盧丹丹，譚仁春，郭明武，李鵬鵬

(1. 武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430022)

城市地下管線(xiàn)三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究

盧丹丹1,2，譚仁春1,2，郭明武1,2，李鵬鵬1,2

(1. 武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430022)

隨著城市地下管線(xiàn)信息化管理、表達(dá)和應(yīng)用從二維向三維延伸，本文結(jié)合武漢市地下管線(xiàn)三維模型建設(shè)工作，在開(kāi)展了大量研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)地下管線(xiàn)三維建模的高精度自動(dòng)化、局部更新快速化和地上地下一體化等關(guān)鍵技術(shù)提出了一些新的方法與思路，為國(guó)內(nèi)其他城市開(kāi)展類(lèi)似工作提供了參考。

地下管線(xiàn)；三維建模；關(guān)鍵技術(shù)；自動(dòng)化建模；地上地下一體化

利用三維可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)展地下管線(xiàn)三維模型重建，能夠直觀再現(xiàn)地下管線(xiàn)間縱橫交錯(cuò)、上下起伏的空間位置關(guān)系，解決傳統(tǒng)二維管線(xiàn)空間關(guān)系不明晰、顯示效果不直觀等問(wèn)題，為輔助地下管線(xiàn)、綜合管廊和海綿城市的規(guī)劃建設(shè)、合理集約利用地下空間、保障管線(xiàn)安全提供有效的技術(shù)支撐。因此，城市地下管線(xiàn)的信息化管理、表達(dá)與應(yīng)用正經(jīng)歷著從二維到三維的跨越。

隨著國(guó)辦發(fā)〔2014〕27號(hào)和建城〔2014〕179號(hào)文件的下發(fā)，建立地下管線(xiàn)三維模型和開(kāi)發(fā)三維管線(xiàn)信息系統(tǒng)成為全國(guó)管線(xiàn)普查工作的重要內(nèi)容之一。目前，國(guó)內(nèi)的地下管線(xiàn)三維模型重建一般采用手動(dòng)(如利用3ds Max等建模工具)、半自動(dòng)(如程序+建模工具的方式)和自動(dòng)建模3種方式，以滿(mǎn)足地下管線(xiàn)的三維瀏覽、查詢(xún)、分析與應(yīng)用需求，但或多或少存在三維管線(xiàn)模型精度不夠、建模效率不高、與地上三維模型不能銜接一致、更新維護(hù)煩瑣和三維展示效果單一等問(wèn)題。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和地下管線(xiàn)三維應(yīng)用的不斷深化，地下管線(xiàn)三維建模正朝著高精度自動(dòng)化、局部更新快速化和地上地下一體化等方向發(fā)展。筆者結(jié)合武漢市正在開(kāi)展的地下管線(xiàn)普查及三維信息化建設(shè)工作，重點(diǎn)針對(duì)地下管線(xiàn)三維建模工作提出一些新的思路和方法，為國(guó)內(nèi)其他城市開(kāi)展類(lèi)似工作過(guò)程提供參考。

1 關(guān)鍵技術(shù)

地下管線(xiàn)三維建模的關(guān)鍵技術(shù)包括很多，本文主要在開(kāi)展了相關(guān)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)地下管線(xiàn)三維建模的技術(shù)方法、更新手段和展示應(yīng)用等方面，結(jié)合武漢市實(shí)際情況，提出如下關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 高精度自動(dòng)三維建模技術(shù)

地下管線(xiàn)三維建模的依據(jù)是管線(xiàn)普查數(shù)據(jù)，管線(xiàn)普查數(shù)據(jù)由管點(diǎn)和管線(xiàn)段組成，對(duì)象多，數(shù)據(jù)量大；同時(shí)，地下管線(xiàn)三維模型成果一般應(yīng)用于工程級(jí)項(xiàng)目，對(duì)三維模型的細(xì)節(jié)和精度要求較高。采用手動(dòng)或半自動(dòng)建模雖然精度可以滿(mǎn)足要求，但存在效率低、成本高和周期長(zhǎng)等問(wèn)題，高精度自動(dòng)建模成為地下管線(xiàn)三維建模的首選技術(shù)方法。

