城市地下管網三維精細化建模與實現

摘要：城市地下管網是城市賴以生存和發展的物質基礎，建成完善的城市地下管網數據庫和信息管理系統顯得尤為重要。因此，基于城市地下管網的三維信息系統應運而生。本文論述了地下管網三維數據處理與存儲設計，介紹了地下管網三維精細化模型構建方法和效果，一定程度上提高了城市地下管網三維可視化的逼真程度。

關鍵詞：地下管網;三維;建模;Sweep;Mesh;效果

1"引言

城市地下管網由給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信管網等組成，各類管網縱橫交錯地分布在城市地下空間，構成了復雜的地下管網空間體系。隨著信息社會的飛速發展，清楚的了解掌控城市地下管網情況，可為城市的有效規劃、系統性建設和高效管理提供有力的決策支持。而傳統二維地下管網管理信息系統有著空間表現能力差[1]、空間查詢分析功能缺乏、交互性差等局限性，因此城市地下管網三維信息系統是管網系統發展的一個新方向。下面就城市地下管網三維精細化建模與實現進行探討。

2"管網三維數據處理與存儲設計

2.1"數據處理

要建立管網的三維系統，那么必須以規范準確的信息數據為參照，所以在對管網進行建模前就要根據這些數據理清管網和建筑相互之間的關系，此外還包括規范性的參數、拓撲等，其主要的檢查內容在下表中表示。

表1""檢查內容

進入數據庫的數據必須通過嚴格的檢查和處理，并符合相關要求，才能形成動態管網模式下的數據源。

2.2"存儲并設計三維數據

在三維管網存儲數據的功能中包含了管網的容器和節點，而在每一個要素中又包括管網線表以及管網點表，在表中會對附屬物等各種信息進行詳細的記錄，而在線表中則會記錄容器以及線的相關內容。這種數據庫是通過Oracle10g+ArcSDE方法來達到存儲數據與非數據的目的，存儲數據的相關情況見下表。

表2"字段管點層

以上數據在表格中列出，此外包括的數據還有圖片的存儲以及相關演示文檔的應用，可以有效增加動畫視覺上的效果。

3"精細化建模研究

在對管網進行建模時不但要對固態的模型進行充分的考慮，還要對動態模型進行考慮，這就是與其他的三維系統區別最大的地方。固態建模也就是通過3DMax以1：1的比例做的模型，包括電桿或是閥門等，動態的則表示隨屬性比較大并且根據管點尺寸大小如彎頭、三通等。本文主要是對動態的模型所需要的建模方式以及相關技術進行探討。

3.1"Sweep+Mesh方法

很多的管網體都輸于比較規則的圓筒，可以將管網那個看作是連接直管以及直管之間的兩部分構成，它們的幾何屬性可以通過長度、位置等方面的參數進行準確的計算和測量。而三維建模可以采用重建的形式進行，其中出現的問題則是通過管網的中心線相關的坐標情況如何對其表面頂端的坐標進行準確的計算，這個問題的難度在其表面具有轉折處，要充分對其進行考慮。通過Sweep+Mesh可以對其表面的轉折處做有效的拼接，也就是把管網當作是連續畫面，連接中心線并在段點上建立坐標從而對相應的表面定點坐標進行計算，于是形成了連續性比較強的網格。

Sweep則是在計算機繪圖中比較常用的一種手段，通過這種手段建模的方式首先就要確定截面與軌跡線，隨后根據軌跡線的情況對截面進行掃描，逐漸形成模型。用戶可以根據自己的意愿指定截面以及軌跡線的形狀，所以采用這種造型的方式具有很高的靈活性。它是面、點和邊的集合，其定義包括了多面體，也就是包括四邊形片或是三角形片的各種多邊形片組成，同時它還是一種較好的表達方式，采用各種多邊形面片對曲表面進行表達，隨即生成Sweeo模型，并由截面在軌跡線的運動過程計算出定點的具體坐標，具體情況由下圖所示。

圖1""造型方法探討

工作流程的具體情況：

1）在管網的軌跡線的位置進行處理。

2）軌跡線位置上建立坐標，為了保證其連續性框架的實現，可以采用倒圓角或是分段處理的形式對管網進行處理，同時生成坐標的框架，保證表面得以連續，具體情況見下表2。

3）分布在截線的坐標要進行準確的計算。

4）網格的建立。

5）渲染以后生成三維管網。

圖2""軌跡線的處理

3.2"模型工藝創建的流程分析

在對三維系統進行創建的過程中需要面對的一個難題就是海量模型相關的數據加載，為了保證系統得到充分并且流暢的應用，必須通過預集中生成的形式并展示后流媒體的方式對這個問題進行有效的解決。以下就針對這種解決方式進行深入的探討，具體情況如下圖3所示。

在對模型最原始的相關數據進行有效的檢查并已符合規范以后，這些數據才能在拓撲關系中進行處理，經過加工后從而在三維模型中形成有效利用數據。通常情況下，管網的完整模型工藝流程要通過5個形式才能實現，包括管點的生成、模型的構建、數據的發布、數據的搜索與生成以及數據發布與入庫。這需要一個完整的處理流程才能得到有效數據加以使用，具體的數據包括以下三類。

圖3""創建數據的工藝流程情況

1）數據在瀏覽以后顯示在管網三維中;

2）數據被搜索出來以后，可以通過查詢等各種形式互查。

4"實現的效果

由上述的剖析可知，通過檢查數據可以滿足二維管網的需要，通過制作3DMax則可以實現三維固態的模型，此外將三維動態模型算法以及預集中數據進行有效的創建與整合，能夠形成一個有效的管網數據庫。下面的三個圖示則是代表系統管點以及管段創建出來的模型效果。

圖4""管網生成的動態情況

圖5""大小不同的動態模型

圖6""井內相關設施情況

5"結束語

由上述情況可知，地下管網如今已成為了城市生存與發展的重要物質基礎，其追求精細的建模必須引起人們足夠的重視。大量的歷史經驗和實踐證明，采用地下管網精細化的三維建模方式是具有可靠性的，能夠為人們展示更多的空間特性，使內部表達更加準確，全面地展現模型的內部信息。

參考文獻：

[1]扈震;徐獅.地下管網設施三維精細化模擬技術研究[J].中國給水排水，2012（17）.

[2]畢天平;孫立雙;錢施光.城市地下管網三維整體自動建模方法[J].地下空間與工程學報，2013（S1）.