基于Skyline的三维综合地下管线应用与研究

刘军 ，钱海峰，孙永新

(1.无锡市测绘院有限责任公司，江苏 无锡 214031;2.南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011)

1 引言

地下管线是一个城市的“生命线”，也是城市基础设施的重要组成部分，更是发挥城市功能、确保城市经济、社会健康、协调发展的重要物质基础。各大城市纷纷建立起综合地下管线信息管理系统，实现对城市建设中的各类管网数据进行综合有效的存储管理，提供各种查询、分析和统计的工具，并形成良好的动态更新机制，为城市的地下管线管理工作，提供综合协调、应急指挥等科学的辅助手段。

然而由于综合地下管线的特殊性，其布设遍及于地下、水下等，二维方式难以直观地反映各管线之间的空间位置关系。通过三维方式能够真实反映在交错复杂的条件下各管线之间的位置关系以及管线与周边地物的位置关系［1］。因此，本文以Skyline平台为基础，实现在三维平台上综合地下管线的展现、查询、分析和辅助设计等功能，该系统的建立改变了以往制图指标计算不准确、难以校核的情况，使规划成果的科学性和指导性进一步加强;使规划设计成果走向规范化、标准化，进一步提高了成果的专业深度。

2 技术路线

Skyline是一套优秀的三维数字地球平台软件。凭借其国际领先的三维数字化显示技术，它可以利用海量的遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他二三维数据搭建出一个对真实世界进行模拟的三维场景［1］。

整体技术路线是首先将卫星影像或者航空像片以及高程数据加载到Skyline系列的TerraBuilder软件中，并对这些数据的格式进行转换，然后进一步生成MPT格式的文件，形成Skyline系列软件的TerraExplorer Pro所需要的地形场景数据。其次在TerraExplorer Pro中，加载地形场景数据，导入矢量数据集及相关数据，进行二维、三维模型的建立。最后对二维的管线数据进行三维模拟，实现三维的综合地下管线。图1为具体的技术路线。

图1 技术路线图

3 管线三维模拟的实现

管网数据一般都分为管井和管线两类。管井根据管线类型及用途的不同，由不同的管线井设备组成，比如窨井、消火栓、阀门等等［2］。我们根据国家有关管线设备的管井符号规定，定义管井设备的三维符号和样式库。使用3ds Max建立各类管井设备的模型，保存为.X文件，管井设备的符号如图2所示:并使用Skyline的符号转换器将这些三维管井设备符号转入到符号库中，形成xpl格式的管井模型符号库，该库采用文件夹的方式保存，如图3所示。在三维仿真的符号化过程中，根据管井的类型、埋深等信息，利用已经建立的三维管井模型符号库，比如:三通井选择三通的三维符号，有时三通井不正规，要根据管井所在的管线之间的角度，选择具体近似的三通井符号，从而将管井要素三维符号化。

图2 管井设备模型

图3 管井模型库型

图4 圆形管线模型

三维管线根据管线的横断面形状，大致可分为方形管和圆形管两类，这两类管线的三维建立可以采用Skyline中的BOX和Cylinder的方式来实现。其中方形管模型主要通过BOX方式来实现，BOX的长和宽从管线断面的长宽获取。圆形管模型主要通过Cylinder的方式来实现，将管线的外环划分成多个片面，片数越多，描述的越准确，通过这些片面的组合形成一个圆柱体从而实现圆形管的三维模型，如图4所示。在管线的三维模拟过程中，根据管线端点坐标以及管径，获取创建方形管CreateBox与创建圆形管CreateCylinder的方法需要的参数，例如圆形管所需参数为两端点的坐标值、管径、埋深、地面高程、片面数目、管线颜色、名称等。在管网数据库中，一般管线和管井名称都是唯一的，创建的三维管井和三维管线的名称要求跟二维数据库中的名称保持一致，如图4中的兴昌南路B0049－兴昌南路B0047名称就是直接从二维管线中获取。这样三维管线的各类属性管理完全可以与数据库中的管网数据实现统一管理。三维管线生成流程如图5所示。

图5 三维管线生成流程图

4 系统总体结构设计

系统的总体设计采用多层的C/S体系结构，具体分为数据库服务层、数据接口层和三维应用层。

该系统数据库采用的是Oracle，管线和地形矢量数据的访问通过ArcGIS的ArcSDE数据库引擎来实现。数据库按照管线建库原则存储了管线的点位信息以及属性信息［3］。三维应用层通过数据接口层访问数据库中的管线数据，根据需要选择需要模拟的管线范围，即时实现三维管线的模拟并且呈现给用户，如图6所示，在二维GIS库中选中范围后，在窗口中选择相应方法即可生成该范围内的三维管线。

图6 三维管线模拟工具

总体结构设计如图7所示。

图7 系统总体结构设计

该系统采用二维与三维交互的方式实现三维管线数据的浏览，其中三维地形场景来自于Skyline的TerraBuild根据影像和DEM打包制作的Mpt文件。

图8 二三维管线互定位

二维采用VS2008+ArcEngine方式实现二维数据浏览和管理;三维采用VS2008+Skyline PRO5.1.1接口实现三维管线的生成和三维场景的浏览，同时通过两者的坐标关系实现二三维的数据相互联动，通过二三维窗口的切换，实现二三维互定位，效果如图8所示。

用户在二维管网图上选择指定区域的管线数据，通过三维管线模拟工具，动态实现所选区域三维管线场景，调节三维地形场景的透明度，效果如图9所示。

图9 三维管线效果图

三维管线系统充分挖掘仿真在管网中的作用，再现真实的三维管网场景，提供基于三维地形场景的导航、飞行等等三维操作功能。同时提供了基于三维管网的辅助分析功能，在三维窗口中选择管线，再通过调用二维管网数据库，能够进行管网的水平净距、垂直净距分析，纵横断面分析等等功能，如图10所示。

图10 管线分析

5 结语

(1)本文提出了一套完整的城市三维综合管线的解决方法。通过城市地下管线三维系统的建立，可以通过探测数据入库，然后根据条件选择范围，直接模拟生成城市地下管线三维数据模型，建立一个接近客观世界的真实的地下三维管线，减少工作量。

(2)这种三维建模方式是切实可行的，能够高效快速的建立大场景的城市三维管线数据，直观快速地显示和浏览三维信息，能满足城市三维建模的需求。

(3)今后城市地下管线三维信息系统研究将更加着重于还原一个真实与客观的地下管线埋设现场，可以参考地下周围地形和建筑，并实现二、三维数据联动，能随意地修改规划方案，改变管道埋设深度，改变管道连接方式、改变管道埋设走向等，这样不同的规划、不同的方案设计意图通过三维建模实时地反映出来，为城市规划工作提供参考性决策依据。

［1］刘新，刘文宝，李成名等.三维GIS中位置关系的定性描述与推理［J］.测绘学报，2008(4)

［2］CJJ61－2003.城市地下管线探测技术规程［S］.

［3］赫建忠，李成名，印洁等.城市综合管网地理信息系统的建立［J］.工程勘察，2002(3)