城市三维管线可视化技术
基于VTK的地下管线三维可视化研究与实现
江西理工大学建筑与测绘工程学院 邓 凯 蔡竹静
［ 摘 要］ 城 市地下管线的三 维可视 化能更准确的表达 管线对 象的 空间位 置以及 空间关 系， 能让用户更直观和 简单的理解专业的 空 间分析 结果 ， 本 文介绍 了Ｖ ＴＫ在地 下管线中的三 维可视化研 究与实现 。 ［ 关键词 ］ 开 源 ｖ ＴＫ 三 维可视化 地 下管线 城市地 下综合管 线是城市基础设 施 的重要组 成部分 ， 是 城市赖 以 生存 和发展 的物质基础 ， 是维持城市正常运转的“ 生命线” ， 一个城市地 下管线 的信息 化建设水平某种 程度反映 了该 市社会和经 济发展水平 。 随着 Ｇ Ｉ Ｓ 技术 发展和普 及 ， 很 多城市在管 线信息化 建设 的研 究和应用 上都取得 了一 定的成果 ， 但 由于技术 和经 济等原 因在 三维方面乏善 可 陈。然而相较于二维方式 ， 三维可视化能更直观的表达管线对象在真实 地理环境 中的空间关系 ， 也能让用户更直观和简单的理解专业 的空间分 析结果 ， 这些对于地下管 线的规划 、 管理和维护有着重大 的意 义。Ｖ Ｔ Ｋ 具有 开源 、 跨平 台、 并行处理等特 点 ， 而且在图形化速 度和容量上都拥有 很大的优势 ， 在国内研究时间虽然 比 较晚 ， 但推广和应用 的速度非常快 。 １ ． Ｖ Ｔ Ｋ技术介绍 Ｖ Ｔ Ｋ （ Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ０ ｎ Ｔ ｏ ｏ ｌ ｋ ｉ ｔ ） 是基 于 Ｏ ｐ ｅ ｎ Ｇ Ｌ ， 采用 面向对象 的编程 思 想， 主要用 于二维 和三维 图像可视 化的一个 免 费的 、 开源 的软 件工具 包 。Ｖ Ｔ Ｋ类 库 主要包 含 了 三个部 分 ： 计 算 机 图形显 示部 分 （ Ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｓ Ｍ ｏ ｄ ｅ １ ） 、 可 视化 处 理 部 分 （ Ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍ ｏ ｄ ｅ １ ） 和 图像 处 理 部 分 （ Ｉ ｍ ａ ｇ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ） 。它封装 了许多优 秀的图像处理 和图形 生成算法 ， 广泛应用 于医学 和科研 工作 中 ， 在医学影像成型 、 地质体三维模型等方面有显著 略 。弯 曲管线 由开始 断面 、 中间断面和终端断面组成 ， 中间断面是需要 进行 弯曲光滑 的地方 ， 弯 曲管 线的建模是对 管线衔接处 圆滑处理并形 成 需要的弯 曲管道 的过程 ， 可 以采用三维 中间线 分段插值１ ２ １ １ ４ １ 来进行弯 曲光滑处理 。如果 使用外部 导人 的管件模 型则可以直接使 用 ， 使用导 人 三维管件来进行弯 曲管线建模 。 ２ ． ２三维 管线模 型渲染 Ｖ Ｔ Ｋ采用流水线 Ｐ ｉ ｐ ｅ Ｌ ｉ ｎ ｅ 渲染数据对象 ， 分为五个 步骤 ： 第 一步 ： 源对 象 Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ） ， 通过对数 据对象 的转换 和读取 ， 转换成 一 个或多个数 据集对象 ， 它是所有数 据源的基类 ， 表示 为ｖ ｔ ｋ Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ； 通 过 特定源对象 读取器对地 下管线数据读取 和转换 ， 将从 空间数据库 中提 取出的要素置人 Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ 。 第二步 ： 过滤器对象（ Ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ） ， 派生于 ｖ ｔ ｋ Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ， 对一个或多个数据对 象进行过滤处理 ， 然后生成一个或 多个数据 对象 ； 源对象中的要素由多 种不 同的对象和多个 数据对象 ， 根 据其不 同的应 用需要进行过 滤输 出 对应数据对象 。 第三步 ： 映射器对象（ Ｍ ａ ｐ ｐ ｅ ｒ ） ， 不 同的数 据对象拥有不同的映射器 ， Ｍ ａ ｐ ｐ ｅ ｒ 是连接 Ｖ Ｔ Ｋ图形模型和可 视化模 型的桥梁 ， 它接 收过滤器对象 的成 果 。 