城市地下管线三维建模关键技术研究
来源：《测绘通报》2017年第5期
作者：卢丹丹、谭仁春、郭明武、李鹏鹏
摘要 随着城市地下管线信息化管理、表达和应用从二维向三维延伸，本文结合武汉市地下管线三维模型建设工作，在开展了大量研究与实践的基础上针对地下管线三维建模的高精度自动化、局部更新快速化和地上地下一体化等关键技术提出了一些新的方法与思路，为国内其他城市开展类似工作提供了参考。
利用三维可视化和虚拟现实技术，开展地下管线三维模型重建，能够直观再现地下管线间纵横交错、上下起伏的空间位置关系，解决传统二维管线空间关系不明晰、显示效果不直观等问题，为辅助地下管线、综合管廊和海绵城市的规划建设、合理集约利用地下空间、保障管线安全提供有效的技术支撑，因此，城市地下管线的信息化管理、表达与应用正经历着从二维到三维的跨越。
随着国办发〔2014〕27 号和建城〔2014〕179 号文件的下发，建立地下管线三维模型和开发三维管线信息系统成为全国管线普查工作的重要内容之一。 目前，国内的地下管线三维模型重建一般采用手动(如利用3ds Max 等建模工具)、半自动(如程序+建模工具的方式)和自动建模3 种方式，以满足地下管线的三维浏览、查询、分析与应用需求，但或多或少存在三维管线模型精度不够、建模效率不高、与地上三维模型不能衔接一致、更新维护烦琐和三维展示效果单一等问题。随着虚拟现实技术的快速发展和地下管线三维应用的不断深化，地下管线三维建模正朝着高精度自动化、局部更新快速化和地上地下一体化等方向发展。 笔者结合武汉市正在开展的地下管线普查及三维信息化建设工作，重点针对地下管线三维建模工作提出一些新的思路和方法，为国内其他城市开展类似工作过程提供参考。
地下管线三维建模的关键技术包括很多，本文主要在开展了相关研究与实践的基础上，针对地下管线三维建模的技术方法、更新手段和展示应用等方面，结合武汉市实际情况，提出如下关键技术。
1.1 高精度自动三维建模技术
地下管线三维建模的依据是管线普查数据ꎬ管线普查数据由管点和管线段组成，对象多，数据量大;同时，地下管线三维模型成果一般应用于工程级项目，对三维模型的细节和精度要求较高。 采用手动或半自动建模虽然精度可以满足要求，但存在效率低、成本高和周期长等问题，高精度自动建模成为地下管线三维建模的首选技术方法。
笔者研究了一套高精度自动三维建模的技术方法与流程， 自动建模思路是利用二维管线普查数据，根据各类管线点和管线段的特点，采用不同方式，通过空间、属性和材质信息映射ꎬ实时驱动生成地下管线三维模型。 其建模方法是针对形态规则且结构单一的管线段，通过二维管线段的定位、管径和材质信息映射，利用OpenGL 实时绘制三维管线段，针对形态不规则但可复用的管线点，如阀门、消防栓、接线箱等，通过预先建立高精度的三维模型构件库，经过二维管线点的定位、定向和类型信息映射，实时生成三维管线点；针对形态规则但不可复用的管线点，如变径、弯头、三通等ꎬ经过二维管线点的定位、定向、管径和材质信息映射，分别建立主管和支管模型，通过OpenGL 布尔运算，并集剖切连接形成完整的实体模型，具体建模流程如图1 所示。
图1 地下管线高精度自动三维建模流程
1.2 三维模型局部快速更新技术
随着城市建设的快速发展，地下管线建设的速度和频率也在不断增强，传统的手动三维更新或整体覆盖更新的方式已不适用于地下管线三维模型的管理和应用。 随着计算机软硬件和三维可视化技术的不断发展，地下管线三维模型的局部快速更新成为管线三维模型更新的主要方式。
笔者通过武汉市地下管线三维模型应用的实际需求，研究出一套可在不关停数据服务器的前提下，进行任意范围内的管线数据局部在线更新。 具体思路是在地下管线高精度自动三维建模的基础上，通过对二维管线普查数据库的自动探测，提取二维管线数据库更新信息，主动在三维系统中进行单体管线模型及其附属设施的重建；因管网中管线的增加或减少导致其拓扑结构发生变化，自动建模工具也会同步更新其拓扑关系，精细化地建立管段和拓扑连接关系驱动的管点三维实体模型， 在不影响日常使用的前提下，实现三维管网模型的局部高效更新，保证了三维模型与二维属性数据的严格一致，为基于三维的管线管理和分析提供了高时效性的数据基础。
