基于Skyline的地下管网三维可视化研究

王　雷

基于Skyline的地下管网三维可视化研究

王雷

（池州学院资源环境学院，安徽池州247000）

为了更好的对地下管网进行管理与设计，在Skyline，首先将研究区遥感影像、数字高程模型和地面建筑物模型进行叠加，创建管网基础场景，在此基础上通过Skyline二次开发组件Terradeveloper完成圆形和矩形管线段自动建模，最后综合基础场景实现地下管网的三维场景显示。结果表明，结合三维基础场景绘制地下三维管网能够快速、准确、有效的表达管网之间错综复杂的空间位置关系。

SkyLine；三维可视化；地下管网

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.020

现代城市建设中，各类管网的使用越来越普遍，水、电、气三种日常生活中的必备要素通过管网输送到各家各户，雨水、污水等通过管道进行收集和排放，这些看不见的运输线保证了城市的日常运行［1］。随着城市管网规模的不断扩大以及管网本身隐蔽性的特点，如何有效管理这些地下生命线，对于城市的日常运作和进一步建设与发展显得至关重要。现阶段，部分城市地下管网数据的管理已初步实现信息化，然而这些管理系统大部分停留在管网数据的二维可视化上［2-3］，而二维的表达方式难以全面的描述存在于地下三维空间的管网。Skyline是一套功能完善的三维地理信息系统软件，其利用各类影像数据、地形数据以及三维模型数据创建三维可视化的地理环境，主要由TerraBuilder、Terra-Explorer Pro和TerraGate三部分组成［4］。本研究借助于Skyline三维地理信息平台实现地下管网的三维可视化，从而直观清晰的显示地下管线段之间错综复杂的空间关系，可以为管网数据的有效管理提供三维可视化环境。

1　数据组织

1.1管网数据组织

城市地下管网类型主要分为给水、排水、燃气、电力、电信、热力、工业等几大类［5］。在不同的大类中还可以进行细分，如排水可以分为污水管网、雨水管网和雨污合流管网。由于管网数据量较为庞大，需要对不同管网数据按类别进行分层管理，每类管网分别由管线段和管点图层组成，每个图层又包含管网空间数据和属性数据，空间数据主要包括管段的起始位置、埋深、管径和管点的三维坐标，属性数据是对管网非空间信息的描述，如管网的建设年代、管网的材质等。

管线段相互之间通过与其关联的各类管点衔接，组织管段数据时需要对管段进行编号，同时明确管段的起始管点编号和管径等三维数据，在管网数据库的设计过程中管点数据的关键字设为“管点号”，并将“管点号”作为管段数据表的外关键字，从而确定管点数据与管段数据间的关联关系（见图1）。

图1　管网数据结构

1.2三维场景数据组织

管网并非孤立的存在于城市地下，在它的周围存在着与其相关联的各类要素，而管网区域的地形及其地面景观直接影响着管网的布局。管网系统中的定位主要通过空间坐标来表达，但这种定位方式并不适用于日常生活中管网位置的查询，如给水、电力、燃气等管网在居民区附近埋设较多，对这些管线位置的描述也常借助其周边的建筑物等设施进行描述，这些情况表明管网的日常管理需要地面信息的辅助。

1.2.1地形场景建模管网三维场景建模需要综合建模区域的三维地形和地面景观数据。三维地形模型描述的是研究区的地势起伏，Skyline软件中的TerraBuilder模块在统一的坐标系下，通过叠加研究区的遥感影像和数字高程模型能够生成地形模型。景观模型主要由建筑物及其地面设施构成，Skyline软件中的TerraExplorer Pro模块具有简单模型的制作功能，能够基本满足管网地面场景建模的需求，同时TerraExplorer Pro的各类模型还可以通过3dsMax等专业三维建模软件生成。

综合管网的铺设区域往往范围比较大，相应的地形数据量也较大，因此对地形数据的有效管理能够直接影响管网系统的响应效率。本研究基于统一的地理参考通过TerraBuilder叠加遥感影像、数字高程模型建立三维地形模型，借助金字塔式的数据管理模式，创建三维地形数据库，从而实现对较大范围地形环境多角度、快速、流畅的浏览。

1.2.2地面景观建模三维地面景观包含的内容复杂多样，这里我们选择与管网位置关联紧密的各类建筑物、道路、市政设施进行建模。地面景观主要通过TerraExplorer Pro创建的简化建筑物模型，TerraExplorer Pro自带的简易模型以及3dsMax制作的模型文件进行建模，建模效果见图2。

图2　地面景观模型

根据以上表述可以看出，TerraExplorer Pro软件模块能够有效地综合地形场景和地面场景，借助该模块对地形模型和地面景观模型进行整合可以生成包含真实地形的三维场景。同时，TerraExplorer Pro还支持以数据流的方式充分展现地表信息，并能够进行三维场景要素的编辑、注释以及发布等。

2　管线段参数计算

管线段是整个管网的主要部分，管线段的生成在原始勘测数据的基础上，计算出绘制管线段所需要的参数，其主要参数计算如下：

（1）管线段起止点坐标的计算

管线段三维建模需要管线中轴线的起止坐标，在实际管线勘测过程中多记录管线段的XY坐标、地面高程、埋深和管径等数据，这就需要依据勘测数据计算中轴线起止点的Z坐标。依据管线段数据中记录的“起点点号”和“终点点号”关联管点数据表，读取起止点的XY坐标、地面高程、埋深以及管径数据，其中Z坐标可通过地面高程、埋深和管径数据进行计算，公式如下：

