予材質(zhì)的對象，點擊菜單欄上的材質(zhì)編輯器，點擊貼圖，選中漫反射，點擊其后的欄，在彈出的對話框中選擇要賦予對象的材質(zhì)或者貼圖，點擊將材質(zhì)指定給選定對象[8]。

4.3 管點模型的格式轉換

將建好的管點模型導出為 Skyline軟件識別的.3DS格式的模型。如果模型在輸出成.3DS格式之前沒有進行歸零操作，并且沒有記錄模型坐標值，那么可通過使用MakeXPL工具來完成模型歸零操作。MakeXPL工具將.3DS格式的模型轉換成XPL格式的同時，將模型的坐標歸零，并且會記錄模型的坐標值，形成模型坐標值文檔[8]。

4.4 管點數(shù)據(jù)批量導入

將管點數(shù)據(jù)按照矢量點的方式批量導入Skyline，點的表現(xiàn)形式設置為 3D Model，即每個點顯示為一個對應的管點模型，根據(jù)其它的屬性字段如角度等設置模型的屬性，從而實現(xiàn)三維管點數(shù)據(jù)自動批量生成。這些必須的參數(shù)是把模型加載到TE里面獲取的，然后添加到屬性表里得到的[9]。

4.5 管線建模和生成

三維管線根據(jù)管線的橫斷面形狀，大致可分為方形管和圓形管兩類，這兩類管線的三維建立可以采用 Skyline中的 BOX和 Cylinder方式實現(xiàn)。其中方形管模型主要通過 BOX方式實現(xiàn)，BOX的長和寬從管線斷面的長寬獲取。圓形管模型主要通過 Cylinder方式實現(xiàn)，在管線的三維模擬過程中，根據(jù)管線端點坐標以及管徑獲取創(chuàng)建方形管 CreateBox與圓形管CreateCylinder方法需要的參數(shù)，例如圓形管所需參數(shù)為兩端點的坐標值、管徑、埋深、地面高程、片面數(shù)目、平面偏轉角、垂直方向偏轉角、管線顏色、名稱等[10]。生成的管線如圖4所示。

圖4 生成的管線

4.6 管點和管線的匹配

系統(tǒng)可以利用用戶導入二維的shp格式數(shù)據(jù)，根據(jù)其相關管線參數(shù)，自動生成三維管線。生成的三維管線繼承了二維管線數(shù)據(jù)的屬性信息，包括埋深、管徑、走向、連接點等。同時，系統(tǒng)能根據(jù)管點的屬性，通過空間位置信息進行自動匹配組合。在管線連接處自動生成相應類型的三維模型[11]。匹配后的三維管網(wǎng)如圖5所示。

圖5 匹配后的三維管線

5 管網(wǎng)系統(tǒng)的實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)的主界面

啟動程序進入系統(tǒng)主界面，主界面風格基本與TerraExplorer相似，由標題欄、菜單欄、工具欄、工程樹、3D窗口以及狀態(tài)欄組成。

界面的設計采用菜單欄的設計以及API的添加，由C#的菜單編輯功能建設菜單選項，然后添加TE API建立界面，工具欄采用ToolStripButton，菜單欄采用ToolStripMenuItem，工程樹采用TEInformationWindow Class，3D窗口采用TE3D Window Class，狀態(tài)欄采用ToolStripStatus。 系統(tǒng)的主界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的主界面

主界面介紹： 1)菜單欄。通過C#的菜單編譯器，實現(xiàn)菜單欄的定制，菜單欄中的子菜單鏈接了系統(tǒng)的全部功能，本設計的菜單欄包括文件(File)、對象(Object)、工程樹(Information Window)、導航(Navigate)、菜單(Menu)、地下模式(Underground)、地形分析(Terrain Analyze)，每一個菜單項有若干命令，每一命令完成系統(tǒng)的一項基本功能。 2)工具欄。多數(shù)功能為常用的功能，每個按鈕都設置了一定的功能，當鼠標指向工具按鈕時，即顯示該按鈕的作用。 3)工程樹。和skyline的目錄樹一樣，用于顯示文件和文件的狀態(tài)。 4)3D窗口。顯示當前已經(jīng)加載的圖層、建筑物、管線等。 5) 狀態(tài)欄。顯示鼠標所在地的經(jīng)緯度。

5.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

5.2.1 文件管理模塊實現(xiàn)

在主菜單文件下，主要包括打開、關閉、另存、打印4個功能。打印功能如圖7所示。

圖7 打印功能對話框

5.2.2 對象模塊的實現(xiàn)

對象功能中包括標簽(任意位置的標簽、特定位置的標簽)、多邊形(任意位置的多邊形、特定位置的多邊形)、線、矩形、圓柱體、球體、圓錐體、方體。標簽功能如圖8所示，多邊形功能如圖9所示。

