三维城市地下管网规划辅助系统研究

陶迎春，郑国江，杨伯钢

一、引 言

城市地下管网包括给水、排水、燃气、热力、电信、电力、工业管道等多种类型，是城市内极其重要的基础设施。随着城市建设的日益现代化，地下管线设施种类越来越多、数量也越来越庞大，形成了错综复杂、密如蛛网的局面［1］。如果没有一套完整准确的信息资料和科学的管理方法，要想使其正常运转和预防事故发生极其困难。尤其在市政管线的规划过程中，如果不能掌握既有管道的位置及走向，则新规划管线很有可能与旧有管线冲突，从而增加铺设难度，甚至使规划失败［2］。传统的市政管线的规划设计及审批主要依靠多专业叠合的二维“平面图+剖面图”，图面繁乱，不够直观，对于多管交叉的复杂部位表达不够充分，且难以进行全面的分析［3］。而三维技术恰恰能弥补这些缺点，在地下管网的展示及规划管理中更具优势。因此，迫切需要建立内容综合、分析准确、形象直观的三维城市地下管网规划辅助系统，将“看不见、摸不着”的地下管线形象、直观、快速地展示，并提供多样化的分析功能，为市政管线的规划、审批、管理提供定性、定量、定位的科学辅助决策信息［4］。

二、三维管网快速建模及场景组织

1.三维管网快速建模

现有地下管线数据多采用通用二维矢量形式存储，按照管线种类分为8类，每一类管线数据又包括点状管点和线状管线数据两种。为实现三维管网可视化，需要基于二维数据进行三维建模［5-6］。本文中采用管点三维符号化和管段自动生成的方式构建三维管网场景，其实现流程如图1所示。

图1 三维管网快速建模流程

三维管网快速建模主要分为数据标准化和三 维模型自动生成两个阶段。数据标准化是将源数据进行处理，生成统一结构的数据（见表1）。对于管点模型自动化生成，首先将所有管点按照所匹配的模型进行三维符号化，然后对于管线连接类管点（如三通等），进一步按照管线方向、管径、高程等计算模型旋转角度和缩放比例，最终生成管点三维模型。对于管线模型自动化生成，首先将管线表面进行微分处理，即将每段管线以圆柱面或方柱面模拟，用多片的方式实现建模，其中方沟由4个片构成，圆管则将外环划分为8个片（片数越多，描述越精确）；然后在管线衔接处作圆滑处理，即为避免两段圆柱面相交，在管段首尾衔接处以圆弧拐角替代折线拐角，并将圆弧拐角细分后生成斜圆柱面，从而实现管线过渡圆滑、逼真形象（如图2所示）。

表1 用于三维建模的管网数据结构

图2 管点与管线三维模型

2.三维场景组织

对于大多数三维场景（尤其是地下管网）的渲染来说，三维场景数据的管理从来都是一个不可忽视的问题。成千上万的管点设施、管网和地面建筑场景数据，如果没有一个合适的场景组织结构设计，就无法有效地对它们进行管理，从而无法高效地渲染这些海量场景。

场景图是一种将场景中的各种数据以图的形式组织在一起的场景数据管理方式（如图3所示）。它是一个树状结构，根节点是整个场景，树中的每个节点可以有任意多的子节点，每个节点存储场景集成的数据结构，包括几何物体、光源、相机、声音、物体包围盒、变换和其他属性。在渲染过程中，按场景图的组织，按照深度优先的顺序对各个物体进行渲染，从而保证渲染的有序性［7］。场景图形除了提供几何和状态管理功能外，还具有场景拣选（投影剔除和隐藏面剔除）、细节层次（LOD）、透明渲染等附加特性和功能，以减轻系统负担、提升程序性能，保证场景高效渲染、正确显示。

图3 场景图组织示意图

三、地上地面地下一体化三维可视化

由于地下管线的复杂性，在地下管线信息管理系统中，没有地面地物的定位与参照，单靠三维地下管线是无法直观表达管线空间分布的，因此在地下管线管理系统中也要表达地上三维地物，如地面、建筑物等。本系统实现了对地下三维场景的3种表达方式，从而实现了完整的空间信息表达，方便查看地下管线与地面道路、地上建筑的相对位置，为地上地表地下一体化协同分析打下了基础。

1）地下镜头模式:该模式下，场景不仅绘制当前地面下的可见管线，还可根据当前视点内所能看到的场景范围，选择并绘制可见范围内的道路面、地上建筑等（如图4所示）。整个场景在视觉感受上趋于完整，不仅可看到地上景观，也可看到地下布局［8］。

图4 地上地面地下三维一体可视化场景

2）地表透明模式:地表透明模式是将地表材质采用半透明渲染，增加地下管线的可见度。该模式应用在地形平坦的区域较为适合，在地形复杂多变的山区丘陵地带将会因半透明三角形的排序问题产生一些视觉上的混乱，即远近景混淆。

3）地形开挖模式:地形开挖模式是一种较为成熟的地下设施表达方式，对某一区域按划定多边形进行地形开挖，开挖后的地形按指定深度进行沉降，此时原来位于地表以下的地下管线设施将呈现出来。