其中Z表示管线中轴线起止节点的高程，dmgc表示地面高程值，ms表示节点的埋深，gj表示管线段的管径。

（2）管线段长度的计算

管线段长度即起止节点间的空间距离，借助IPosition6接口的DistanceTo方法可以计算两节点间的空间距离。

（3）偏航角、倾斜角、旋转角的计算

偏航角、倾斜角、旋转角三个参数描述了管线段的空中姿态，其中偏航角（Yaw）表示视点与兴趣点间的偏转角度，倾斜角（Pitch）表示视点与兴趣点间的俯仰角度，旋转角（Roll）表示视点与兴趣点间的旋转角度，三者分别描述管线段绕Z轴、Y轴和X轴的旋转角度［6］。对于这三个参数的计算，IPosition6接口提供了AimTo方法，该方法返回起点坐标值以及起点坐标和终点坐标间的角度值。

3　管网可视化

Skyline包含一个基于COM技术的二次开发包TerraDeveloper，可以通过目前主流的程序设计语言进行二次开发。用户可以根据自身的需求，基于TerraDeveloper开发出自己需要的三维GIS应用系统。TerraDeveloper包含三个可视化控件（TE3DWindow、TEInformationWindow、TENavigationMap）及一组API组成（见表1）。

表1　TerraDeveloper的主要接口及其功能

管线段的形状主要有圆形和矩形两种，TerraDeveloper中的CreateCylinder函数可用于创建圆形管线段，CreateBox函数可用于创建矩形管线段。三维管线段的绘制，首先需要获取管段的起始点的编号，对应获取起始点三维坐标，其中坐标的Z值以管段截面中心点的高程最为理想，或者结合地面高程、埋深、管径等数据计算管线段截面的中心点高程。

TerraDeveloper中圆柱采用矩形剖分的形式绘制，其精细程度取决于矩形面的数量。CreateCylinder函数中参数NumOfSegments为构成圆形的线段数，即圆柱体对应的矩形数量。另外，CreateCylinder函数其中的其他参数分别为：Position指定圆柱体中轴线起点的位置，该参数同时包含了圆柱体的空间姿态参数；Radius为圆柱体的半径参数，对应管线段的管径；ObjectHeight为圆柱体的高度，对应管线段的长度；LineColor为圆柱体轮廓线的颜色；FillColor为圆柱体的填充颜色，对应管线段的颜色。圆形管线段建模效果见图3。

图3　圆形管线段

图4　矩形管线段

矩形管线段绘制较为简单，TerraDeveloper通过函数CreateBox来绘制矩形管线段。CreateBox函数其中的参数分别为：Position为矩形管线段中轴线中心点的位置，这与圆形管线段有所不同；ObjectWidth为管线段的宽度；ObjectDepth为管线段的长度；ObjectHeight为管线段的高度；LineColor为管线段轮廓线的颜色；FillColor为管线段的填充颜色。矩形管线段建模效果见图4。

文章基于前文构建的基础三维场景，在.net开发环境下，通过读取管网数据，利用Skyline二次开发组件，按管线类别将管网分成多个图层，每类管网采用不同颜色加以区分，构建研究区的三维管网综合场景（见图5）。

图5　管网综合场景

4　结论

目前，各类城市管网信息系统多为二维的，这些系统虽然能够初步实现对地下管网的信息化管理，但无法表达管线段本身的三维信息以及管线段的空间姿态信息。将Skyline软件应用于地下管网建模，结合研究区的场景数据能够准确、有效、直观的将管线段之间的空间位置关系呈现给技术人员，对城市的建设和管理提供更为便捷的服务。

城市管网的主体部分为圆形和方形管线段，采用TerraDeveloper函数可以在低系统消耗的前提下快速地完成管线段的可视化，然而这种方法不适宜管线段接头模型的生成，对于精细化程度要求较高的管网建模则难以满足。如何有效地结合专业三维建模工具（如3ds Max）精细化程度高的优点，增强管网可视化的精细程度是本文的后续研究方向。

［1］华建源.地下管网信息系统中的数据存储性能改善技术探讨［J］.地矿测绘，2005，21（3）：42-44.

［2］周春波，吴欢，魏伟，等.基于AutoCAD的地下管网图形属性一体化方案［J］.城市勘测，2014（6）：87-90.

［3］岳汉秋，杨雨华，高松峰，等.基于ArcEngine的城市地下管网信息系统的建设研究［J］.供水技术，2014，8（4）：32-35.

［4］邓浩，夏春林，王润芳.基于Skyline Terrasuite的城市三维景观的建立［J］.遥感技术应用，2008，23（5）：529-532.

［5］CJJ61-2003.城市地下管线探测技术规程［S］.2003.

［6］张剑波，李春亮，张耀芝，等.基于Skyline的城市三维管道自动生成技术［J］.测绘通报，2013（12）：66-69.

［责任编辑：余义兵］

P208

A

1674-1102（2015）06-0065-03

2015-08-23

池州学院自然科学基金项目（2015ZR008）。

王雷（1988-），男，安徽池州人，池州学院资源环境学院助教，硕士，研究方向为GIS开发与应用。