产生 的数据对象 ， 转成 可绘制 的几何 图形和属性 ； 将过滤 的管线几何数 １ ． Ｉ Ｖ Ｔ Ｋ图形 模 型 据映射为 图形 ， 属性数据映射为属性 ， 三维模型映射为三维对象。 Ｖ Ｔ Ｋ提供 了９ 种 核心对象 ， 分别是 ： 角色（ Ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ） 、 灯 光（ Ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ １ 、 照相机 第 四步 ： 角色表达 对象（ Ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ） ， 表达 现实 中的实体 ， 从场景 角色派 （ Ｃ ａ ｍｅ ｒ ａ ） 、 特 性（ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙ ） 、 映射 （ Ｍａ ｐ ｐ ｅ ｒ ） 、 转 换（ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ） 、 渲 染（ Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ ） 、 生类 ｖ ｔ ｋ Ｐ ｒ ｏ ｐ 或ｖ ｔ ｋ Ｐ ｒ ｏ ｐ ３ Ｄ继承 ， 提供可 变换的角色表达效 果 ， 由渲染器 渲染窗 口（ Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ） 、 渲染交互控制 器（ Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗＩ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ） ， 直接加 载； 调整 地下管线的可视化效果 ， 改变各种 图形效果属性实现表 达。 图形模 型是图形对象输 出的关键 ， 它直接代表 了图形图像的可视化效果 。 第 五步 ： 渲 染器对 象（ Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ） ， 控制 目标 的渲染过程 ， 加载 １ ． ２ Ｖ Ｔ Ｋ 可 视化模 型——数 据对象模型 数据对象模型代表 了各种各样 的数据类 型 ， 在Ｖ Ｔ Ｋ中以 ｖ ｔ ｋ Ｄ ａ ｔ ａ Ｏ — 相机视 点 、 光照 、 设置位 置属性等 ， ｖ ｔ ｋ Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ 是渲染 器的基类 ， 所有 的 ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ 来说 明 ， 可以被看做是 Ｂ ｌ ｏ ｂ 数据 。在 Ｖ Ｔ Ｋ中可视化管线 中的数据 渲染器 对象都继承 自ｖ ｔ ｋ Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ ， 最后通过 Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ 方法将 效果可视化显 对象称 为数据集 ， 包含组织结构和数据属性 ， 组织结构又 由几何属性 和 示 出来 ； 将 角色对 象加载到渲染器对象 ， 设置相机视角和相关参数进行 拓扑结构构成 ， 几何属性表达 的是空 间位置特性 ， 而拓 扑结构 表和单 元 ， 单元 以格 网形 式存在 ， 点集则 是 ３ ． 管线三维可视化实现 格网的顶点。 管 线数据主要包 括管点和管线段 （ 管线组成 ） ， 对 管线的 Ｖ Ｔ Ｋ可视 属性数据 和几何属性 以及拓扑单元是 相关联 的， 对 数据体 的可 视 化是将得到 的管线 要素类数据加入 到 Ｖ Ｔ Ｋ流水线 中 ， 按 不同的需求进 化也包 含对 属性数据 的可视化信息显 示。按照数据 的性质不 同来分 ， 行渲染。 属性数据 可以分为标量 、 向量和张量数 据 ， 标量 只表示大小 ， 向量 既表 ３ ． １ 管 点的可视化 示大小又 表示方 向， 张量则 由矢量 与矩 阵组成 ， 可 以包含 ０ 维到 ３ 维的 管点是 比较 简单的一个几 何要素 ， 将 获取到 的管线 要素类点要 素 数据 。 的几何数据 和属性数据 存储在 ｖ ｔ ｋ Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ 中， 这就 完成 了ｖ ｔ ｋ Ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ 数 据 源的操作 ， 下面就实现 Ｖ Ｔ Ｋ流水线过程 。