趙慶振

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖北總隊(duì)）

1 引言

城市地下管線(xiàn)是城市的生命線(xiàn)，是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要構(gòu)成部分，其涵蓋通信、燃?xì)狻崃?、電力等不同管線(xiàn)類(lèi)型，在地表以下呈現(xiàn)出錯(cuò)綜復(fù)雜、縱橫交錯(cuò)的分布狀態(tài)。三維建模與可視化技術(shù)在地下管線(xiàn)中的應(yīng)用可以有效克服二維地下管線(xiàn)管理模式存在的管線(xiàn)展示不清晰、不直觀、可讀性差、實(shí)用性差等弊端，對(duì)地下管線(xiàn)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)組織與模型構(gòu)建，直觀、可視化展示地下管線(xiàn)的三維空間結(jié)構(gòu)與分布特征。

2 地下管線(xiàn)及其特點(diǎn)

2.1 地下管線(xiàn)

地下管線(xiàn)是埋設(shè)于地表以下，用于輸送特殊物質(zhì)的管狀形態(tài)實(shí)體。根據(jù)傳輸物質(zhì)的不同可以分為給水管道、排水管道、燃?xì)夤艿馈崃艿?、工業(yè)管道、通信線(xiàn)路、電線(xiàn)電纜等。地下管線(xiàn)是城市能量傳輸?shù)幕A(chǔ)，為城市居民提供了最基本的物質(zhì)生活條件；地下管線(xiàn)是城市代謝的重要載體，在地下管線(xiàn)強(qiáng)大的輸送能力下，城市生活污水與工業(yè)廢水可以快速輸送至污水處理廠進(jìn)行凈化處理，提高城市的代謝與凈化效率；地下管線(xiàn)是城市承載能力的重要評(píng)價(jià)內(nèi)容，管線(xiàn)的數(shù)量以及輸送能力直接影響著城市的環(huán)境容量以及城市居民的幸福指數(shù)[1]。

2.2 地下管線(xiàn)特點(diǎn)

地下管線(xiàn)具有鮮明的隱蔽性、復(fù)雜性、多元性與動(dòng)態(tài)性?？紤]到城市建設(shè)美觀度以及節(jié)約用地等因素，電力、熱力、通信等管線(xiàn)管道均埋設(shè)于地下，需要利用探測(cè)工具探測(cè)出地下管線(xiàn)的具體位置與埋深。在多樣化的城市功能需求下，地下管線(xiàn)涵蓋了諸多類(lèi)別，不同類(lèi)別的地下管線(xiàn)材質(zhì)不同、設(shè)計(jì)規(guī)格不同、保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同，給管理帶來(lái)了較大的復(fù)雜度。此外，地下管線(xiàn)埋設(shè)、修改、拆除工作并非一成不變，各地下管線(xiàn)權(quán)屬單位根據(jù)城市功能需要?jiǎng)討B(tài)更新地下管線(xiàn)建設(shè)情況，因此，地下管線(xiàn)的管理也應(yīng)當(dāng)動(dòng)態(tài)與及時(shí)。

3 地下管線(xiàn)三維數(shù)據(jù)組織與處理

3.1 管線(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對(duì)地下管線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織是地下管線(xiàn)三維建模與可視化的前提，通過(guò)從邏輯層面對(duì)地下管線(xiàn)進(jìn)行抽象，地下管線(xiàn)可分為管點(diǎn)、管段、管網(wǎng)三類(lèi)數(shù)據(jù)，其中管點(diǎn)是管段之間的連接點(diǎn)，管網(wǎng)由若干管段構(gòu)成。

3.1.1 管點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管點(diǎn)為點(diǎn)狀要素，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的字段應(yīng)包括管點(diǎn)唯一編碼、三維坐標(biāo)（經(jīng)緯度與高程）、地表以下埋深、管點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的管段以及其他屬性。

3.1.2 管段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管段為現(xiàn)狀要素，也是管網(wǎng)的基本構(gòu)成部分，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的字段應(yīng)包括管段唯一編碼、管段的起始管點(diǎn)唯一編碼、管段的終止管點(diǎn)唯一編碼、管段的長(zhǎng)度、管段的半徑、管段的材質(zhì)、管段的類(lèi)型、管段所屬的管網(wǎng)唯一編碼以及其他屬性。

