城市地下管網參數化三維建模流程與方法

詹勇，陳良超

(重慶市勘測院，重慶 400020)

城市地下管網參數化三維建模流程與方法

詹勇*，陳良超

(重慶市勘測院，重慶 400020)

二維管線不能很好表達管線的空間分布，而三維管線則能夠直觀表達管線的空間位置關系，因此本文結合重慶市地下管線三維建模實際工作，開展了三維管線建模研究。介紹了城市地下管網參數化三維建模流程，重點對建模數據預處理、連接特征三維建模、附屬設施建模、管線分塊以及管線LOD生成方法進行了闡述。最后，本文開展了相關實驗和應用實踐，論證了本文方法的有效性。

地下管網；參數化建模；管線分塊；管線細節層次

1 引 言

城市地下管線包含城市范圍內的供水、排水、燃氣、熱力、電力、通訊等管線及其附屬設施，是保障城市安全運行的生命線。2014開始，全國開展了全國地下管線普查工作，獲取了大量的二維管線數據，在普查的基礎上，各市通過整合各行業和管線權屬單位的管線信息數據，為建立管線系統，全面掌握城市地下管線空間分布狀態、運行狀況、安全隱患等情況奠定了數據基礎。

地下管線普查獲取的數據通常以二維數據為主，但二維數據不夠直觀，難以直觀表達地下管線，特別是在豎向上的空間分布。三維管線能夠直觀表達地下管線的空間位置關系，便于迅速查詢管線相關信息，同時，三維管線模型的建立便于檢查管線采集過程中可能的錯誤提高管線數據的準確性。

隨著三維地理信息技術已發展的日益成熟，利用三維技術開展管線的三維建模、建立三維管線系統的研究和應用工作也越來越多。羅凌燕[1]等研究了城市地下管線三維快速建模技術，周方曉[2]、周京春[3]等利用Sweep方法開展了管線三維建模，王琦[4]等研究了基于OpenGL的彎管銜接建模方法，左國成[5]等研究了基于旋轉矢量法的三維管線建模。本文結合重慶市地下管線三維建模工作，介紹了城市地下管網參數化建模流程，重點對建模數據預處理、連接特征三維建模以及管線LOD(level of detail)進行了闡述。

2 基于OSG的三維模型表示

OSG(OpenSceneGrouph)[6]是一個開源的場景圖形管理開發庫，主要為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化功能。它使用可移植的ANSI C++編寫，并使用已成為工業標準的OpenGL底層渲染API。OSG共封裝了10種三維幾何形狀類型，與OpenGL相對應。在本文的管線三維建模中，主要使用了TRIANGLES(三角形)和QUADS(四邊形)(如圖1所示)兩種幾何類型，進行三維模型幾何形狀的構建，利用Geometry類，完成模型的組織，實現模型法線、顏色或紋理的綁定，利用Matrix和MatrixTransform坐標變換類實現管線及附屬設施模型的空間變換。

圖1 基于三角面片和四邊形面片的模型構建

3 三維管網建模流程

結合重慶市地下三維管線系統建立的實際工作，本文總結了城市地下管網參數化建模流程與方法，在二維管線普查數據的基礎上，利用參數化三維建模技術，開展了三維管線建模工作，具體三維建模的總體技術路線如圖2所示：

4 建模數據讀取與預處理

4.1 建模數據讀取

建模數據讀取的信息包括建模配置信息和管點管線數據。

圖2 三維管網參數化建模流程

(1)建模配置信息讀取

建模配置信息包括數據庫中用于建模的管點管線表、類型映射編碼、附屬設施映射編碼、預制模型名稱等信息，用戶可以根據自己二維管線數據組織形式，修改配置信息，將其映射到系統定義的管線三維建模的標準接口上來，從而實現管線信息映射的標準化。通常對于一個項目來說，采用同一標準采集的管線數據配置設置后可保持不變。

(2)管點管線數據讀取

根據獲取的配置信息中的管點管線表名，讀取這些表中的管點管線數據，包括ID、位置、埋深等，并利用管點和管線數據結構存儲。在建模時，根據管線的不同類型，分批次生成三維模型。