Ｖ Ｔ Ｋ 渲 染效果 的实现需要 考 ｆ ¨ ０ １ ２ ０１ ３ １ 当需要增加 三维构件模型 、 阀门等 的时候 ， 需 Ｓ ｔ ｕ 、 敏 １ ａ ２ ２ ８ ２ ＼ 虑管线数据 属性的需要 ， 。本文使用三维管道 阀门的方式将 管点 数据加载 量 ＿ Ｖ ， ｗ ’｛ａ ３ ， ａ ３ ２ ａ ３ ３｛ 要将管点显示为它们 到Ｖ Ｔ Ｋ环境 中， 通过改变 Ａｃ ｔ ｏ ｒ 的渲 染效 果来改 变最终的界面效果 。系 向量 统 中三 维管点以 ｖ ｔ ｋ Ｇ ｌ ｙ ｐ ｈ ３ Ｄ 来实现 ， 通过对 管点数据的建模 ， 使用 Ａ — （ ａ ） 属性标量 （ ｂ ） 属性 向量 （ ｃ ） 属性张量 ｔ ｏ ｒ 对象来设置管点 的相关 场景数据（ 如颜 色 、 大小 、 背景 、 偏移 度等） ， 最 图１ 属性数据 的分类 后通过 Ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ对 象在 窗口中可视化 出来 。 按 照数据集 的几何 特征和拓 扑单元 ， 数据集一 般包含 ６ 种数据对 ３ ． ２管线 的可视化 象 集类型 ， 分别 是影像数据集对 象 、 线性 网格数据集对象 、 结构化 网格 Ｖ Ｔ Ｋ 采用 ｖ ｔ ｋ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｌ ｉ ｎ ｅ 类来实现 三维线的显示 ， 但ｖ ｔ ｋ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｌ ｉ ｎ ｅ 不能直 数据 集对 象 、 非结构化点集对象 、 多边形面对象 以及非结构化 网格数据 接对 线要素进行渲 染 ， 因此我们采 取线要素 的开始和结束端 点集合成 集 对象 ， 分别 从规范 的数据 和不规范 的数据 、 点线面体对象数 据 、 网格 个 点集合 ｖ ｔ ｋ Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ， 使用 ｖ ｔ ｋ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｌ ｉ ｕ ｅ 作 为点元 Ｃ ｅ ｌ ｌ 来存储 点要素间 的 单 元线性 对象来进 行。 Ｉ Ｄ编号 ， 以便 于连接 ， 使用 ｖ ｔ ｋ Ｃ ｅ ｌ ｌ Ａ ｒ ｒ ａ ｙ 来加 载 Ｃ ｅ ｌ ｌ ， 最后 使用 ｖ ｔ ｋ Ｐ ｏ ｌ ｙ — ２ ． 三维管线建模 与渲染 Ｄ ａ ｔ ａ或 ｖ ｔ ｋ Ｕ ｎ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｅ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｄ ａ ｔ ａ 来 实 现 对 �
10_城市基础设施三维可视化管理平台简介
都市基础设施三维可视化管理系统（介绍）随着全球信息化的变革，科技的不停进步，三维模拟技术的合用领域也越来越广泛。
基础设施三维可视化管理系统（下列简称为可视化管理系统）是就对现在基础设施资源基础数据三维模拟的综合应用。
通过可视化管理系统的建立，模拟整全城的市貌，动态生成管网三维，并通过对基础设施的管理、分析，为基础设施建设、维护、指挥决策等各方面的应用提供根据。
可视化管理系统是将基础设施平面数据的三维可视化呈现，通过将平面数据以及三维数据动态的联动，增强了“所见即所得”的顾客体验。
能够通过属性查询来获取现在的三维信息，也能够通过三维图形获取对应的属性信息，达成真正的图文联动，“三维”和“属性”的互查；能够通过动态生产管网三维，展示现在管网的三维模拟效果，并在此基础上进行日常的测量、浏览、查询、分析等，加强了基础设施的数字化建设，为基础设施的建设、指挥决策提供了更加明了、更加形象的可视化根据。
可视化管理系统的建立是符合现在社会新潮、满足现在社会需要的新型产业软件，是三维模拟技术与数字化基础设施结合的产物，含有蓬勃的发展潜力。
一、系统目的建立可视化管理系统时，应在基础平台选择、数据规范、应用系统的可维护性和可扩充性等方面予以全方面的考虑和留有充足的余地，使之能随着前期目的的实现，有计划有环节地开展数据收集和建库工作，不停完善系统功效、扩大应用范畴，使系统逐步演进成一种更高层次的可视化管理系统。
结合市现在规划管理的业务特性，遵照求实可行的方针，以实用性、先进性、开放性、可靠性为原则，在统一的软硬件平台上，建立起可视化管理系统，具体目的重要有：建立多个建筑物、纹理材质以及管网附属设施模型库，是动态生成三维场景必不可少的一部分；建立三维的基础地形数据库；实现动态生成管网三维并建立对应的管网数据库；建立可视化管理系统，实现对都市管网属性的查询、管理，以及分析功效，为都市规划、建设提供决策根据和服务，为管网规划、抢险、改建、扩建等提供技术支持。
