地下管線三維建模與可視化技術研究

趙慶振

（中國建筑材料工業地質勘查中心湖北總隊）

1 引言

城市地下管線是城市的生命線，是城市市政基礎設施的重要構成部分，其涵蓋通信、燃氣、熱力、電力等不同管線類型，在地表以下呈現出錯綜復雜、縱橫交錯的分布狀態。三維建模與可視化技術在地下管線中的應用可以有效克服二維地下管線管理模式存在的管線展示不清晰、不直觀、可讀性差、實用性差等弊端，對地下管線的三維數據進行科學組織與模型構建，直觀、可視化展示地下管線的三維空間結構與分布特征。

2 地下管線及其特點

2.1 地下管線

地下管線是埋設于地表以下，用于輸送特殊物質的管狀形態實體。根據傳輸物質的不同可以分為給水管道、排水管道、燃氣管道、熱力管道、工業管道、通信線路、電線電纜等。地下管線是城市能量傳輸的基礎，為城市居民提供了最基本的物質生活條件；地下管線是城市代謝的重要載體，在地下管線強大的輸送能力下，城市生活污水與工業廢水可以快速輸送至污水處理廠進行凈化處理，提高城市的代謝與凈化效率；地下管線是城市承載能力的重要評價內容，管線的數量以及輸送能力直接影響著城市的環境容量以及城市居民的幸福指數[1]。

2.2 地下管線特點

地下管線具有鮮明的隱蔽性、復雜性、多元性與動態性。考慮到城市建設美觀度以及節約用地等因素，電力、熱力、通信等管線管道均埋設于地下，需要利用探測工具探測出地下管線的具體位置與埋深。在多樣化的城市功能需求下，地下管線涵蓋了諸多類別，不同類別的地下管線材質不同、設計規格不同、保養標準不同，給管理帶來了較大的復雜度。此外，地下管線埋設、修改、拆除工作并非一成不變，各地下管線權屬單位根據城市功能需要動態更新地下管線建設情況，因此，地下管線的管理也應當動態與及時。

3 地下管線三維數據組織與處理

3.1 管線數據結構

對地下管線數據進行結構化組織是地下管線三維建模與可視化的前提，通過從邏輯層面對地下管線進行抽象，地下管線可分為管點、管段、管網三類數據，其中管點是管段之間的連接點，管網由若干管段構成。

3.1.1 管點數據結構

管點為點狀要素，其數據結構中的字段應包括管點唯一編碼、三維坐標（經緯度與高程）、地表以下埋深、管點所關聯的管段以及其他屬性。

3.1.2 管段數據結構

管段為現狀要素，也是管網的基本構成部分，其數據結構中的字段應包括管段唯一編碼、管段的起始管點唯一編碼、管段的終止管點唯一編碼、管段的長度、管段的半徑、管段的材質、管段的類型、管段所屬的管網唯一編碼以及其他屬性。

3.1.3 管網數據結構

管網為網狀要素，由若干管段構成，通常根據管段的用途不同分為電力管網、熱力管網、通信管網、燃氣管網等，便于地下管線三維建模時對不同類型的地下管線分別建模。管網數據結構中的字段應包括管網唯一編碼、管網類別、管網包含的管段數量以及其他屬性。

3.2 管線數據預處理

3.2.1 基礎數據計算

對于已經埋設好的地下管線，需要利用探測器對地下管線進行探測后，利用GPS 等技術手段測出地下管線的三維地理坐標、埋深、起始點與終止點的高程、管段半徑等數據。管線位置歸算示意如圖1所示。利用GPS測量得到地下管線起始點與終止點的經緯度數據，利用水準儀測量得到地表的高程數據以及起始點與終止點的高程數據，從而測算出地下管線的埋深。基于地下管線的埋深以及管段的半徑，可以測算出地下管線中心的高程。上述基礎數據均是地下管線三維建模與可視化的重要數據。

圖1 管線位置歸算

3.2.2 截面離散點坐標計算

地下管網的每一個管段均是弧形面，對管段弧形面進行建模，需對管段截面的坐標進行精準測算[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所示的關鍵點，根據管線中心線的高程以及管段半徑等確定各個關鍵點的坐標。其次，將管線截面旋轉至與管線中心線垂直的位置，旋轉后示意如圖2b所示。最后，通過平移與旋轉將管線截面移動至真實管段的位置處，如圖2c所示，計算得到地下管網管道的真實坐標數據。

