来源：第三维度
    作者：李清泉  严勇 杨必胜 花向红

    摘 要: 地下管线是城市的重要基础设施，三维管线建模与可视化是构建三维“数字城市”，实现城市现代化管理中不可或缺的重要组成部分。本文首先介绍管线管理的现状，然后提出管线数据的层次模型和组织方式，研究地下管线的三维模型建立，提出分段渐次推算的模型计算方法，并简要介绍对管线的交互操作与遇到的问题及解决方案。最后介绍基于Visual C++和OpengGL技术所开发的系统与一些实验结果。

    1、前 言

    结合国外大型基础地理信息系统软件（如、ARC/INFO等）与可视化开发语言（VB、VC、Delphi等）进行集成式二次开发。武汉吉奥和中地公司以自主开发的GIS软件为平台，运用二次开发控件进行了管线信息系统的开发。这些系统除满足GIS基本功能外，还具有管线管理的专业功能，如断面分析、爆管分析等，但大多数系统是2D或2.5D的。管线在地下的分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。有些管线上下起伏，与地面垂直的一段管线在平面图上只能以一个点与相应注记来表示，视觉效果不直观。因此，在国内外竞相研制三维数码城市、三维数字小区的氛围下，研究三维管线成为必然趋势。

    尽管MAPINFO和ARC/INFO提供了简单物体的三维显示，但对现实世界的复杂三维关系不能详细描述与分析，更没有提供面向三维管线的建模工具。中地公司的管线信息系统具有管线的真三维图形显示漫游和局部简单查询，缺乏对三维管线的拓扑分析。VRMap是北京灵图公司自主开发的三维GIS软件系列产品，它对三维管线管理也作了一定的研究。迄今国内还没有文章详尽阐述三维管线建模与相关空间分析。国外学者Bürger[3]与ERMES[1] 以  近景摄影测量（close-range photogrammetry）技术与结构实体法CSG（Constructive Solid Geometry）可以重建3D管线模型。他们的研究对于显示化学工厂等地上错综复杂的管线很有效，但是，难以重建地下管线，且没有涉及大范围的管线管理。高速发展的现代化城市，其地下管线数据数量庞大、种类繁多，建立合理而有效的三维管线数据库是管线系统运行稳定和高效的保障。

    管线有地上的、半地上的结构，但大多位于地下，目前,地下管线多数以圆形管线为主。因此，本文主要介绍地下圆形管线的数据组织与三维可视化。文章将从以下几个方面进行阐述。首先，介绍管线数据模型和组织方式；其次介绍如何建立三维管线模型，提出模型的分段渐次推算方法；然后简要介绍对管线的编辑、查询、分析操作，其中遇到的问题及解决方案。最后介绍基于Visual C++和OpengGL技术所开发的系统与一些实验结果。

    2、管线数据组织

    2.1 数据模型

    目前，商用地理信息系统的数据模型主要采用拓扑关系模型和空间实体模型。拓扑关系模型主要采用POLYVRT结构，记录的是链（弧段）信息，不同的对象可以共用相同的结点，节省存储空间，但是结构比较复杂，数据的编辑和维护比较困难。而空间实体模型虽然会造成公共结点的重复存储，但是其结构化的实体模型使得对某个对象的更改不会影响到其它对象的定义，从而大大增强了空间数据的可维护性。针对管线数据的特殊性，结合上述两种模型的优点，作者提出一种管线数据层次模型(见图1)及相应的索引方式，既节省了存储空间，又便于数据的编辑和维护。

图1 管线数据层次模型
Fig.1 The Layer Model of pipeline data

    图1中,将城市地下管线分为以下七大类：给水、排水、燃气、热力、工业、电力和电信管线[5]。各大类还可以细分，如给水管线包括工业给水、生活给水和消防给水管线；排水管线包括污水和雨水管线。管线的几何基本数据可归纳为管线端点、结合点、变径点与附属设施特征点，此后统称为管点数据。管线形状多为树枝状、环状或辐射状，每一条管线可以根据交叉点和变径点分解成若干条管线段，交叉点处模拟现实情况，以三通、四通、阀门或变径接头等附属设施相连接，管线段是由相应管点数据的连接，组成一条不间断的管线段。因此，每一条管线可以抽象为由管线段和附属设施组成。

    2.2 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，这种方法符合实际情况，便于按各类管线的管理部门进行资料收集、建库和分层管理，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。基于管线数据层次模型，管线数据结构近似为树形结构，如图1，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。属性数据用现在流行的关系数据库SQL-Server来管理，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：