maptalks 三维管线实现原理
maptalks 三维管线实现原理maptalks是一款开源的地图可视化库，它通过使用JavaScript语言实现了三维管线的可视化效果。
在实现原理方面，maptalks主要借助了WebGL技术和数学模型来实现三维管线的展示。
WebGL是一种基于OpenGL ES的图形渲染API，它能够在网页上实现硬件加速的3D图形渲染，提供了强大的图形处理能力。
maptalks 利用WebGL技术，可以在网页上高效地渲染三维管线，实现流畅的地图可视化效果。
maptalks使用了数学模型来描述三维管线的形状和位置。
在三维空间中，管线可以用线段或曲线来表示，maptalks通过计算线段或曲线上的点的坐标，然后将这些点连接起来，就可以得到一个完整的管线。
为了实现更加真实的效果，maptalks还可以根据管线的属性，如颜色、透明度等，在渲染时进行相应的调整。
maptalks还支持对管线进行交互操作。
用户可以通过鼠标或触摸屏等输入设备，与地图上的管线进行交互。
例如，用户可以点击管线，弹出相关信息；也可以通过拖拽管线，改变其位置或形状。
这些交互操作都是通过事件监听和处理来实现的，maptalks提供了相应的接口和方法，使开发者可以方便地实现这些功能。
除了基本的三维管线展示功能，maptalks还提供了丰富的地图可视化效果和扩展能力。
例如，开发者可以在管线上添加标签、箭头等附加信息，以增强可视化效果；还可以在管线上添加动画效果，使地图更加生动。
此外，maptalks还支持与其他地图数据、GIS数据进行集成，以实现更复杂的地图可视化应用。
总结起来，maptalks通过WebGL技术和数学模型实现了三维管线的可视化效果。
它提供了丰富的功能和扩展能力，使开发者能够方便地创建各种各样的地图可视化应用。
无论是展示地下管线、地铁线路，还是模拟交通流量，maptalks都能够提供强大的支持，帮助开发者实现各种复杂的地图可视化需求。
城市地下管线三维自动化建模技术研究
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald91DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.18.091城市地下管线三维自动化建模技术研究张欣欣(台州市测绘管理办公室 浙江台州 318000)摘 要：本文针对当前城市建设进程中地下管线管理技术落后的问题，以浙江某项目为工程背景，提出对BIM软件进行二次开发，通过分别对不同类型管线、管线与附属物间以及不同附属物间进行碰撞检测，发现了多处碰撞点或者冲突点，结合实际情况进行分析，推测这些碰撞点可能是未探测区或者探测失误区，需要现场进行复测，修正错误数据，并更新模型，使得模型中的地下管线的空间位置与实际情况更加吻合，以便为后续的地下管线开挖和迁改提供依据。
关键词：地下管线 三维 BIM 建模中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)06(c)-0091-02城市综合地下管线在城市基础设施中占着举足轻重的地位，担负着城市的资源、能源、信息的传输，是城市正常运行的重要保障，被形象地称为城市的“生命线”。
随着城市化进程的加快，地下管线逐渐增多，它们错综复杂，相互交叉，出现了“密、乱、老”等状况，困扰着地下管线的管理工作。
在建设施工过程中，经常出现误判挖断地下管线的情况，造成停水、断电、爆炸、火灾等事故，严重影响居民的日常生活及社会经济的发展。
落后的管线管理及现有的管线探测技术与高速发展的城市之间存在的矛盾日益尖锐，亟需解决。
本文以浙江某项目为例，通过物探方法探查城市各类地下管线，获取相关数据信息，将其载入二次开发的BIM 软件，建立地下管线三维信息模型，并进行碰撞检测，根据实际情况分析碰撞处的错误管线数据，为地下管线的现场复测及迁改提供指导，同时亦为后续工程设计、施工、管理提供依据。
图1为地下管线三维信息模型建模的技术流程图。
首先利用物探技术对地下管线进行探测，初步获取地下管线所涉及的相关属性数据，得到所要模拟的管线信息。
三维综合管线管网可视化系统
停电区域可视化
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成功案例
晋中市左权县三维综合管网管线管理系统 某某电网低压三维虚拟社区 某某三维可视化低压台区管理系统
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谢 谢！