筆者研究了一套高精度自動(dòng)三維建模的技術(shù)方法與流程。自動(dòng)建模思路是利用二維管線(xiàn)普查數(shù)據(jù)，根據(jù)各類(lèi)管線(xiàn)點(diǎn)和管線(xiàn)段的特點(diǎn)，采用不同方式，通過(guò)空間、屬性和材質(zhì)信息映射，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)生成地下管線(xiàn)三維模型。其建模方法是針對(duì)形態(tài)規(guī)則且結(jié)構(gòu)單一的管線(xiàn)段，通過(guò)二維管線(xiàn)段的定位、管徑和材質(zhì)信息映射，利用OpenGL實(shí)時(shí)繪制三維管線(xiàn)段；針對(duì)形態(tài)不規(guī)則但可復(fù)用的管線(xiàn)點(diǎn)，如閥門(mén)、消防栓、接線(xiàn)箱等，通過(guò)預(yù)先建立高精度的三維模型構(gòu)件庫(kù)，經(jīng)過(guò)二維管線(xiàn)點(diǎn)的定位、定向和類(lèi)型信息映射，實(shí)時(shí)生成三維管線(xiàn)點(diǎn)；針對(duì)形態(tài)規(guī)則但不可復(fù)用的管線(xiàn)點(diǎn)，如變徑、彎頭、三通等，經(jīng)過(guò)二維管線(xiàn)點(diǎn)的定位、定向、管徑和材質(zhì)信息映射，分別建立主管和支管模型，通過(guò)OpenGL布爾運(yùn)算，并集剖切連接形成完整的實(shí)體模型。具體建模流程如圖1所示。

圖1 地下管線(xiàn)高精度自動(dòng)三維建模流程

1.2 三維模型局部快速更新技術(shù)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下管線(xiàn)建設(shè)的速度和頻率也在不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)的手動(dòng)三維更新或整體覆蓋更新的方式已不適用于地下管線(xiàn)三維模型的管理和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和三維可視化技術(shù)的不斷發(fā)展，地下管線(xiàn)三維模型的局部快速更新成為管線(xiàn)三維模型更新的主要方式。

筆者通過(guò)武漢市地下管線(xiàn)三維模型應(yīng)用的實(shí)際需求，研究出一套可在不關(guān)停數(shù)據(jù)服務(wù)器的前提下，進(jìn)行任意范圍內(nèi)的管線(xiàn)數(shù)據(jù)局部在線(xiàn)更新。具體思路是在地下管線(xiàn)高精度自動(dòng)三維建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)二維管線(xiàn)普查數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)探測(cè)，提取二維管線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)更新信息，主動(dòng)在三維系統(tǒng)中進(jìn)行單體管線(xiàn)模型及其附屬設(shè)施的重建；因管網(wǎng)中管線(xiàn)的增加或減少導(dǎo)致其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，自動(dòng)建模工具也會(huì)同步更新其拓?fù)潢P(guān)系，精細(xì)化地建立管段和拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)三維實(shí)體模型。在不影響日常使用的前提下，實(shí)現(xiàn)三維管網(wǎng)模型的局部高效更新，保證了三維模型與二維屬性數(shù)據(jù)的嚴(yán)格一致，為基于三維的管線(xiàn)管理和分析提供了高時(shí)效性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 地上地下三維模型無(wú)縫集成技術(shù)

城市地下管線(xiàn)三維模型的展示和應(yīng)用離不開(kāi)對(duì)地上三維模型的集成，由于城市地上三維模型通常在源數(shù)據(jù)精度、建模方法和模型精度要求等方面與地下管線(xiàn)三維模型不一致，直接導(dǎo)致地上地下三維模型在集成應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)平面和高程位置沖突的現(xiàn)象，迫使地上或地下三維模型必須修改或重建。筆者在總結(jié)了武漢市地上地下一體化集成經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前主流的城市地上現(xiàn)狀三維建模方法，提出一套地上地下三維模型無(wú)縫集成技術(shù)路線(xiàn)。

1.3.1 針對(duì)CAD建模方式

在源數(shù)據(jù)的選擇上，由于制作管線(xiàn)三維模型的源數(shù)據(jù)是1∶500管線(xiàn)普查成果，比常規(guī)CAD建模方式制作的地上三維模型的源數(shù)據(jù)1∶2000地形圖精度高。因此，為了實(shí)現(xiàn)地上地下的無(wú)縫銜接，基于CAD方式的地上三維建模的源數(shù)據(jù)精度應(yīng)與管線(xiàn)普查成果精度一致。特別是與地下管線(xiàn)平面重疊最多的交通設(shè)施三維模型，應(yīng)嚴(yán)格選擇1∶500地形圖或DEM作為源數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，以保證地上三維模型成果精度與地下管線(xiàn)模型成果精度的一致(如圖2所示)。

圖2 CAD建模方式下地上與地下管線(xiàn)三維模型集成展示效果

在建模流程上，交通設(shè)施是現(xiàn)代城市的主要骨架，是城市三維模型平面和高程坐標(biāo)控制的關(guān)鍵，也是與地下管線(xiàn)三維模型平面重疊最多的，因此，應(yīng)先從交通設(shè)施三維模型上把握城市骨架的高程精度，再通過(guò)交通設(shè)施控制地面高程精度，最后通過(guò)地面高程精度控制地面建模對(duì)象的接地點(diǎn)高程精度，最終實(shí)現(xiàn)地面高程精度與地下管線(xiàn)高程精度的統(tǒng)一與銜接。