1.3 地上地下三维模型无缝集成技术
城市地下管线三维模型的展示和应用离不开对地上三维模型的集成，由于城市地上三维模型通常在源数据精度、建模方法和模型精度要求等方面与地下管线三维模型不一致，直接导致地上地下三维模型在集成应用中经常出现平面和高程位置冲突的现象，迫使地上或地下三维模型必须修改或重建。笔者在总结了武汉市地上地下一体化集成经验的基础上，针对当前主流的城市地上现状三维建模方法，提出一套地上地下三维模型无缝集成技术路线。
1.3.1 针对CAD 建模方式
在源数据的选择上，由于制作管线三维模型的源数据是1 ∶ 500 管线普查成果，比常规CAD 建模方式制作的地上三维模型的源数据1 ∶ 2000 地形图精度高， 因此，为了实现地上地下的无缝衔接，基于CAD 方式的地上三维建模的源数据精度应与管线普查成果精度一致， 特别是与地下管线平面重叠最多的交通设施三维模型，应严格选择1 ∶ 500 地形图或DEM 作为源数据进行三维建模，以保证地上三维模型成果精度与地下管线模型成果精度的一致(如图2 所示)。
在建模流程上，交通设施是现代城市的主要骨架，是城市三维模型平面和高程坐标控制的关键，也是与地下管线三维模型平面重叠最多的，因此，应先从交通设施三维模型上把握城市骨架的高程精度，再通过交通设施控制地面高程精度，最后通过地面高程精度控制地面建模对象的接地点高程精度，最终实现地面高程精度与地下管线高程精度的统一与衔接。
1.3.2 针对低空无人机倾斜摄影三维建模方式
无人机技术和倾斜摄影测量三维建模软件的飞速发展推动了倾斜摄影测量在城市地上现状三维建模中的应用。全国很多城市(如广州、天津和武汉等)都开始利用无人机倾斜摄影方式建立城市地上三维模型， 由于无人机低空倾斜摄影具有精度高、比例尺大的特点，且能够构建高精度DEM 数据，因此，在无人机倾斜摄影制作的地上三维模型场景下展示三维管线时，地下管线三维模型的高程信息由低空无人机倾斜摄影制作的DEM 数据拟合确定，通过程序自动控制匹配ꎬ以实现地上地下三维模型的无缝集成。
1.4 三维模型展示与表达技术
为了优化三维模型展示效果，城市地上三维模型通常采用构建天空球、打灯烘烤等方式增强真实感，地下管线由于具有隐蔽性和离散性的特点，在三维信息展示和信息解译方面比地上困难，因此，更需要通过附加手段优化三维模型展示与表达效果。
1.4.1 通过构建路槽增强不同管线间的立体关系
地下管线三维模型的展示背景通常采用黑色或其他纯色，管线三维立体效果不能充分得到展现。笔者在武汉市地下管线三维模型展示和应用的实践中发现，通过构建路槽的展示方式可大大提升地下管线三维模型不同对象间的立体关系，图3 为不构建路槽和构建路槽两种方式的三维展示效果对比。
图3 有无路槽管线三维模型效果对比
1.4.2 通过Shader 技术实现管线光影效果
Shader(渲染或称着色)是一段能够针对三维对象进行操作、并被GPU 所执行的程序，通过这些程序，程序员就能够获得绝大部分想要的三维图形效果。 笔者将Shader 技术应用于管线三维模型展示，不需要打灯烘烤制作贴图，即可实时产生管线三维模型的自带光影效果，大幅提高了管线三维模型的显示效果， 图4 为有无Shader 技术下的管线三维模型效果对比。
图4 有无Shader 管线三维模型效果对比
针对上述关键技术的研究，笔者已进行了相关开发和实践，目前研究成果已经应用于武汉市城市地下管线综合信息平台建设工作中并取得了很好的效果，具体应用实例如图5 所示。
图5 武汉市城市地下管线综合信息平台
本文主要结合武汉市地下管线三维模型建设工作，针对地下管线三维建模的关键技术提出了一些思路和方法，并进行了针对性的研究与实现，实践证明是可行的。 目前，全国正在大力开展城市地下管线普查与三维信息化建设工作，本文提出的一些关键性技术可为其他城市提供一定的参考。
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