杭州阿拉丁信息科技股份有限公司
管线列表快速定位
显示管线图层的同时，控制面板中显示管线列表 可以快速查找目标管线。地下管线统一采用虚线区分
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多种信息综合展示
展示的属性信息可以分为通过本地数据库调用的固有属性 以及通过调用其他系统进行展示的动态属性。 展示信息除了文本，还可以是图片
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多种信息综合展示
通过API调用接口，展示其他数据信息。如管线监控视频信息、电压、电流 、温度或者运行状态等。
三维综合管线管网 地理信息系统
目录
➢ 系统建设目标 ➢ 系统架构 ➢ 应用功能设计 ➢ 成功案例
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三维综合管线管网地理信息系统是将城市纵横交错的各类管网数据 与空间地理信息进行关联，借助于三维地图的可视性，直观进行城市综 合管线管网数据空间管理；同时，引入GIS特有空间分析功能，实现综 合管线资源数字化、智能化动态监控,为管线建设提供辅助分析与辅助 决策,避免因工程施工损坏管道而造成重大经济损失,为管理者实时展现 地下管线运作情况,从而更好地为城市管理提供服务。
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管线数据维护
管线管网数据维护。 包括管线添加、信息修改、删除等。
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电力专网数据功能
针对电力管线管网管理，系统还设计了其他功能， 如楼宇用电量热区分析、停电可视化、报修管理、供电范围等等。
故障影响范围
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楼宇用电量热区分析
以单个楼宇为单位，通过对楼宇用电数据汇总统计，实现楼宇多样化信 息的直观、可视化展示与预警。
……
使用测绘技术进行地下管线三维可视化的步骤
使用测绘技术进行地下管线三维可视化的步骤地下管线的三维可视化是近年来测绘技术的重要应用领域之一。
它通过将地下管线的结构和属性以虚拟的形式呈现出来，为城市规划、基础设施施工等领域提供了重要的依据和支持。
本文将介绍使用测绘技术进行地下管线三维可视化的步骤。
1. 数据采集地下管线三维可视化的第一步是进行数据采集。
通常使用的数据采集方法包括地面探测雷达（GPR）、激光扫描仪（LIDAR）和高精度GPS等技术。
地面探测雷达可以探测地下管线的位置和形状，激光扫描仪可以获取地面和地下的三维点云数据，高精度GPS可以提供控制点和地面点的坐标信息。
通过这些数据采集技术，可以获得地下管线在三维空间中的准确位置和形状。
2. 数据处理采集到的数据需要进行处理，以获得管线的准确位置、形状和属性信息。
数据处理的过程包括数据准备、配准和配准精度评估等环节。
首先需要对采集到的数据进行预处理，去除干扰和噪音。
然后根据控制点和地面点的坐标信息，对采集到的点云数据进行配准，以获得整个区域的一致坐标系。
最后，通过配准精度评估，检验数据处理的准确性和可靠性。
3. 管线建模在数据处理的基础上，需要进行管线的建模工作。
管线建模是将采集到的数据转化为三维模型的过程。
可以使用CAD软件、地理信息系统（GIS）软件或专业测绘软件进行建模。
建模的方法包括点云处理、曲面重建和三维可视化等技术。
通过对点云数据的去噪、滤波和分割，可以得到管线的形状信息。
然后根据实际情况，采用曲面重建算法将点云数据转化为光滑的三维曲面。
最后，将建模结果与属性信息进行关联，生成包含结构和属性的三维模型。
4. 可视化呈现地下管线的三维可视化是将建模结果呈现给用户的过程。
可以使用虚拟现实（VR）技术、增强现实（AR）技术或三维动画等方式进行可视化呈现。
通过虚拟现实技术，用户可以利用头戴式显示器或手持设备，在虚拟环境中沉浸式地观察地下管线的结构和属性。
通过增强现实技术，用户可以将虚拟的管线模型叠加在实际场景中，实现实时的三维可视化。
城市地下管网三维建模技术
城市地下管网三维建模技术一、城市地下管网三维建模技术概述城市地下管网是现代城市基础设施的重要组成部分，包括供水、排水、燃气、热力、电力、通信等多种管线。
随着城市化进程的加快，地下管网的规模和复杂性日益增加，传统的二维平面管理方式已经难以满足现代城市管理的需求。
因此，城市地下管网三维建模技术应运而生，它能够为地下管网提供更为直观、精确的管理和维护手段。
