基于MapGIS软件的三维管线自动建模技术的应用与实现

吴敏

深圳市中地软件工程有限公司，广东深圳 518057

摘要：以深圳市龙岗区综合管线三维建模为例，概略叙述MapGIS管线三维自动建模的方法和实现效果。在确保模型精度的前提下，减少人工干涉，提高建模效率，实现地下管线建模自动化。为城市规划、国土资源管理、城市应急响应等各行业提供及时可靠的三维管线数据支撑。在城市规划、建设和管理的过程中需要可靠的管线数据支撑，然而城市的管线数据是时时刻刻在变化的，是需要长期及时更新的。MapGIS管线管理地理信息系统提供了多样化的管线数据更新维护工具，可以将新建、改建、废除管线及时准确地录入到系统中，保证了数据的时效性和准确性。并且通过MapGIS三维管线自动建模技术，在管线数据准备就绪后能快速的生成三维管线模型，省去了在3DMax中人工建模和在3DGIS环境中拼接管段模型的繁琐工作。生成的三维管线模型，既能看到管线模型的三维空间信息，也能看到管线模型的各种属性参数信息。

关键词：MapGIS；三维管线；建模技术

中图分类号：P628

1 MapGIS三维管线建模的方法

1.1 自动三维建模思路

针对获取的二维管线普查与规划数据以及业务管理数据，首先根据地下管线三维建模相关标准规范对数据进行标准化、规范化处理，数据处理完成之后利用数据建库工具完成二维管线数据的入库。针对已经入库的二维管线数据，利用三维建模工具开展管线三维建模工作。

建模流程主要有：提取管线段的类型、位置、埋深、管径等信息，根据管线拓扑关系进行管线段的参数化建模，提取管点的类型、位置、大小等信息，采用圆球、立方体等简单通用三维形状建模表达。按照建模标准和参数设置的不同，地下管线建模细分为特征点建模、圆管建模、方管建模、圆井建模、方井建模和数据提取。为方便用户快速建模，系统提供了丰富多样的模型构建功能，可以直接根据需要点击对应的功能按钮完成模型构建。

1.2 建模流程技术特点

地下管线建模工作利用自动化建模工具完成三维管线自动建模，生成的各类管线模型成果符合国家标准。工具能够达成管线数据批量自动建模，建模阶段完全不经人力干预。

三维管线自动建模工具基于可配置、可扩展和可独立运行的建模技术思路，满足现实中管线信息动态更新和数据标准变更的需求。此外，该工具采用预设管线、管点三维模型符号库的方式，在工具内预置丰富的符号类型，且符号库可按需扩展，自定义配置其材质、颜色等信息, 系统预设三维模型符号库，借助系统预设提供丰富的三维管线构件，可基于CAD图形、属性资料及其拓扑关系，快速完成三维管线建模，最大限度还原管网的真实赋存状态。

地下管线中的管道敷设方式主要包含直埋、圆管、管沟、管块、架空几种方式。根据矢量数据的拓扑关系、属性信息，系统支持管线自动建模。在建模时选取待建模矢量数据，通过读取矢量数据的属性字段，获取连接边信息、起点高程和埋深等信息。根据配置的建模参数，基于系统预设的大量管线、管点三维模型符号库，完成管线（线）与管件（点）三维模型构建。

图1 三维模型符号库

1.3 地下管线建模流程

管线三维建模主要包括数据导入、数据检查（如果数据属性信息不完整则需要补充属性信息）、然后通过管线构建管网，提取管点（转折点）的连接边信息，最后进行管线和管点（转折点、井盖）的模型构建。

第一，做好数据导入。通过纸质资料数字化、矢量探测成果导入等方式完成待建库数据导入。

第二，开展数据检查。数据检查主要是对地下管线的空间拓扑与属性数据进行正确性检查，使之满足行业规则，保证最终入库的GIS管网数据具有完整的拓扑关系与属性信息。

第三，开展数据类型转换。主要是将其它格式数据转换为MapGIS格式。

第四，构建管网，在要素集中将管点、管线等要素建立网络拓扑关系，创建网络数据。

第五，做好单图层建模，其中包括了管线（道）建模，即基于二维矢量管线数据，系统自动构建完成管线（道）模型的构建。

第六，管点建模，即根据管点信息，根据需要配置需要的管点模型库，系统自动匹配模型库中的管点符号，完成管点建模。

第七，多图层建模（即管网建模）。管网建模生成方式与管道建模类似,区别在于管网建模选择的建模数据是网络类。需要在数据处理系统中按照三维管线建模数据规范，对管线数据进行标准化处理。标准化处理后的数据可以通过管线建模方式，对管线内的连接特征点、管井、管段等多个图层同时进行建模。通过选择二维管线网络类数据，系统自动完成管线建模。

