關鍵詞： 三維管線 建模 三維一體化 場景優(yōu)化

隨著城市面貌的日新月異，地下管網(wǎng)的建設也在持續(xù)推進，作為城市的地下“神經(jīng)網(wǎng)絡”，需要全天24 h保障城市的正常運轉[1]。同時，在城市建設和施工的過程中，其空間關系與屬性信息也一直存在動態(tài)變化。地下管線結構交錯，復雜多變，針對不同的管線類型，其管理方式也不盡相同，因此，開發(fā)一套面向城市管理的管網(wǎng)二三維一體化數(shù)字管理系統(tǒng)，能夠更高效地支撐城市“智治”，降低各種管線風險的發(fā)生率，將成為智慧城市“城市大腦”重要的子系統(tǒng)之一。

國外發(fā)達國家早已開展了管網(wǎng)三維可視化相關技術的研究，一些國家對地下管網(wǎng)如排污、石油管道等信息系統(tǒng)建設較為完善，建設了精準的地下三維管線系統(tǒng)。在全行業(yè)普及地理信息島的大趨勢下，國內的三維管網(wǎng)系統(tǒng)也得到了越來越多的重視，許多研究機構開始對其進行商品化運作與研發(fā)[2]。文章利用地理信息系統(tǒng)（Geographic InformationSystem，GIS）進行了二三維數(shù)據(jù)的集成、屬性數(shù)據(jù)存儲與管理，以及空間分析等功能的實現(xiàn)。對管線、管點、地物等數(shù)據(jù)進行整理、建模和入庫，在三維地圖上進行矢量化展示和真三維可視化，基于OpenGL 的管線模型，實現(xiàn)二維管線到三維管線的快速轉換，在此基礎上，探討了地上建筑設施的建模方法，基于超圖平臺將管線模型和地上建筑設施模型進行集成，在三維場景中重現(xiàn)排水管網(wǎng)的地下空間分布與排水設施的真實形態(tài)，實現(xiàn)地上地下設施的三維一體化展示。

1 管網(wǎng)建模

1.1 屬性數(shù)據(jù)庫設計

管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型在描述管網(wǎng)空間幾何對象及可視化等方面具有重要作用，可為表達管網(wǎng)信息提供支持，是構建管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的基礎。地下排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)結構的設計可以分為管線點表和管線線表結構設計。具體內容如表1、表2 所示。

1.2 管網(wǎng)模型構建

在提取管線和管點數(shù)據(jù)的基礎上，導入Excel 管線和管點數(shù)據(jù)到基于OpenGL 的管線模型繪制算法開發(fā)的數(shù)據(jù)轉換平臺[3]，完成二維管線數(shù)據(jù)自動轉換為三維管線數(shù)據(jù)，并完成坐標校正、模型校正、紋理校正，實現(xiàn)管網(wǎng)的真三維建模，最終效果見圖1。

2 地上建筑設施建模

2.1 數(shù)據(jù)源

地上建筑設施建模的數(shù)據(jù)源來自最新的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)和最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)。在最新的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)中提取建筑的平面位置信息，誤差不得超過0.2 m；在最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)中提取建筑的高程信息及房頂結構信息，誤差不得超過0.4 m。

地上建筑設施模型的紋理信息主要來源于外業(yè)實測采集的照片數(shù)據(jù)和最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)。在外業(yè)實測采集的照片數(shù)據(jù)中提取地上建筑設施模型的側面紋理，在最新的數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)中提取地上建筑設施模型的屋頂紋理。

2.2 制作流程

依據(jù)數(shù)據(jù)源制作三維模型，制作過程大致可分為以下幾個環(huán)節(jié)，具體為建筑照片采集、生成白模、屋頂制作、紋理制作、模型細化貼圖、模型優(yōu)化檢查、模型烘焙、導出USB 文件、坐標轉換、編譯發(fā)布等[4]，具體情況如圖2 所示。

3 二三維一體化技術

三維GIS 具有良好的可視化表達效果，發(fā)展三維GIS，在三維虛擬場景上完成空間數(shù)據(jù)組織，實現(xiàn)眾多三維空間分析功能，是GIS 應用研究的重要方向之一。然而，目前大多數(shù)地理信息系統(tǒng)的三維空間分析能力不足，短時間內難以代替二維GIS，基于二維GIS 的空間分析仍為主流。與三維GIS 相比，二維的空間數(shù)據(jù)比較簡單，更加抽象，也更加全面[5]。多年來，二維GIS不斷改進，它在空間分析和應用方面已經(jīng)非常成熟，并廣泛應用于各個行業(yè)。實現(xiàn)二維、三維地理信息系統(tǒng)的集成表達，將二維地圖與三維真實場景有效結合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，相互借鑒，可以為不同用戶、不同應用提供優(yōu)秀的地理信息服務。