1.1 城市地下管网三维建模技术的定义城市地下管网三维建模技术是指利用计算机辅助设计（CAD）、地理信息系统（GIS）和三维建模软件等工具，将城市地下管网的物理形态和属性信息转化为三维数字模型的技术。
这种技术能够实现对地下管网空间结构、属性信息和运行状态的全面可视化和动态模拟。
1.2 城市地下管网三维建模技术的应用价值城市地下管网三维建模技术的应用价值主要体现在以下几个方面：- 提高地下管网管理的效率和准确性，减少因信息不明确导致的施工事故。
- 优化地下管网的规划和设计，实现资源的合理分配和利用。
- 支持应急响应和灾害管理，快速定位问题管网，制定有效的应对措施。
- 促进城市可持续发展，通过精确的管网信息支持绿色建设和节能减排。
二、城市地下管网三维建模技术的关键技术2.1 三维数据采集技术三维数据采集是城市地下管网三维建模的基础。
它包括地面测量、地下探测和属性信息收集等多个环节。
地面测量主要通过卫星遥感、无人机航拍等技术获取地形地貌数据；地下探测则利用地质雷达、声纳探测等手段探测地下管线的位置和深度；属性信息收集则涉及管线材质、直径、使用年限等数据的收集。
2.2 三维建模软件三维建模软件是实现城市地下管网三维建模的关键工具。
这些软件具备强大的数据处理和图形渲染能力，能够将采集到的数据转化为三维模型。
常见的三维建模软件包括Autodesk 3ds Max、Maya、Revit等，它们支持多种数据格式，可以与GIS系统无缝对接。
2.3 地理信息系统（GIS）GIS在城市地下管网三维建模中扮演着核心角色。
管线三维建模及可视化分析
摘 要 ： 线 是 主要 的 城 市 基础 设施 之 一 ， 管 管线 三 维 建 模 与 可视 化 是 构 建 “ 字 城 市” 重要 内容 。采 用 断 面与 体 面 数 的
Ｎｏ ｔ ｅ ｓ ｒｓｒ ｉｅｓｔ ｒｈ ａ ｔ Ｆｏ ｅ ｔｙＵｎｖ ｒｉ ｙ，Ｈ ａｂｎ １ ０ ４ ｒ ｉ ０ ０，Ｃｈｎ ） ５ ｉａ
Ａｂ ｔａ ｔＰｉｅｉｅｉ ｎ ｆｔ ｅｍ ａｎ ｕ ｂ ｎ ｉｆａ ｔｕ ｔ ｒ ｓ ３ ｍ ｏ ｅｉ ｇ ａ ｄ ｖｓ ａｉａ ｉｎ ｏ ｉｅｉｅ ｒ ｓｒ ｃ ： ｐ ｌ ｓｏ ｅｏ ｈ ｉ ｒ ａ ｎ ｒ ｓｒ ｃｕ ｅ ． Ｄ ｄ ｌ ｎ ｉｕ ｌ ｔｏ ｆｐ ｐ ｌ ｓａ ｅ ｎ ｎ ｚ ｎ ｉ ｐ ｒａ ｔｃ ｎ ｅ ｔ ｏ ｂ ｉ ｄｇ ｔｌｃｔ ” Ｉ ｈｓｐ ｐ ｒ Ｄ ｏ ｅｓｏ ｅ ｄ ｎ ｉｅｉｅａ ｄ ｔｉｏ ｎ ｃｅ ｍ ｏ ｔｎ ｏ ｔｎ ｓｔ ｕｌ ａ“ ｉｉａ ｉｙ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ 。３ ｍ ｄ ｌ ｆｂ ｎ ｉｇ ｐｐ ｌ ｎ ｒｃ ｎ ｅ ｔ ｄ ｄ ｎ
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合 弧段 Ｑ 具有 唯 一 的解 。根 据 ＰＨ 、 Ｐ 的 Ｑ２ Ｐ 、
管线 的三维 特征 及管 线 间 的 空 间关 系 ， 线 三 维 建 管
模 与 可视化 已成 为数字 城 市可持续 发展 的必 然 。本 文采用 断 曲管
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城市三维管线可视化技术——以综合管线数据管理系统为例付仲良张文元目录1 系统需求分析 (2)1.1 管线三维可视化意义 (2)1.2 管线系统功能需求 (3)1.3 管线数据需求 (4)2 系统总体设计 (5)2.1 系统的技术路线 (5)2.2 系统的层次结构 (5)2.3 系统的软件配置 (6)3 数据库设计 (8)3.1 数据库内容 (8)3.2 概念模型设计 (8)3.3 逻辑模型设计 (8)3.4 物理模型设计 (9)4 系统功能设计 (10)4.1 系统技术架构 (10)4.2 系统功能结构 (10)4.3 系统功能描述 (11)5 管线三维可视化技术介绍 (13)5.1 ArcGIS Engine 3D开发简介 (13)5.2 三维管线几何建模原理 (14)5.3 三维管线几何建模算法 (16)5.4 管点三维建模 (22)5.5 三维管线系统功能界面 (23)1系统需求分析系统需求分析是在对用户进行深入细致的调查基础上进行的，它是GIS设计的基础，是通过与系统潜在用户进行书面或口头交流，将收集的信息根据系统软件设计的要求归纳整理后，得到对系统概略的描述和可行性分析的论证文件。
全面深入地了解掌握用户需求是进行优良的系统设计的关键，也是系统生命力的保证，需求分析使GIS开发者可以明确地了解用户对GIS内容和行为的期望和需求。
