城市地下管线的三维可视化研究

摘要：地下管线是城市赖以生存和发展的物质基础，是“数字城市”的重要组成部分，对其三维模型的可视化和空间分析的研究具有十分重要的现实意义。本论文着重讨论了管线模型和地形模型的构造和可视化方面的一些基本理论和算法，在总结已有工作的基础上，运用OpenGL的图形库和VC++6.0开发了一个实用的“三维管线模型的可视化和空间分析”软件包。

关键词：地下管线；管线模型；地形模型；三维可视化

众所周知，管线在空间的分布纵横交错、错综复杂。以平面图来表示管线已是不够充分。尤其是城市地下管线。本文主要将研究地下管线的真三维可视化，采用SQL Server数据库技术、虚拟现实技术（Virtual Reality）、Visual C++面向对象编程技术，为管线管理提供一种交互沉浸式漫游和实时动态查询，将隐藏于地下的管线清晰、直观地呈现在管线管理用户面前，提高管线管理、规划效率，便于领导层的分析与决策。

一、三维管线空间数据结构

管线按其数据类型划分为不同管网层，如给水管网层、排水管网层、燃气管网层等，每一类管线的数据存储类型略有区别，但数据结构基本相同。管网层内的管线可以细分，存储时以不同类型码和颜色表示。基于管线数据层次－网络模型，管线数据结构近似为树形结构，叶结点有所合并，有利于节省存储空间。树中所有结点的数据以表或文件的形式存储，同一结点的空间数据和属性数据分开存储。每种管线的管点平面坐标、埋深、颜色、半径等为空间数据，它是管线建模与三维显示的基本信息。管材、受控阀门、建埋时间、所属街道等为属性数据，存储在关系数据库的若干属性表中，为查询、检索等操作提供详尽的数据库信息。两种数据通过一个公共标识符连接起来。若是大范围的管线数据，图层可以划分为若干图幅进行存储与索引。主要的空间数据文件结构如下所示。 管网层空间数据文件结构：

管线空间数据文件结构：

管线段空间数据文件结构：

附属设施空间数据文件结构：

管点空间数据文件结构：

二、管线模型的交互查询与空间分析 1、三维交互查询

查询地下管线与查询建筑物完全不同，由于建筑物是在地表之上，选中建筑物并实现对目标的唯一性选取的过程，是对可见点的判断，可见点不受其他物体的遮挡；而地下管线是在地表面之下，被地面所遮挡。因此要完成对管线物体的查询，必须准确地选中管线。本文使用了融合、间接选取法和直接选取法进行管线查询，且编制了相应的算法。 2、管线空间分析

空间分析是地理信息系统的主要特征，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一。空间分析是基于地理实体对象的位置和形态特征的数据分析技术，

其目的在于提取和传输空间信息。管线空间分析功能一般包括横纵断面分析，爆管分析、缓冲区分析、安全间距分析等。由于这三种分析在平面管线系统中已经做的相当美观适用，三维管线中作出的效果难出其右，故主要在三维管线控件中完成安全间距分析。由于本文篇幅有限，故不再详述。 三、三维地下综合管网管理信息系统控件开发

根据前面论述的有关理论与方法，作者在windows平台上，开发了一个实用的三维管线控件。并与平面管线系统相集成，完成了三维地下综合管网管理信息系统。

1、系统的功能结构

该系统在功能上主要有数据输入、地图操作、地图编辑、地图查询、地图量测、爆管分析、横断面分析、图层管理、三维全局浏览、三维查询、安全间距分析等功能。系统是针对某一中小型企业的地下管线，数据量没有城区的数据那么庞大，但是具有一定的代表性。对于属性数据和矢量数据分别存储与管理，以ID号予以连接。其中属性数据存储在外部数据库（Access数据库）中由系统对其进行连接和管理，保证了属性数据的安全性。平面系统与三维控件分别开发，统一集成，充分发挥了二维平面图直接明了和三维立体图的直观形象的特点。平面管线开发语言采用Visual Basic 6.0，控件开发选用MapX4.0，三维管线开发采用Visual C++ 6.0、使用OpenGL作为图形引擎。 2、控件接口与模块 （1）可视化模块

本模块运用类CMifRead将MapInfo导入的管线平面数据（包括深度信息）整理归类，输入到CVRLineObject类中，该类是基于CObject类的，它的功能是计算三维虚拟管线在三维空间中的坐标。基本思路是将管线表面分段构造成众多的三角形，通过OpenGL三维显示方式将管线在屏幕上输出来，本模块就是要计算众多三角形的空间坐标。

（2）全局实时浏览模块

将管线及其它建筑物的数据输入到系统中后，在视窗中以三维显示方式输出，用户可以使用鼠标和键盘随心所欲地观看自己想了解的管线物体等。鼠标左键控制视线的前进与后退；鼠标右键控制视线的原地转向；上下左右键控制视线的左右平移、升高与降低；insert和delete键可使视线原地不动，三维场景绕其中心旋转；home和end键控制俯视与仰视的角度变化；整个地区的三维模拟真实概貌将在用户的步进中由远至近的显示。 （3）管线查询模块

在三维管线实时浏览过程中，可用鼠标在屏幕上选中管线（被选管线以红色显示），查询数据库中保存该管线的所有信息。 （4）安全间距检查模块

在系统操作界面上打开管线三维显示图，用鼠标选择所要检查的两条管线，计算出选中管线间的最短距离，判断是否满足管线安全铺设的要求。

图1：平面管线显示界面图

图2：三维管线显示界面图 四、结语

就目前发展情况来看，管线管理信息系统在理论和实践中正处于一个迅速发展阶段，研究工作只是刚刚开始，本文对管线管理信息系统的开发方法和功能实

现还不够深入，有一些问题有待进一步深入研究。比如基于网络模式的地下管线管理信息系统的研究、管网资源分配的研究、人工智能/专家系统的应用。但地下管线作为“数字城市”的重要组成部分，是城市赖以生存和发展的物质基础，对地下管线三维模型的研究是数字城市深入研究的必然发展趋势。 参考文献：

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[3]龚健雅 编著. 地理信息系统基础. 北京：科学出版社 2001

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