圖8 標簽功能

圖9 多邊形功能

標簽功能實現(xiàn)的主要代碼如下：

IPosition65cPos=sgworld.Creator.CreatePosition(dXcoord,dYcoord,dAltitude,eAltitudeTypecode,dYaw,dPitch, dRoll,dDistance );

ILabelStyle65cLabelStyle= sgworld.Creator.CreateLabelStyle(SGLabelStyle.LS_DEFAULT);

ITerrainLabel65cTextLabel=sgworld.Creator.CreateTextLabel(cPos,,cLabelStyle,string.Empty,"TextLabel");

IPosition65 cFlyToPos = cPos.Copy();

cFlyToPos.Pitch = -89.0;

sgworld.Navigate.FlyTo(cFlyToPos, ActionCode.AC_FLYTO);

5.2.3 距離量測模塊的實現(xiàn)

距離量測模塊包括水平距離量測、垂直距離量測、空間距離量測，如圖10～圖12所示。

圖10 水平距離量測

圖11 垂直距離量測

圖12 空間距離量測

5.2.4 空間查詢模塊的實現(xiàn)

以‘起點頂高’>1 110為條件查詢，其結果如圖13所示。

數(shù)據(jù)的更新如圖14所示。

圖13 查詢高度

圖14 管線數(shù)據(jù)的更新

6 結 論

本文完成了管線三維建模和系統(tǒng)的開發(fā)功能。

1)實現(xiàn)了坐標系的相互轉換以及高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的處理。

2)實現(xiàn)了3DMAX管點模型的建立以及三維管線和管點模型的匹配和顯示。

3)開發(fā)的管線系統(tǒng)能實現(xiàn)文件管理、圖形顯示、圖層管理、查詢等功能，使用戶操作起來簡單易懂。

[1] 徐愛鋒,徐俊,龔健雅.基于Skyline的三維管線系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].測繪通報,2013(6):75-77,93.

[2] 任海軍,文俊浩,徐玲.一種三維數(shù)字城市的構建和實現(xiàn)方法[J]. 重慶大學學報：自然科學版,2006,29(4):101-104.

[3] 劉軍,錢海峰,孫永新. 基于Skyline的三維綜合地下管線應用與研究[J]. 城市勘測,2011(4):43-45,49.

[4] 李黎.利用地下管線探測點進行區(qū)域三維模擬[J].測繪工程,2007,16(3):11-14.

[5] 赫建忠,李成名,印潔,等.城市綜合管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的建立[J]. 工程勘察,2002(3):55-57,60.

[6] 陳靚,趙冬玲.三維可視化地理信息系統(tǒng)在校園地下管線管理中的應用綜述[J]. 北京測繪,2006(1):42-46.

[7] 梁輝池.論城市地下管線管理中存在的問題及解決措施[J].黑龍江科技信息,2007(11)：194.

[8] 黃鴻,龔健雅,鐘正.地下管線數(shù)據(jù)的智能化檢查研究[J].武漢大學學報：信息科學版,2007,32(8):731-734.

[9] 張文元,付仲良.基于ArcGIS Engine的綜合管線三維可視化研究[J]. 測繪通報,2008(8):28-31.

[10] 嚴勇.地下管線的三維可視化研究[D].武漢：武漢大學,2003.

[11] 惠立. 基于skyline油田集輸管網(wǎng)數(shù)字化與三維可視化應用研究[D].西安：西安石油大學,2011.

[責任編輯：郝麗英]

The Establishment of underground city 3D pipeline based on Skyline

ZHANG Yu-hong1,REN Dong-feng2,BEN Zhong-qi2,LI Lin2,ZHANG Xin-yue2

(1.Fumeng County Land Resources Bureau,Fuxin 123100, China; 2.School of Geomatics, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Traditional 2D pipeline system is difficult to directly reflect the three-dimensional spatial relationships between the various pipelines. Old pipeline updates, new pipeline planning, pipeline design construction, and civil engineering construction need to accurately grasp the status of ground-breaking information on underground pipelines, in case the blind excavation can cause water pipes burst, gas leaks, power outages, traffic signal interruption and other accidents. It takes the pipeline for the study object, and the Skyline as a platform. C# as the development language is used to establish the city into a three-dimensional systems. In the complicated conditions, the spatial relationship between the pipeline and the pipeline between the peripheral surface features are revealed to achieve a pipeline query and analysis capabilities, in order to help decision makers make better decisions.

3D pipeline；geographic information system；pipeline modeling；Skyline

2014-11-27

張玉紅(1966-)，男，工程師，研究方向：土地測繪；土地管理；城市規(guī)劃.

P208

A

1671-4679(2015)02-0035-06