刘子恒，侯英姿，张 闯，王方雄

（1.辽宁师范大学 辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029；3.浙江科澜信息技术有限公司，浙江 杭州310012；4.杭州吉翱地理信息技术有限公司，浙江 杭州 310012）

城市管网三维建模技术研究

刘子恒1,2,3，侯英姿1,2，张 闯4，王方雄1,2

（1.辽宁师范大学 辽宁省自然地理与空间信息科学重点实验室，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029；3.浙江科澜信息技术有限公司，浙江 杭州310012；4.杭州吉翱地理信息技术有限公司，浙江 杭州 310012）

设计了城市管网三维模型的逻辑结构，介绍了基于SuperMap的管网三维建模技术，解决了管网拓扑模型中的假节点、流向等问题，并以大连石化矿区燃气管网建模为例，详细介绍了在SuperMap中三维建模技术的具体步骤。

城市地下管网；三维建模；管网拓扑模型；管网三维模型；SuperMap iDesktop

管网模型分为二维平面模型和三维立体模型。管网三维建模可以采用直观、形象的三维模型符号来表达管网的流向信息、阀门朝向及其空间分布规律，是管网可视化的重要内容[1]。管网三维建模技术在智慧城市、基础设施管理方面的应用日益广泛。SuperMap软件不仅在处理管网数据复杂的拓扑关系中有独特的技术优势[2]，而且提供了丰富的可自定义的二三维符号库，可充分表达管网的三维模型特征和综合场景。SuperMap Max插件支持3DMax模型与SuperMap三维场景模型的交互操作[3]，与SuperMap快速建模优势互补，可完整实现城市管网三维模型场景并进行功能优化。

1 城市管网的三维建模方法

管网三维模型不仅可以在三维空间中表达地上/地下管网的形态特征，还可以描述管网的几何模型和逻辑结构模型。管网三维模型主要由管网骨架模型和管网纹理模型构成。利用ArcGIS、AutoCAD等软件将文本、Excel属性表、纸质地图等源数据矢量化入库得到管网数据，以管网数据为基础，在SuperMap中构建管网骨架模型。管网纹理包括地上/地下管线流向纹理和地上/地下阀门表面纹理，纹理数据来自管网国际化标准符号库和实际管网纹理采样，根据管网骨架模型的管径和尺寸大小等，使用Photoshop图像处理软件处理管线流向纹理信息和阀门表面纹理特征。管网三维模型的构成要素、数据来源以及基于SuperMap的建模流程如图1所示[1]。

图1 管网三维模型的构成要素及建模流程

2 基于SuperMap的管网拓扑建模技术

通过ArcGIS软件将管网的文本、Excel表、纸质地图等源数据矢量化入库得到管网的空间数据和属性数据，或者使用AutoCAD软件根据实测管网数据坐标绘制生成多线段的管网数据（如图2a）[4]。SuperMap软件兼容多种数据格式，如*.dwg、*.shp、*.tab、*.xlsx、*.scv、*.kml、*.dem等，基于SuperMap的三维管网建模技术的关键是管网拓扑和三维建模。在SuperMap iDesktop软件中，管网拓扑包括拓扑处理（拓扑预处理、拓扑检查、线拓扑处理）、拓扑构网、创建流向等。拓扑预处理包括插入节点、节点容限捕捉、多边形走向调整，主要处理管网阀门与管线在容限范围内邻近点的捕捉和擦除。如不修改原始数据，则需在拓扑预处理前对数据进行备份。拓扑检查是利用拓扑规则对管网数据进行拓扑预处理的方法之一，拓扑规则主要有点必须在线上、点必须在面上、线内无悬线、线内无假节点、线与线无重叠、线段相交处必须存在节点等；再根据检查到的拓扑错误对线数据集进行拓扑处理，包括弧段求交、去除假节点、删除冗余点等。拓扑构网是将拓扑处理后的管网数据通过构建二维/三维网络数据集实现管线各段间内部物质传输的连通性[3]。管网流向通过“网络分析-环境设置-创建流向-追踪分析网络建模-导入源、汇点数据集”创建流向的字段信息（见表1）[3]，并根据流向字段信息选择符号库中合适的管线符号，包括管网的阀门符号和环路符号信息，完成二维管网拓扑建模（如图2b所示）。

表1 网络数据集流向信息说明

3 基于SuperMap的管网三维建模技术

在管网三维建模时，首先利用SuperMap软件中的“投影转换”工具将GIS/CAD管网数据图层的投影坐标转换为WGS 84，将管网二维数据转换为三维的点/线数据集。加载三维资源点、线、填充符号库，为管网三维数据选择匹配的三维点、线符号，或者在符号库中编辑制作新的管线三维符号，匹配生成管网三维模型。在三维场景中添加管网三维数据集，在图层管理器中制作三维管网专题图（单值专题图、标签专题图等）[3]；选择图层风格符号选择器，为三维管网添加资源符号库中的三维管线、三维阀门符号，生成管网三维骨架模型。

根据管网三维骨架模型的符号及纹理特征，使用Photoshop软件制作管网纹理模型，在SuperMap符号库中编辑管网模型符号，添加管网纹理模型，完成管网3D建模（如图2c所示，红色表示地上管线，绿色表示地下管线，箭头表示管线内物质传输的流向。阀门包括弯头、直通阀、三通阀、四通阀、阀门节点等，符号大小和朝向可以调控）[3]。