4.2 數據預處理

數據預處理的目的是進行一定的計算，為管點和管段的三維建模做準備，簡化正式建模時的處理步驟。預處理主要包括位置歸算、連接特征與管段銜接位置計算以及附屬物參數位置計算。

在預處理的過程中，會產生一些中間結果，這些中間結果在是進行三維管線建模時需要用到的參數。在本文中，將這些中間結果保存在管點和管線字段中，如表1和表2所示，具體的字段含義將在以下預處理步驟中涉及。

管點數據結構增加字段 表1

管線數據結構增加字段 表2

(1)位置歸算

位置歸算，是通過管線埋深、起點(終點)高、管徑(寬高)計算管段的中心點，如圖3中的C點，中心點是三維建模管段和連接特征建模的重要參數。在實際管線外業測量中，對于圓管的起點(終點)高程位于管徑上部，而方管，例如排水箱涵的起點(終點)高程在管線底部，因此在處理時，需要根據具體情況進行處理，最后將值記錄在管點表的字段centerZ中。

圖3 位置歸算

(2)連接特征與管段連接點計算

連接特征，這里指的是直通、三通、四通等管線連接。通過連接點的計算，給出連接特征和管段生成的起始和終止位置，如圖4中StartV和EndV所示，StartV和EndV之間部分即為連接特征，將該值存儲在管段表2中。

圖4 銜接位置計算

(3)附屬物位置計算

附屬物位置計算包括位置平移參數計算和旋轉參數計算，最后得到矩陣，得到旋轉偏移矩陣，在OSG中，構建旋轉偏移矩陣的計算函數利用Matrix矩陣類進行，其思想是利用四元數的原理進行，三維矢量B繞三維旋轉軸A逆時針旋轉θ，旋轉矩陣為：

(1)

其中C=cos(θ)，S=sin(θ)。在OSG開源庫中，所用代碼如下：

(2)

其含義為：定義矩陣m，然后m為先繞軸axis旋轉angle角度(為式(1))，再按向量v平移。并將m記錄在管點表的TransformMatrix字段中，用于附屬物的位置計算。按附屬物的位置特征，將附屬物通常分為兩大類。一類是管井、電力接線箱等，這類模型的位置通常與地表相關，在建模時，將模型原點設置在模型與地表接觸位置，在計算位置偏移參數時，將原點置于管點地表高程處即可，其值為管點表中的floorHeight；另一類是與管線的頂部位置相關，如閥門、水表等(如圖5所示)，建模時，將其原點置于管段的起點高程處，經處理后存儲在管點表中的pipeTopHeight字段中，在計算位置偏移參數時，將原點放置在pipeTopHeight值即得到附屬設施的最終位置。

對于一些需要旋轉的模型，圖5的電力方井，則根據管線的走向計算出旋轉值，得到旋轉參數，按先旋轉再平移得到TransformMatrix字段的值。

圖5 附屬設施原點位置

5 參數化三維管線建模

參數化建模主要包括連接特征建模和管段建模。本文主要采用參數化建模的方式，根據連接特征的位置、大小、方向等參數，進行三維建模。下面簡要介紹直通和三通的參數化建模方法，按管線類型具體又分為圓管和方管三維建模。圓管與方管建模的主要區別在于斷面特征點的計算，斷面特征點為管段兩端或特征各斷面用來構成管徑的特征點，對于圓管(利用正多邊形表示)是正多邊形的頂點，對于方管則是四個交點。5.1 管段建模

圓管管段建模，采用旋轉矢量方法[4]，根據管段的斷面法線(通常與管段兩中心點連線平行)，計算出斷面特征點[5]，然后組裝成圓管。對于方管管段，需要注意的是方管的朝向，方管的側面應是豎直的，因此通過控制管段側面的法線是水平的，來完成方管的斷面特征點計算，如圖6所示。

圖6 圓管和方管的斷面特征點計算

對于圓管，以左端截面為例，v1為管段中心點，v1Forward為斷面的法線方向，ZAxis為坐標z軸，計算斷面特征點V1PArray各個點按式(3)進行：

(3)

其中r1為斷面上的圓管半徑，n為擬合多邊形邊數，R為繞V1Forward旋轉dAng角的旋轉矩陣，計算得到所有斷面特征點A(i)(i=0，…，n-1)。

對于方管的斷面特征點，先按式(4)計算出圖中的v1Right和v1Up向量，然后進一步計算方管四個斷面特征點，如A1=v1Right+v1Up。

(4)

