城市地下管線三維建模及可視化系統實現研究

摘要：近年來，隨著地下管線種類與數量的不斷增多，對地下管線的管理工作提出了更高的要求，包括供水、排水、通信、燃氣、供熱等不同功能的管線均需要納入其中，并進行統一規劃和管理。城市管線三維管理模式相較于二維管線管理模式有著得天獨厚的優勢。對采用數學類方法進行管線三維建模展開研究，提出一種同時能保證管線建模的精細程度又不會明顯降低系統效率的建模方法。

關鍵詞：城市地下管線"三維管理系統"數據采集""族庫

Research"on"the"Implementation"of"3D"Modeling"and"Visualization"System"of"Urban"Underground"Pipelines

ZHANG"Ning1""XU"Bin1""WANG"Tao1""LI"Yixuan1""FU"Yunlong2

1"Shandong"Port"Qingdao"Port"Group"Co.，"Ltd.，"Qingdao，"Shandong"Province，"266000"China;2"Tianjin"Institute"of"Surveying"and"Mapping"Co.，Ltd.，"Tianjin，"300380"China

Abstract："In"recent"years，"due"to"the"increasing"types"and"quantities"of"underground"pipelines"laid，"higher"requirements"have"been"put"forward"for"the"management"of"underground"pipelines，"including"integrating""pipelines"with"different"functions"such"as"water"supply，"drainage，"communication"gas"and"heat"supply，"for"unified"planning"and"management."Compared"with"the"two-dimensional"pipeline"management"mode，"the"three-dimensional"management"mode"of"urban"pipeline"has"unique"advantages."This"paper"studies"the"three-dimensional"modeling"of"pipeline"using"mathematical"methods，"and"proposes"a"modeling"method"which"can"ensure"the"precision"of"pipeline"modeling"without"significantly"reducing"the"system"efficiency.

Key"Words："Urban"underground"pipeline;"3D"management"system;"Data"collection;"Family"library

地下管網是城市的“生命線”，是城市正常運轉的“動脈”，因其復雜與隱蔽的特性，故必須建立起一個科學、完整、準確的地下管線管理系統[1]。

隨著管線信息化建設的逐步加快，我國各城市陸續建立管線管理信息系統，使城市規劃中遇到的地下管線問題能夠便捷、簡單地進行管理。三維地下管線管理系統提供了豐富多樣的功能，統計、分析、量算、標注等都可以為城市提供了科學、有效、合理的幫助，并進行輔助決策[2]。但是，由于缺少先進的技術手段，一般的管網只能進行二維顯示，表現單一，沒有辦法直觀地體現各類管網之間的相互關系[3]。

1項目概況

探明董家口港區內的公共道路及所屬各單位內部埋設的給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信、工業、綜合管（廊）溝等管線設施并實現三維建模和可視化。管線總長度預計約1"505"km。工作內容：（1）對2015年完成的已有管線普查成果長度約290"km（包括地上管線約100"km、地下管線約190"km），進行數據成果檢查、整理，以重復探查的方式抽檢總量8%對成果可用性進行評估評價；（2）對港區1"215"km（包括地上架空輸油管線267"km、地下各類管線948"km）未進行過普查的管線進行普查（包含8%的質檢工作量），并將兩次普查成果整合在一起。

2"建筑信息模型與三維地理信息系統的集成

建筑信息模型（Building"Information"Modeling，BIM）數據結構包括空間數據及屬性數據，其中空間數據模型又包含空間位置、外觀形狀等，這與三維地理信息系統（Geographic"Information"System，GIS）數據結構相似，屬性數據包含了設計參數、施工參數、運維參數等[4]。三維GIS涵蓋了BIM的數據結構、數據表現形式、數據對象，與BIM的功能有重疊，因此，“三維GIS+BIM”能夠產生無限的可能。

在三維建模上，完全基于3DMAX等第三方建模軟件，或完全使用三維地理信息軟件進行建模都是不可取的，前者在于將第三方模型導入三維地理信息系統后，需要消耗的系統資源過多，導致在顯示和分析時，效率低、速度慢。尤其在管線模型數量巨大時，所耗費的系統資源過多，甚至會導致系統卡死現象。或由于三維地理信息軟件并不是專業的建模工具，使用該方法只能實現對三維管線的初步建模，并不能保證良好的仿真效果，尤其對不規則物體的建模有一定的困難。

提出一種同時能保證管線建模的精細程度又不會明顯降低系統效率的建模方法。具體來說，先將地下管線的基本組成部分分為管體和管點兩大類。其中管體包括方形管和圓形管。管點包括三通、井、落水口等不規則物體。對于管體，一般都是形狀規則的物體，且地下管網90%都是由管體構成，因此為了提高創建和顯示效率，采用Revit軟件自身對象——族對象來創建表現管體，這樣可以大大減少軟件用于渲染外部模型顯示所需的系統資源。對于管點數據，一般都是不規則的實體，所以先將各類管點數據進行分類，對于每類對象，分別采用專業的建模工具，按照1∶1的比例進行三維建模仿真，再賦予根據實際采集的紋理，具體過程如圖1所示。