对于三维场景范围内的其他辅助数据，根据影像图、地形图等底图数据在GIS软件中通过地图矢量化得到各类型的点、线、面辅助数据；然后根据辅助图层数据的模型纹理特征使用Photoshop软件对模型贴图文件进行裁剪、调色、擦除等，在3DMax软件中对3D模型进行贴图纹理渲染；利用SuperMap Max插件将3DMax中的三维模型文件以CAD模型数据集、KML、模型缓存、模型文件的形式导入到SuperMap的三维场景中，并调整与管网三维模型的空间位置关系，最后生成三维辅助模型场景[5-6]。

图2 管网矢量化入库、模型拓扑、三维建模过程

4 应用实例

大连石化矿区位于大连市甘井子区街道，地处东经121°37'14"～121°38'50"、北纬38°58'7"～38°59'18"，面积约4.99 km2。首先利用ArcGIS软件将管网数据矢量化入库，构建管网基础数据集，然后在SuperMap中处理管网数据逻辑模型，构建管网几何骨架模型，使用Photoshop软件处理管网模型纹理，采用3DMax软件构建其他辅助数据的3D模型，最后生成综合管网三维模型场景。

基于SuperMap的三维管网具体建模步骤为：

1）将ArcGIS中的矢量化燃气管网源数据在SuperMap中与石化矿区影像图进行空间配准，并根据配准文件批量化配准其他要素图层。

2）利用拓扑功能列表对燃气管网的管线、阀门数据逻辑模型进行拓扑预处理、拓扑检查，去除管线和阀门间的假节点、冗余点等，利用拓扑构网功能实现燃气管线和燃气阀门的连通。根据网络数据集的图层信息，通过“追加行/列”工具将燃气管网的阀门类型字段信息追加到对应的属性信息表中。利用燃气管网的源点和汇点信息，通过“追踪分析网络建模”创建燃气管网流向信息字段（包括环路信息），在符号库中制作二维管线流向符号，生成拓扑处理后的二维管网数据模型（如图2b）。

3）在SuperMap资源符号库中导入三维线型符号，制作单值、标签专题图，修改图层风格符号等，生成管网三维骨架模型（如表2）[7]。

表2 三维模型符号控制参数

4）根据影像图信息为石化社区添加辅助数据，如基础点、小区道路、小区楼房等二维数据集。制作三维点符号、道路符号，使用Photoshop处理点、道路模型纹理贴图，根据小区楼房表面纹理，在3DMax软件中构建三维建筑模型；然后利用SuperMap Max的插件将三维建筑模型导入到SuperMap三维场景的CAD模型数据集中，构成辅助三维模型（如图3a）[8]。

图3 基于SuperMap的三维建模应用实例

5）在SuperMap三维场景中使用Photoshop软件处理过的燃气管网模型纹理贴图制作/修改三维管线符号，并赋值于3）中的燃气管网骨架模型，导入辅助三维数据集并添加相应符号和模型，实现城市燃气管网三维可视化（如图3b，其中地上管线用红色表示，地下管线用绿色表示）。

5 结 语

城市管网三维建模是管网源数据矢量化入库后将二维地图向三维模型可视化建模的过程，旨在促进管网数据由平面化管理向三维立体显示的发展，以虚拟3D建模的方式展现并管理真实管网数据，实现管网系统的高效管理。

本文研究了基于三维管网的逻辑结构模型，阐述了基于SuperMap平台的管网三维建模的技术流程，并以大连石化矿区管网模型为例，介绍了SuperMap中管网三维建模的具体步骤，特别是对管网拓扑关系的处理，有效地解决了管网的假节点、冗余点、流向问题。在创建管网模型的同时，以模型符号化形式表达管网内介质传输的方向、管线的分类和不同阀门朝向，利用3DMax软件构建研究区内的辅助地物模型，实现了管网三维模型场景的美观和完整表达。基于SuperMap的城市管网三维建模技术是管网三维模型表达的最优选择。

[1] 杜研,王方雄,王博.基于SketchUp的三维地貌建模技术[J].地理空间信息,2013,11(1):64-66

[2] 姚志强.城市管网的三维建模与可视化技术研究[D].解放军信息工程大学,2009

[3] SuperMap图书编委会著.GIS工程师训练营：SuperMap GIS二三维一体化开发实战[M].北京:清华大学出版社,2013

[4] 林楠，周亮，陈天博,等.基于SuperMap Objects的校园地下管网信息查询系统的实现[J].测绘与空间地理信息,2013(11):24-26

[5] 张翔,王方雄,崔羽.城市三维管网地理信息系统的设计与开发[J].测绘地理信息,2015, 40(2):17-19

[6] 杜国明,龚健雅,熊汉江,等.城市三维管网的可视化及其系统功能实现的关键技术[J].武汉大学学报（信息科学版）,2002(5):534-537

[7] 郑文青,王亚巍.真三维地下管网信息系统建设的研究[J].测绘通报,2013(S1):230-232

[8] 北京超图软件股份有限公司[EB/OL]. [2014-04-18](2015-10-19),http://support.supermap.com.cn/DataWarehouse/ WebDocHelp/Deskpro_WebHelp_8C/SuperMap_ iDesktop_8C.htm

P208

B

1672-4623（2017）02-0102-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.031

2015-11-30。

项目来源：教育部人文社会科学研究一般项目（11YJC630202）。

刘子恒，硕士研究生，研究方向为地理信息系统应用与开发。