四、三维管网规划辅助分析

管线分析有横断面分析、纵断面分析、流通分析、连通分析、净距分析等几种空间分析模型［9-11］。目前国内较为常用的二维GIS管线分析平台受到其二维基础的限制，一些非常重要的分析功能如三维距离量算、管网碰撞检测等可用性和实用性不足，且表达不够直观。本系统针对以上问题，充分发挥三维GIS把地理数据展示在三维立体空间中、符合人类对地理空间认知、表现力强大的特点，在常见的管线分析基础上，进行了大量扩展。

1）立体横断面图及截面线距计算。横断面图示表示的是与给定切面相交的管线分布情况。传统的二维横断面图是一张二维图表，包括横轴（切线长度）、纵轴（高程）、地平线、管径、交点位置等几种要素。本系统除了生成传统的二维横断面图外，还生成了立体横断面图，在三维空间中显示管间距、管顶高、地面高，并提供了横断线距功能，可计算截面上两条管线的直线距离、水平距离、垂直距离（如图5所示）。

图5 立体横断面图

2）立体纵断面图及断面投影。纵断面图展示了某一条管线沿道路走向的埋设情况。传统的二维纵断面图包括横轴（沿管线走向长度）、纵轴（高程）、各管点高和地面高程。由于横轴与纵轴长度相差较大，一般选择不同的比例。本系统除了生成传统二维纵断面图，还生成了立体纵断面图，在三维竖直剖面显示管线的地面高程、管顶高程、埋深等属性信息。系统还开发了断面投影功能，即在作纵断面分析的基础上，将附近的管线水平投影到纵断面剖面上，以展示一定范围内沿管线方向的各管线段的埋深及位置关系（如图6所示）。

图6 立体纵断面图

3）流向、爆管等分析结果动态显示。流向分析按照给排水管的起止点高程信息，判断管网内部水流流向（由高到低），流向分析的结果采用三维动态箭头状纹理表现。爆管分析检索与某一管线周围最近的阀门及与阀门连接的管线，并且可以分析爆管影响的周边范围。传统爆管分析的结果一般是二维表格，显示相关阀门编号、管线编号及影响单位名称等。本系统在此基础上，用三维动画的效果来显示分析结果，如用动态烟雾标识事发点、用闪烁图片标识受影响用户，更为形象直观。

4）基于管间距分析的规划设计验证。管间距分析的数学模型是计算立体空间内两条线段的水平距离和垂直距离的。市政规划对不同类型管线间的间距阀值有明确的规定。本系统在管间距分析的基础上，可动态添加、导入多条管线，并进行规划设计验证，一次性计算各条规划管线与现状管线、建筑物的距离，从而选出不符合规定的管线。

5）地形挖洞及土方计算。土方计算是在DEM的支持下，根据挖洞形状和挖土厚度计算挖土总量。本系统在工程挖方计算的基础上，还利用三维场景中的地形开挖模式，展示挖洞的效果及洞内管线。

五、系统实现

结合城市地下管网规划编制、审批、决策的业务需求，在成熟的自主三维GIS平台CityMaker上开发针对管线的功能模块插件，最终将地上、地面、地下数据无缝集成在统一的三维GIS系统中，实现了城市地下管网数据的管理、规划分析、应用分析等。系统架构如图7所示。

图7 系统架构图

目前，该系统已获得了计算机软件著作权1项（证书号:软著登字第0379000号），并在北京市西城区规划分局的管线规划管理中得到了实际应用。通过专题数据共享结合实地调研，建立示范区（金融街范围，约631 km管线，近万个管点，2万余管段）的综合地下管网数据库。系统实现了海量地下管线数据的自动建模，三维浏览模式灵活、效率高、画面逼真，并实现了查询、辅助规划分析等应用功能，分析结果形象直观，有助于避免市政建设工程中道路的多次开挖，降低施工中地下设施的矛盾与事故隐患，提高管线工程规划设计、施工与管理的准确性和科学性，为城市地下空间的利用提供基础保障，节省规划审批中的挖路断面，确定管线走向的费用，缩短规划周期，减少了因规划决策造成的经济损失等，为城市地下管网的规划管理提供了极具价值的辅助决策信息。

六、结束语

本文通过管线数据自动化建模、地上地面地下三维一体化可视化、管线三维空间分析模型等研究，最终形成了三维城市地下管网规划辅助系统，为地下管线的科学管理提供了技术手段。系统研制过程中，根据管线数据的特点，提出了基于二维数据的三维管网快速建模流程，解决了管点、管线数据三维建模问题；基于场景图进行三维场景组织管理，显著提高了海量数据动态调用效率；通过地面透明、地下模式等多种形式显示三维场景，更加直观地体现管线周边空间信息；根据规划应用的需求，发挥三维立体展现优势，创新了管线分析结果的展现形式；采用基于三维GIS平台与扩展插件的应用开发模式，使得系统的搭建及扩展具有很高的灵活性。上述技术和所研制的三维城市地下管网规划辅助系统已经投入实际应用，验证了本文方法的正确性和系统的可行性、实用性。

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