1.1管线三维可视化意义城市地下管网是由纵横交错的给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业管线组成的错综复杂的空间体系，担负着能源输送、信息传输等工作，是城市赖以生存和发展的物质基础。
但由于多方面的原因，我国现有地下各类专业管线的资料残缺不全，且有关资料精度不高或与现状不符，造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，造成停水、停气、停暖、通信中断、污水四溢等严重事故。
另一方面，我国现有的地下专业管线在地上、地下立体布设，管线繁多、复杂。
已有的管线资料都以图纸、图表等形式记录保存，采用人工方式管理效率低下，资料系统性差。
对于变化的区域，管线维护困难，各部门也存在为了建设方便重复收集资料、标准不统一、管理混乱等情况。
而城市地下管线现状资料作为地下工程规划设计、施工和运行管理的基础数据，必须为合理地开发利用地下空间，加强城市地下空间的统一规划管理提供科学依据。
目前城市管网系统大多停留在二维的管理基础之上，不能生动地表现具有三维特征的客观实体。
而且，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。
由于三维直观性强，可从不同方位再现物体，具有较强的立体感、逼真感，通过三维可视化可以直观地看到城市地下纵横交错、上下起伏的实际管线。
所以建立城市三维管网系统，有利于全面反映地下管网的分布状况，便于管网的维护、检测，实现管网信息从无序到有序化管理。
此外，将管网信息与城市基础地理信息融合在一起，可实现信息共享，为城市的施工建设提供准确、现势的资料，为科学管理提供辅助决策的依据。
1.2管线系统功能需求需求分析阶段最重要的就是了解系统的功能需求。
只有系统功能需求明确，才能给后面的系统开发确定明确的目标。
以综合管线测绘数据管理系统为例，通过多次和用户的沟通交流，确定系统的功能需求如下（以系统用户用例图来表示）：图1 综合管线测绘数据管理员用例图图2综合管线测绘数据普通用户用例图从上面两个用例图可以看出，综合管线数据库系统管理员拥有最高权限，可以对综合管线数据进行入库管理、视图管理、查询统计、编辑、符号库管理、制图输出、三维浏览、二三维视图切换等各种操作；而该系统的一般用户则只能对综合管线数据进行视图管理、查询统计、三维浏览和二三维视图切换等基本操作。
1.3管线数据需求数据是地理信息系统的核心。
数据的状况对系统目标的影响很大。
在考虑系统目标时，需要对数据进行评估、分类和登记。
在需求阶段，需要对用户单位现有的数据源进行调查，包括能获得哪些数据；这些数据可划分为几个类型；它们之间有何联系；哪些是基础数据，哪些是可以由基础数据生成的合成数据和综合数据。
在综合管线数据管理系统中，为了在三维场景中显示三维管线和三维地形，系统需要用到的数据包括：含有平面坐标和高程值的各类管线数据、以及井等管点附属设施矢量数据、基础矢量数据、三维地形数据（DEM）、遥感影像数据（DOM）。
2系统总体设计2.1系统的技术路线（1）考虑到系统对于空间数据交互较为频繁和GIS空间分析要求较强，可采用客户机／服务器（C/S）的体系架构。
（2）数据库管理系统采用当前国际上先进成熟的关系型数据库管理系统Oracle存储海量数据，实现对空间数据的集中统一管理和分布式应用。
(3) 采用美国ESRI公司的ArcGIS系列产品作为GIS平台，空间数据库引擎使用ArcSDE，支持Windows平台和UNIX平台。
通过空间数据与属性数据的相互关联，以网络技术、C/S技术为基础，进行系统集成。
(4) 系统建设与开发采用面向对象的软件工程方法，包括面向对象的分析方法、面向对象的建模技术、面向对象的编程技术。
严格按照软件工程的要求进行系统建设的规划、管理、开发、风险跟进及规避。
2.2系统的层次结构系统设计充分考虑业务与功能的紧密结合，并根据应用需求和设计原则，将系统总体结构划分为五层，分别是数据采集层、数据库层、通用组件层、应用层及用户层。
1、数据采集层主要完成综合管线数据的采集、基础地形数据的获取与处理等。
2、数据库层数据库层由基础地理信息矢量数据库、栅格数据库、综合管线测绘数据库、三维景观模型数据库和系统维护管理数据库组成。
各种数据库可以分布式存储在用户单位的数据交换中心。
它为该单位各相关部门的应用提供数据支持。
3、通用组件层它是所有应用系统的基础。
在各个子系统的基础上，抽取类似功能构建通用组件，避免功能重复开发，达到业务变更时组件修改即可满足全部系统修改的要求。
4、应用层该层主要向政府、企业、社会等提供管线及其相关的空间信息查询、综合决策、三维虚拟浏览及空间分析等支持功能。