3.1.3 管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管網(wǎng)為網(wǎng)狀要素，由若干管段構(gòu)成，通常根據(jù)管段的用途不同分為電力管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、通信管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)等，便于地下管線(xiàn)三維建模時(shí)對(duì)不同類(lèi)型的地下管線(xiàn)分別建模。管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的字段應(yīng)包括管網(wǎng)唯一編碼、管網(wǎng)類(lèi)別、管網(wǎng)包含的管段數(shù)量以及其他屬性。

3.2 管線(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算

對(duì)于已經(jīng)埋設(shè)好的地下管線(xiàn)，需要利用探測(cè)器對(duì)地下管線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)后，利用GPS 等技術(shù)手段測(cè)出地下管線(xiàn)的三維地理坐標(biāo)、埋深、起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的高程、管段半徑等數(shù)據(jù)。管線(xiàn)位置歸算示意如圖1所示。利用GPS測(cè)量得到地下管線(xiàn)起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量得到地表的高程數(shù)據(jù)以及起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，從而測(cè)算出地下管線(xiàn)的埋深?；诘叵鹿芫€(xiàn)的埋深以及管段的半徑，可以測(cè)算出地下管線(xiàn)中心的高程。上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均是地下管線(xiàn)三維建模與可視化的重要數(shù)據(jù)。

圖1 管線(xiàn)位置歸算

3.2.2 截面離散點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

地下管網(wǎng)的每一個(gè)管段均是弧形面，對(duì)管段弧形面進(jìn)行建模，需對(duì)管段截面的坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)算[2]。其具體步驟為，首先，截取管段的橫截面并將其離散化為如圖2a所示的關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)管線(xiàn)中心線(xiàn)的高程以及管段半徑等確定各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。其次，將管線(xiàn)截面旋轉(zhuǎn)至與管線(xiàn)中心線(xiàn)垂直的位置，旋轉(zhuǎn)后示意如圖2b所示。最后，通過(guò)平移與旋轉(zhuǎn)將管線(xiàn)截面移動(dòng)至真實(shí)管段的位置處，如圖2c所示，計(jì)算得到地下管網(wǎng)管道的真實(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖2 截面關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算

4 地下管線(xiàn)三維建模

4.1 直管建模

直管建模較為簡(jiǎn)單，根據(jù)管段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及管段截面上的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，利用TIN 三角網(wǎng)可對(duì)管段進(jìn)行三維TIN 模型構(gòu)建，此過(guò)程涉及到管段的局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，具體建模流程如下：

①面向管段建立局部坐標(biāo)系，用于表達(dá)與描述直管模型的幾何信息，根據(jù)管段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的字段參數(shù)、截面關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)等在局部坐標(biāo)系中確定管線(xiàn)中心與截面關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)位置，利用OpenGL 圖形庫(kù)構(gòu)建出局部坐標(biāo)系下的直管三維模型；

②測(cè)算管段局部坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法與相關(guān)參數(shù)，將直管三維模型的各關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)（局部坐標(biāo)系下）轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系中。

4.2 彎管銜接建模

彎管是一種較為常見(jiàn)的管段類(lèi)型，在兩個(gè)直管管段的銜接處，可利用彎管對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)管段截面的平滑拼接。彎管銜接建模的關(guān)鍵在于兩個(gè)管段之間的過(guò)渡面設(shè)計(jì)、計(jì)算與建模，其具體實(shí)現(xiàn)步驟為：首先，找到彎管的起始截面中心點(diǎn)以及終止截面中心點(diǎn)，基于上述兩個(gè)中心點(diǎn)繪制出中心弧線(xiàn)；其次，利用3.2小節(jié)的截面關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算流程測(cè)算出管線(xiàn)截面關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，構(gòu)成管線(xiàn)截面關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)集合；最后，利用TIN網(wǎng)格對(duì)截面的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)直管管段連接處彎管銜接部分的三維建模。在彎管中心弧線(xiàn)上設(shè)置一定的步長(zhǎng)，根據(jù)步長(zhǎng)提取管線(xiàn)截面的控制點(diǎn)，并擺放管線(xiàn)截面，經(jīng)過(guò)管線(xiàn)截面關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，得到一組按照彎管中心線(xiàn)弧段擺放的管線(xiàn)截面序列以及截面坐標(biāo)點(diǎn)集合。中心弧線(xiàn)上步長(zhǎng)越小，管線(xiàn)截面數(shù)量越多，截面坐標(biāo)點(diǎn)集合數(shù)量越多，所構(gòu)建的彎管銜接三維模型也越光滑、越逼真。