3"地下管線數據的采集

在地下管線探測中，屬性數據與空間數據的集合叫作完整的數據，一套完整的信息管理系統的先決條件就是數據。并且管線數據庫的完整性直接影響了系統是否能夠有效地運作。

城市地下管線主要由空間數據與屬性數據組成。空間數據是建立在三維坐標系上的，是信息系統的核心，在管線中包括管點、管段、管道空間信息與空間位置的關系等。而屬性數據則包含了對目標對象的定義與模型的實體，包括管道的類型、管道的材質、管道壁的厚度、管道半徑、管道的流速大小、管口附件等。在日常的地下管線勘探中，要利用好手中的設計圖紙與當地的地形圖進行全面普查，當地管線的基本情況要大概了解，這樣便于做好管線探測記錄。通常會用測繪儀器對管線的端點進行測量，這樣管線兩端的三維坐標可以被獲取到。與此同時，記錄管線的屬性數據。在管道探測記錄表中記錄上述信息，做好探測下一管道的數據，以此類推。

空間數據與屬性數據是管線數據的重要組成部分。空間數據與屬性數據是相互關聯并且不存在孤立的，因此，空間和屬性這兩種關系也是無法分開的，作為主要的目標對象，必須要合理地將地下管線組織入庫，更好地適應信息的設計與管理。

4"地下管線族庫的創建

在一系列以建筑信息模型為基礎設計的軟件中，Autodesk"Revit的功能性較為突出，它的功能有為建筑設計而生的Revit"Architecture、為建筑結構而生的"Revit"Structure、為建筑基礎設備而生的Revit"MEP"與"Revit"OneBox，它們分別為建筑信息模型提供了不同且多種的項目解決方案[5]。

Revit與CAD之間的相似處很多，但與CAD之間不同的地方是前者通過三維模型信息來建立模型，而CAD只是單純地使用草圖來建立模型。在前者的工作環境下，模型的加載可以是現實中任意一個與生活對應的元素，然后再使用模型文件，再生成相互對應的2D、3D視圖與詳細的列表。

族是BIM模型中的基礎構成單元，而參數化控制的族類是族創建中的精華部分。為了能夠使地下管線批量化建模，需要建立地下管線族庫。根據建模需求和實際情況，創建了參數化地下管線族庫，其創建是基于地下管線規范的相關內容，按照各類型管線所對應的附屬物，結合實際需要建立相應的族。通過優化地下管線，規范種類眾多的族類型，建立了常用地下管線附屬物族庫（如窨井、閥門、水表、信號桿等），約有22種；這些族的長、寬、高及方向受控于所創建的參數，可根據實際情況而改變，滿足了地下管線建模需求。建模過程中可按照實際情況自動改變方向、尺寸等參數，以滿足批量建模需求。

5"綜合出圖

根據探測的管線數據，利用BIM軟件將各類型管線依次建立模型。參照現行相關物探規范，把地下管線設置成不同顏色以便區分。將所探測到的電力管線、路燈管線、信息管線、聯通管線、移動管線、信號管線、上話管線、上水管線、煤氣管線、污水管線與雨水管線分別設置為不同顏色[6]。建模完成之后，根據實際情況及地下管線探測規范對管線模型進行碰撞檢測分析，隨后調整避讓，得到所有類型地下管線的真實三維信息。圖3展示了部分管線及附屬物，能夠較為明顯地觀測到管線及附屬物的三維空間分布。圖4為匯總后所有類型地下管線的三維信息模型圖。

6"城市地下管線三維管理系統實現

將GIS與三維地下管線建模相結合，城市地下管線三維管理系統具備以下基本功能：管線參數查詢設計、管線綜合查詢設計、管線碰撞分析、三維瀏覽漫游、數據庫統計表等。下面主要介紹三維瀏覽漫游和管線參數查詢功能。

6.1"三維瀏覽漫游

在場景中加載模型后，可以利用瀏覽功能對模型進行放大、縮小平移、旋轉等操作。實現用戶以不同的視角對管線模型進行觀察的目的。具體操作如下。

（1）按下鼠標左鍵，同時移動鼠標可以完成模型平移操作。

（2）按下Ctrl鍵，同時按住鼠標左鍵移動鼠標，可以完成模型的旋轉操作。

（3）滑動鼠標滾輪，可以實現模型的放大與縮小功能。

（4）按下鼠標滾輪并移動鼠標，當前視口照相機位置保持不變，但視口照相機的視線方向隨著鼠標的拖動而改變，實現從不同視角觀察模型的功能。

6.2"屬性查詢功能

當用戶使用鼠標拾取場景中的一條管線時，可以查詢該管線的編號，根據管線編號查找管線屬性庫中的信息，如管線材質、管線類型、管半徑等信息。結合數據庫對模型進行簡單的查詢，從而顯示出該管線的屬性信息。

7結語

BIM技術的設計能夠給用戶呈現可視化的三維信息模型，該系統適用于各類型地下管線建模，結合所創建的管線附屬物，可以對地下管線三維信息模型進行較為真實的建模，從而更為直觀地反映地下管線的實際分布情況，為工程后續的設計、施工、管理提供依據。

參考文獻

[1]雒宇飛."機場道面地下管線三維定位方法研究[D].天津：中國民航大學，2022.

[2]王民強.基于虛擬現實的多支路地下管線三維可視化研究[J].經緯天地，2022（3）：66-69.

[3]安聰，吳楚怡.基于三維GIS的城市地下管線管理系統研究綜述[J].城市道橋與防洪，2022（1）：245-249，27.

[4]李康."地下管線的三維建模及可視化研究[D]."西安：西安科技大學，2020.

[5]唐小麗，呂順杰，郭紅操，等.基于SuperMap平臺的地下管線三維自動化建模[J].城市勘測，2021（6）：40-43.

[6]楊伯鋼，顧娟，宣兆新，等.智慧城市地下管線三維智能服務技術體系研究[J].北京測繪，2020，34（12）：1677-1682.