目前，許多系統(tǒng)都在分別開發(fā)二維GIS 和三維GIS，無法實現(xiàn)二維GIS和三維GIS的深度集成。為了拓展GIS 平臺的應用深度和廣度，市場上一些GIS 公司將二維GIS和三維GIS相結合，相互補充。例如：SuperMap公司的解決方案敘述如下：（1）以數(shù)據(jù)存儲為出發(fā)點，實現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù)集成，在數(shù)據(jù)存儲上，對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)等進行一體化管理，簡化數(shù)據(jù)管理流程，節(jié)約數(shù)據(jù)資源；（2）支持三維符號化應用，整理和編輯同一個三維符號庫，集成二維符號，使符號得以復用，既提高了建模效率，又節(jié)省了存儲空間。

4 城市管網(wǎng)地上地下一體化顯示

一套完整的城市地下管網(wǎng)模型，除了包含管網(wǎng)拓撲關系、外觀表達及語義信息外，還需要能夠讓用戶隨時判讀管網(wǎng)位置。將管網(wǎng)對應的地上層與地下層進行三維場景集成，能夠讓用戶根據(jù)地上層的特征迅速對應管網(wǎng)要素在現(xiàn)實世界中的位置信息，提高管網(wǎng)模型的可讀性[6]。將地上層模型與管網(wǎng)模型一同加載顯示，巨大的數(shù)據(jù)量和構成模型的無數(shù)三角形面片都將拖延載入速度和場景瀏覽效果。為了解決這一問題，在場景集成顯示中對模型進行了緩存和場景優(yōu)化，減輕加載模型負擔，極大地提升了三維場景顯示速度。

4.1 地上地下模型集成

文章將地下管網(wǎng)三維模型與地上場景三維模型集中于SuperMap 三維模塊中展示，將各行業(yè)管網(wǎng)數(shù)據(jù)分為多個專題層載入SuperMap 球面場景，加載管點和管線對應的三維模型，調用可視化參數(shù)完成管網(wǎng)匹配；地上層場景模型同樣將綠化、道路及水體分為多個專題層加入球面場景，載入建筑物模型，完成地上場景搭建，效果如圖3 所示。

4.2 模型緩存

緩存技術是用空間換取時間的一種手段，它事先對地圖數(shù)據(jù)或三維數(shù)據(jù)作緩存處理，即為地圖、影像、地形或模型數(shù)據(jù)創(chuàng)建分層分塊的切片數(shù)據(jù)，在使用數(shù)據(jù)的時候直接調用預處理的切片數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)，使數(shù)據(jù)的瀏覽過程變得高效、流暢，大幅度加快數(shù)據(jù)加載和瀏覽的速度。在三維場景中可以加載的各種GIS 數(shù)據(jù)都具有對應的緩存類型，包括影像緩存、地形模型緩存、矢量地圖緩存和三維場景緩存。

4.3 場景優(yōu)化

在展示三維場景時，相機高度決定了人們在三維世界中的視野范圍，相機高度越高，視野范圍越廣，同時也越難以辨認地物。因此，當相機高度過高時，可以設置場景中部分不可見，通過設置最大可見高度的方式對場景進行性能優(yōu)化，使場景模型在不同的相機高度下能夠有選擇地呈現(xiàn)不同細節(jié)，這樣可令場景在瀏覽時操作更加順暢。

5 應用案例

文章以超圖平臺作為基本平臺，對上海某高校地上下一體化管網(wǎng)模型進行三維漫游、信息查詢及空間分析等操作，能夠滿足管網(wǎng)管理的基本需求?？蓪⒌乇碚{整為透明狀態(tài)，用戶可以直觀地看到底下管網(wǎng)與地上場景的對應關系，具體如圖4 所示。

6 結語

文章對管線、管點、地物等數(shù)據(jù)進行整理、建模和入庫，探討了地上建筑設施的建模方法，基于超圖平臺將管線模型和地上建筑設施模型進行集成，在三維場景中重現(xiàn)排水管網(wǎng)的地下空間分布與排水設施的真實形態(tài)，實現(xiàn)地上地下設施的三維一體化展示。并融合呈現(xiàn)了道路兩側地面建筑物的三維形態(tài)，實現(xiàn)了地上、地下設施的三維一體化展示，能夠滿足用戶的實際需要。