4.3 立體三通銜接建模

立體三通銜接是三個(gè)管段在空間上交叉形成的銜接類(lèi)型，以直角三通（示意圖如圖3 所示）這類(lèi)特殊的立體三通銜接為例，三個(gè)管段在空間上互相垂直，在銜接部位相互交叉形成銜接面。立體三通銜接建模流程為：首先，以三個(gè)管段的中心線(xiàn)交叉點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以三個(gè)管段的中心線(xiàn)分別為X、Y、Z軸，三個(gè)坐標(biāo)軸相互垂直，構(gòu)建局部坐標(biāo)系；其次，根據(jù)管段的半徑、三個(gè)管段中心線(xiàn)的起點(diǎn)三維坐標(biāo)與終點(diǎn)三維坐標(biāo)，求解出銜接面上各個(gè)離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)，組合形成銜接面離散點(diǎn)三維坐標(biāo)集合；接著，利用旋轉(zhuǎn)矢量法求解出相互垂直正交的管段截面各離散點(diǎn)三維坐標(biāo)，組合形成管段截面離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)集合；最后，將銜接面離散點(diǎn)集合與管段截面離散點(diǎn)集合進(jìn)行關(guān)聯(lián)與匹配，利用OpenGL 圖形庫(kù)對(duì)匹配的連接點(diǎn)繪制TIN 三角網(wǎng)，構(gòu)建出管段立體三通銜接部分的三維模型。

圖3 直角三通示意圖

4.4 地下管線(xiàn)可視化

在對(duì)地下管線(xiàn)的管點(diǎn)、管段、管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化組織與三維建模的基礎(chǔ)上，對(duì)構(gòu)建的地下管線(xiàn)三維模型進(jìn)行可視化渲染。在地下管線(xiàn)可視化方面，地下管線(xiàn)可視化的精度與效果取決于管段表面三角片的數(shù)量，數(shù)量越多則管段建模與可視化的精度越高，但相應(yīng)的建模與可視化所需的計(jì)算資源會(huì)增加，可視化渲染與顯示速度會(huì)降低，需要有效權(quán)衡與取舍地下管線(xiàn)的建模精度、可視化效果以及計(jì)算資源的消耗情況。在管點(diǎn)可視化方面，需要根據(jù)管點(diǎn)的屬性、類(lèi)別等設(shè)計(jì)相適應(yīng)的管點(diǎn)符號(hào)，如消火栓符號(hào)、閥門(mén)符號(hào)等，將其按照管點(diǎn)所在的三維坐標(biāo)位置進(jìn)行精準(zhǔn)表達(dá)與可視化，通過(guò)符號(hào)的渲染與表達(dá)提升地下管點(diǎn)的可視化效果[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

地下管線(xiàn)是城市能源供應(yīng)、通信連接、排污凈化的重要載體，當(dāng)前地下管線(xiàn)建設(shè)與管理存在鮮明的隱蔽性、多元性、復(fù)雜性與動(dòng)態(tài)性等特征，傳統(tǒng)的二維地圖管理模式已無(wú)法適配地下管線(xiàn)的運(yùn)維管養(yǎng)需要。將地下管線(xiàn)從邏輯層面抽象為地下管點(diǎn)與地下管段，共同構(gòu)成同類(lèi)型的地下管網(wǎng)，分別對(duì)不同的要素類(lèi)型進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與結(jié)構(gòu)化管理，并利用旋轉(zhuǎn)矢量法、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換法等對(duì)地下管段截面關(guān)鍵點(diǎn)以及銜接面離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，利用TIN 三角網(wǎng)法對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建地下管線(xiàn)三維模型并進(jìn)行可視化渲染與符號(hào)表達(dá)，彌補(bǔ)二維管線(xiàn)管理模式下的表達(dá)形式單一、表達(dá)內(nèi)容受限、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度低等不足。