5、用户层用户层由用户单位的局领导、系统管理和维护人员、一般的日常工作人员等组成。
2.3系统的软件配置1、数据库软件综合管线测绘数据管理系统采用成熟的商用数据库Oracle 10g进行空间数据的存储和管理。
2、GIS平台软件GIS平台软件选择世界著名的ESRI公司的ArcGIS 9.2产品。
ArcGIS整个软件系列包括：ArcGIS Desktop、ArcObjects、ArcGIS Engine、ArcSDE、ArcGIS Server 等。
整个系列软件数据结构全部共享，全面支持工业标准的开发环境，从低端到高端的平台产品均采用共同的、工业标准的体系结构；基于组件对象模型进行构造，其中ArcGIS Engine组件对象库中定义并实现了上千个在GIS应用中涉及到的空间数据对象，因此ArcGIS系列各产品之间以及与其它GIS产品或应用系统之间可以在共同遵守工业标准的前提下，方便而无缝地互连、互嵌和扩展。
ArcGIS可运行于多种平台上，在这些平台上可直接共享数据。
其数据管理采用全关系型DBMS，在所有主流工业标准的DBMS中管理空间数据和相关的属性数据，同时提供并发、高效和安全的海量空间数据驱动引擎和丰富的客户端软件。
除核心模块外，ArcGIS还包括若干扩展模块，完成多种分析功能，例如3D 扩展模块为用户提供三维数据的生成、显示、编辑和分析功能，还提供了一个独立的三维景观生成、显示和飞行的应用程序。
由于数据库的强大的数据处理能力加上ArcSDE独特的空间索引机制，每个数据集的数据量不再受到限制，ArcSDE可以处理海量的无缝地理数据。
ArcSDE 通过版本管理技术解决了由于空间数据时态性引起的一系列长事务处理的问题。
数据库中可以存储多个版本的数据，但并非是简单的数据备份，它们仅仅记录数据版本的区别。
版本之间是树型继承关系，各个版本可以独立编辑和运行。
3、系统开发组件系统开发基于ArcGIS家族中的ArcGIS Engine组件。
ArcGIS Engine是一个创建定制GIS桌面应用程序的嵌入式GIS工具包。
使用ArcGIS Engine可以创建独立界面版本的应用程序，也可以对现有的应用程序进行扩展，为GIS和非GIS 用户提供专门的空间解决方案。
ArcGIS Engine可以在没有安装任何ArcGIS桌面软件的环境下提供所有GIS 功能，是一组设定良好的跨平台、跨语言部件。
它可以运行在Windows、UNIX 和Linux平台上，并支持C++、VB、.NET、Java等一系列应用软件开发环境。
ArcGIS Engine提供各种控件、对象和工具，支持扩展模块GeoDatabase 编辑、Raster和3D分析和可视化功能，提供多种开放的API函数，具有跨平台的特性。
4、系统开发工具系统的开发工具选用Microsoft Visual Studio 2005中的Visual 。
Visual 是基于.NET框架的完全面向对象的新的开发语言。
具有与平台无关性，由于它是基于通用语言运行时(CLR)的，用它写的代码能编译成微软中间语言(MSIL)，可以在它的支持下运行，这使应用程序得以独立于特定的平台。
Visual 具有语言无关性，可以与其它.NET语言协同工作。
在本系统中，利用Visual 结合ArcGIS Engine组件构建出的系统基本架构如下图：图3 基于.NET的应用程序构架图3数据库设计数据库是GIS系统的核心和基础，建立一个良好的数据组织结构和数据库，使整个系统都可以迅速、方便、准确地调用和管理所需的数据，是系统开发的必然要求。
因此，数据库设计是系统开发和建设的重要组成部分。
GIS数据库建设分为关系型数据库和空间数据库建设两部分内容。
结合系统数据的特点，本系统主要侧重空间数据库的设计。
在空间数据库的设计过程中，应分别从数据内容、设计思路、概念模型设计、逻辑模型设计和物理模型设计等方面进行了详细的设计。
3.1数据库内容数据库内容是指数据库中将要存储和组织的数据。
例如建设综合管线数据库，必须有各类管线以及管线附属设施数据，既有管线点类型的数据，如井等，又有管线段的线要素数据，如雨水管线、电力管线、通信管线等；还有一些附属物数据，如出水口、阀门、闸和消防栓等此外，还需要与管线相关的设计图、施工图、竣工图等。
在三维管线系统中，管网还必须具有准确的坐标和高程数据。
3.2概念模型设计把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。
数据库需求分析和概念设计阶段需要建立数据库的数据模型。
例如，综合管线数据库的概念模型描述了综合管线数据库中包含的各类实体以及各类实体间的相互关系，包括管点要素实体、管线要素实体、工程数据实体等，每种实体还可以扩展为三种类型的实体：工作实体、现势实体和历史实体。