1.3.2 針對(duì)低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模方式

無(wú)人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影測(cè)量三維建模軟件的飛速發(fā)展推動(dòng)了傾斜攝影測(cè)量在城市地上現(xiàn)狀三維建模中的應(yīng)用，全國(guó)很多城市(如廣州、天津和武漢等)都開(kāi)始利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影方式建立城市地上三維模型。由于無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影具有精度高、比例尺大的特點(diǎn)，且能夠構(gòu)建高精度DEM數(shù)據(jù)，因此，在無(wú)人機(jī)傾斜攝影制作的地上三維模型場(chǎng)景下展示三維管線(xiàn)時(shí)，地下管線(xiàn)三維模型的高程信息由低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影制作的DEM數(shù)據(jù)擬合確定，通過(guò)程序自動(dòng)控制匹配，以實(shí)現(xiàn)地上地下三維模型的無(wú)縫集成。

1.4 三維模型展示與表達(dá)技術(shù)

為了優(yōu)化三維模型展示效果，城市地上三維模型通常采用構(gòu)建天空球、打燈烘烤等方式增強(qiáng)真實(shí)感，地下管線(xiàn)由于具有隱蔽性和離散性的特點(diǎn)，在三維信息展示和信息解譯方面比地上困難，因此，更需要通過(guò)附加手段優(yōu)化三維模型展示與表達(dá)效果。

1.4.1 通過(guò)構(gòu)建路槽增強(qiáng)不同管線(xiàn)間的立體關(guān)系

地下管線(xiàn)三維模型的展示背景通常采用黑色或其他純色，管線(xiàn)三維立體效果不能充分得到展現(xiàn)。筆者在武漢市地下管線(xiàn)三維模型展示和應(yīng)用的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)構(gòu)建路槽的展示方式可大大提升地下管線(xiàn)三維模型不同對(duì)象間的立體關(guān)系，圖3為不構(gòu)建路槽和構(gòu)建路槽兩種方式的三維展示效果對(duì)比。

圖3 有無(wú)路槽管線(xiàn)三維模型效果對(duì)比

1.4.2 通過(guò)Shader技術(shù)實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)光影效果

Shader(渲染或稱(chēng)著色)是一段能夠針對(duì)三維對(duì)象進(jìn)行操作、并被GPU所執(zhí)行的程序。通過(guò)這些程序，程序員就能夠獲得絕大部分想要的三維圖形效果。筆者將Shader技術(shù)應(yīng)用于管線(xiàn)三維模型展示，不需要打燈烘烤制作貼圖，即可實(shí)時(shí)產(chǎn)生管線(xiàn)三維模型的自帶光影效果，大幅提高了管線(xiàn)三維模型的顯示效果。圖4為有無(wú)Shader技術(shù)下的管線(xiàn)三維模型效果對(duì)比。

圖4 有無(wú)Shader管線(xiàn)三維模型效果對(duì)比

2 應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，筆者已進(jìn)行了相關(guān)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐，目前研究成果已經(jīng)應(yīng)用于武漢市城市地下管線(xiàn)綜合信息平臺(tái)建設(shè)工作中并取得了很好的效果。具體應(yīng)用實(shí)例如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要結(jié)合武漢市地下管線(xiàn)三維模型建設(shè)工作，針對(duì)地下管線(xiàn)三維建模的關(guān)鍵技術(shù)提出了一些思路和方法，并進(jìn)行了針對(duì)性的研究與實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐證明是可行的。目前，全國(guó)正在大力開(kāi)展城市地下管線(xiàn)普查與三維信息化建設(shè)工作，本文提出的一些關(guān)鍵性技術(shù)可為其他城市提供一定的參考。

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Research on the Key Technology of Urban Underground Pipeline Three-dimensional Modeling

LU Dandan1,2,TAN Renchun1,2,GUO Mingwu1,2,LI Pengpeng1,2

(1. Wuhan Geomatics Institute, Wuhan 430022, China; 2. Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying,National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation,Wuhan 430022, China)

With the management, expression and application of urban underground pipeline information from 2D to 3D,in this paper, combined with the construction of three-dimensional model of underground pipeline in Wuhan city, on the basis of a lot of research and practice, some new methods and ideas are put forward for the key technologies of 3D automatic, fast update and integrated modeling of the underground pipelines, to provide a reference for other cities in China to carry out similar work.

underground pipeline; three-dimensional modeling; key technology; automatic modeling; integration of ground and underground

盧丹丹，譚仁春，郭明武,等.城市地下管線(xiàn)三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(5)：117-119.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0168.

2016-11-08；

2016-12-26

精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(PE2011-27)

盧丹丹(1981—)，女,碩士生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槿S地理信息系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。E-mail：redearth1995@126.com

P208

A

0494-0911(2017)05-0117-03