最后，按照圖6的骨架圖，利用四邊形，組合出管段側面，即實現管段建模，最后可添加紋理、法線等進行優化。

5.2 連通特征建模

(1)直通建模

圖7 圓管直通和方管直通建模

圓管和方管直通可分解為多個管段組成。建模按先對直通進行分段，計算出各分段的中心點以及各分段的斷面法線，然后計算出斷面特征點，最后組裝成圓管或方管直通。建模的關鍵在于建立分段中心點和斷面法線，下面簡要介紹。

圖8 分段斷面點與斷面法線計算

如圖8所示，V0為直通位置，StartV和EndV是直通的起終位置(為表2中的字段)，V1是V0StartV上的點，可取V1V0的長度為管徑的2倍，同理得V2。過V1、V2分別由V0V1、V0V2的垂線相交得到擬合圓心O以及半徑radius。

根據建模精細程度，給定每個分段對應的角度為deltaAngle，如圖中O1O2段。兩端的分段，為剩余的角度值，如圖中V1O1對應的角度值為角V1OV20.5～deltaAngle2。建立垂直于平面V1V0V2、過O點的旋轉軸RotateAxis，按式(1)、式(2)得到以RotateAxis為旋轉軸，旋轉角為deltaAngle的旋轉矩陣RotateM，則圖中的分段點O2(分段中心點)和斷面法線n2由式(5)計算得到。

(5)

得到中心點和斷面法線后，按照與管段計算斷面特征點的方法，進一步分別按圓管和方管管段，計算得到各分段的斷面特征點，生成分段，最后將所有分段組合得到直通。

(2)三通建模

與直通建模不同在于，三通建模則在計算出三個端口的斷面特征點后，需要計算出相交處的交點，本文主要采用了基于角平分線思想計算出相交處的斷面特征點。在計算出所有特征點以后，再進一步組裝成圓管三通和方管三通。對于方管三通或多通，也可盡量采用兩邊成180°角或90°角的標準三通進行組織，然后連接一個修正的直通管段，可完成設施建模，建模示意圖如圖9所示。

圖9 圓管三通和方管三通建模

5.3 管井半自動化參數建模

部分管井三維建模，本文采用了半自動化參數建模方法。對于復雜的井蓋，利用3dsMax軟件制作預制模型，而對于井體部分則采用了參數化的建模方式，根據每個管井的不同構造和大小，實現管體模型的建立，最終實現合并管井模型的建立。

這種建模方式，可用于一些復雜、重用高、但存在一些不同的模型的建立。通過提取共同、造型復雜，預先制作好模型，而對可變部分利用參數化的方式進行三維建模。圖10展示的是不同類型和不同管徑、深度的管井模型生成成果。

圖10 管井半自動化參數建模

5.4 管線分塊與管線LOD

通過以上步驟，實現了管點和管線的參數化建模。在此基礎上，為實現整個城市管網三維模型快速流暢加載，本文對模型成果進行格網分塊，并建立兩級LOD(Levelofdetail)。

圖11 管線分塊格網組織

管線的格網劃分是按xoy平面劃分管線分塊，如圖11所示，將格網內的管點、管線等增加頂級節點，從而實現格網內模型的合并。給定格網尺寸gsize，一般取200，也可按照1∶500標準格網分幅進行管線格網劃分。對于給定坐標點(x，y)，獲得格網索引號(xIdx，yIdx)，格網兩角點(xmin，ymin)、(xmax，ymax)以及中心點(cx，cy)的計算公式如式(6)所示：

(6)

其中，“[x]”表示小于或等于x的最大整數。利用管點的坐標或管線的中點坐標將管點和管線按上式劃分到對應的格網中，每個格網塊作為一個整體，為根節點，管點和管線作為葉節點進行組織。在管線加載時，管線的管理粒度為格網塊，不深入到格網內部，因此構建三維空間索引能有效提高空間索引的效率，實現三維管線的加載與瀏覽。