圖2 截面關鍵點計算

4 地下管線三維建模

4.1 直管建模

直管建模較為簡單，根據管段的數據結構以及管段截面上的關鍵點坐標，利用TIN 三角網可對管段進行三維TIN 模型構建，此過程涉及到管段的局部坐標系與世界坐標系的轉換，具體建模流程如下：

①面向管段建立局部坐標系，用于表達與描述直管模型的幾何信息，根據管段數據結構中的字段參數、截面關鍵點坐標等在局部坐標系中確定管線中心與截面關鍵點的相對位置，利用OpenGL 圖形庫構建出局部坐標系下的直管三維模型；

②測算管段局部坐標系與世界坐標系的轉換方法與相關參數，將直管三維模型的各關鍵點三維坐標（局部坐標系下）轉換到世界坐標系中。

4.2 彎管銜接建模

彎管是一種較為常見的管段類型，在兩個直管管段的銜接處，可利用彎管對其進行關聯，實現管段截面的平滑拼接。彎管銜接建模的關鍵在于兩個管段之間的過渡面設計、計算與建模，其具體實現步驟為：首先，找到彎管的起始截面中心點以及終止截面中心點，基于上述兩個中心點繪制出中心弧線；其次，利用3.2小節的截面關鍵點計算流程測算出管線截面關鍵點的坐標，構成管線截面關鍵點坐標集合；最后，利用TIN網格對截面的關鍵點進行連接，實現對兩個直管管段連接處彎管銜接部分的三維建模。在彎管中心弧線上設置一定的步長，根據步長提取管線截面的控制點，并擺放管線截面，經過管線截面關鍵點坐標計算，得到一組按照彎管中心線弧段擺放的管線截面序列以及截面坐標點集合。中心弧線上步長越小，管線截面數量越多，截面坐標點集合數量越多，所構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管段在空間上交叉形成的銜接類型，以直角三通（示意圖如圖3 所示）這類特殊的立體三通銜接為例，三個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，以三個管段的中心線交叉點為坐標原點，以三個管段的中心線分別為X、Y、Z軸，三個坐標軸相互垂直，構建局部坐標系；其次，根據管段的半徑、三個管段中心線的起點三維坐標與終點三維坐標，求解出銜接面上各個離散點的三維坐標，組合形成銜接面離散點三維坐標集合；接著，利用旋轉矢量法求解出相互垂直正交的管段截面各離散點三維坐標，組合形成管段截面離散點的三維坐標集合；最后，將銜接面離散點集合與管段截面離散點集合進行關聯與匹配，利用OpenGL 圖形庫對匹配的連接點繪制TIN 三角網，構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 地下管線可視化

在對地下管線的管點、管段、管網數據進行結構化組織與三維建模的基礎上，對構建的地下管線三維模型進行可視化渲染。在地下管線可視化方面，地下管線可視化的精度與效果取決于管段表面三角片的數量，數量越多則管段建模與可視化的精度越高，但相應的建模與可視化所需的計算資源會增加，可視化渲染與顯示速度會降低，需要有效權衡與取舍地下管線的建模精度、可視化效果以及計算資源的消耗情況。在管點可視化方面，需要根據管點的屬性、類別等設計相適應的管點符號，如消火栓符號、閥門符號等，將其按照管點所在的三維坐標位置進行精準表達與可視化，通過符號的渲染與表達提升地下管點的可視化效果[3]。

5 結語

地下管線是城市能源供應、通信連接、排污凈化的重要載體，當前地下管線建設與管理存在鮮明的隱蔽性、多元性、復雜性與動態性等特征，傳統的二維地圖管理模式已無法適配地下管線的運維管養需要。將地下管線從邏輯層面抽象為地下管點與地下管段，共同構成同類型的地下管網，分別對不同的要素類型進行數據組織與結構化管理，并利用旋轉矢量法、坐標系轉換法等對地下管段截面關鍵點以及銜接面離散點的三維坐標進行測算，利用TIN 三角網法對離散點進行關聯，構建地下管線三維模型并進行可視化渲染與符號表達，彌補二維管線管理模式下的表達形式單一、表達內容受限、空間數據與屬性數據關聯度低等不足。