兩級LOD組織如下：LOD0是僅為管段的連線，LOD1是建模成果，建立管網LOD，當視點離遠時，場景加載簡模，由于簡模僅由線段組成，數據量小，可實現大范圍的管線加如圖10左部分，當視點近視，加載精細建模成果，如下圖右部分。在進行管線查詢分析時，先查詢到管線的格網級，再查詢到格網內部，從而實現管線的管理和應用。

圖12 管線分塊與LOD組織

以重慶市北部新區三維管線建模(數據說明見下文第6節)為例，進行三維管線分塊格網效率測試。采用重慶市勘測院集景三維數字城市平臺，在同樣的加載渲染機制下，比較了格網合并前后的某個同樣場景管線加載和渲染效率。粗模比較的是遠看的大場景，精細模型比較的近看的小場景，實驗結果如表3，在多個場景加載測試下，表明分塊后的管線格網有更大的加載和渲染效率，更為流暢。

分塊格網加載渲染效率比較 表3

6 三維管線建模測試與應用

利用本文研究成果，在重慶市北部新區建立了三維管線信息系統，開展了三維管線應用。系統采用了重慶市勘測院集景三維數字城市平臺開展了相關測試及管線應用功能開發。

整個區域共包括管點 320 758個，管線數量 317 288，管線總長度近 5 000km，三維管線建模及集成總時間約 3h，其中管線分塊集成時間約 20min，通過建模實驗，驗證了本文三維建模技術流程的可行性以及三維建模成果的有效性。同時，在三維建模的基礎上，建立了三維管線信息系統，包括管線圖層管理、量測分析、空間屬性查詢、開挖分析、剖面分析等功能，如圖13所示。

圖13 三維管線應用

7 結 論

本文介紹了城市地下管線參數化建模流程，并重點對管點管線數據讀取、建模前的預處理、管段及連通特征建模進行了介紹，實現了城市三維地下管網的參數化快速建模，給出了一種管線分塊及LOD生成方法，用于提高大規模三維管線的調度、查詢等效率，并開展了相關實驗和應用項目建設。

城市地下管網的三維建模方式有很多，在實際工作中，需要根據二維數據的內容和格式進行調整，面向應用功能進行組織優化。在進一步的工作中，將完善與優化建模成果的外觀效果，包括光照設置、模型色彩或紋理美化，結構優化等。

[1] 羅凌燕，賀軍政，李育東. 城市地下管線三維快速建模技術研究及應用[J]. 測繪通報，2012(9)：87～89.

[2] 周方曉，李昌華，趙亮.Sweep造型法在管線三維可視化中的應用[J]. 計算機工程與應用，2011，47(7)：162～165.[3] 周京春，李清泉，施昆. 利用Sweep造型法進行管網精細化三維建模[J]. 武漢大學學報·信息科學版，2015，40(5)：661～666.

[4] 左國成，王山東. 基于旋轉矢量法的三維管線建模[J]. 計算機與數字工程，2013(279)：118～120.

[5] 王琦，宋春鳳，董春華. 基于OpenGL的3維彎管線的銜接方法[J]. 測繪科學，2008，4(33)：151～152.

[6] 王銳，錢學雷.OpenSceneGraph三維渲染引擎設計與實踐[M]. 清華大學出版社，2009.

Process and Method of Parameterized 3D Modeling for City Underground Pipeline

Zhan Yong，Chen Liangchao

(Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China)

Because of Two-dimensional pipeline can not describe the spatial distribution of the pipeline effectively，but three-dimensional pipeline can do it better，which can display the spatial relationship of pipelines intuitively. In this paper，based on the actual work of the underground pipeline 3D modeling in ChongQing，the research of 3D pipeline modeling were carried out. This paper introduces the city underground pipeline parametric modeling process，especially for data preprocessing，feature modeling，pipeline connection modeling，additional facilities modeling，the method of creating pipeline block and LOD generation are described. At last，related experiments and application practices are carried out，and the validity of the method is proved.

underground pipeline three-dimensional model；parametric modeling；pipeline block；pipeline LOD

1672-8262(2017)02-19-06

P208.2

A

2016—07—04

詹勇(1987—)，男，碩士，工程師，研究方向：三維地理信息系統原理及應用研究。 基金項目：地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室經費資助項目(201518)；重慶市社會民生科技創新專項(cstc2016shmszx120005)