图2 地下管线建模流程

2 深圳市龙岗区综合管线三维建模的效果

2.1 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

CJJ 61-2017《城市地下管线探测技术规程》。

CJJ /T 8-2011 《城市测量规范》。

2016.9 《深圳市地下管线数据建库标准》。

CJJ／T 269-2017《城市综合地下管线信息系统技术规范》。

CH/T 9017-2012 《三维地理信息模型数据库规范》。

在二维管线成果的基础上，对龙岗区辖区范围内的管线数据进行三维建模，首先通过MapGIS三维建模技术进行检查，查找二维管线数据中的缺失字段，然后对部分缺失的字段进行补充赋值，如井尺寸、埋深、起、终点地面高程、断面尺寸等，即进行三维建模数据的标准化。标准化处理之后利用MapGIS三维建模技术进行半自动化的建模，对不同模型配置对应的符号和纹理特征。如果发现建模失败，则需要重新回退到二维管线数的处理流程，检查二维数据处理过程，直至建模成功。建模成果会通过MapGIS三维建模技术的自动检查，检查不通过，则需要查验模型对应的二维原始数据，若是原始数据的问题，则流程结束，无法处理，否则在处理流程需要重新回退到二维管线数据的处理流程。

最终模型成果检查通过后，对模型进行集成优化，并与地上倾斜摄影模型进行融合，三维管线模型建设完成。在管线模型三维建立过程中，为了达到各类管线生成操作统一的效果，对综合管网的管线数据表进行了抽象，需要规定各类综合管线建模所必须具备的字段，字段的类型，以及这些字段的命名要求。对于字段的补充规则，需要建立规范，便于数据处理人员按照统一的标准进行数据处理，保障三维建模成果的精度和效果。

为满足三维管线生成，管线数据需要通过GIS综合管线数据处理，要求对二维管线进行入库。管线线属性用于描述管道本身，管点点属性用于描述管道的连接点以及连接点相关的附属物，包括井室、弯头三通等连接设施以及其他设备设施。

管点、管线属性字段基本参照《CJJ61-2017 城市地下管线探测技术规程》，在细节部分有所调整，具体规范如下：

其中管点图层中本点号（或物探点号）、X坐标、Y坐标、组分类型，管线图层中上点号（或起点物探点号）、本点号（或终点物探点号）在二维管线处理过程中为必须字段。

表1 管线必须字段表

专业	管线	建模必要字段及方式（管径：字符串型，长度32，圆管填写直径，非圆管填写成宽*高，单位mm，地面高程、埋深单位为米，井室尺寸、井盖尺寸单位为mm）	备注
电气专业	电气管线	起、终点地面高程+起、终点埋深+断面尺寸+总孔数+排管信息	排管+井，√
通信专业	通信管线	起、终点地面高程+起、终点埋深+断面尺寸+总孔数+排管信息	排管+井，√
给\排水专业	生产给水	管中心高程+管径	有压管线√
	生活给水	管中心高程+管径	有压管线√
	消防给水	管中心高程+管径	有压管线√
	污水	起、终点管底高程+管径（内断面）+起、终点地面高程+起、终点埋深	重力管线√
	雨水	起、终点管底高程+管径（内断面）+起、终点地面高程+起、终点埋深	重力管线√
	雨水暗涵	起、终点管底高程+管径（内断面）+壁厚+起、终点地面高程+起、终点埋深	管涵√
工业专业	暖通管沟	起、终点管底高程+起、终点断面尺寸（内断面）+壁厚+起、终点埋深	管涵√
工业专业	电缆沟	起、终点管底高程+起、终点断面尺寸（内断面）+壁厚+起、终点埋深	管涵√
燃气专业	暖通管线	起、终点地面高程+起、终点管中心高程+管径+起、终点埋深	有压管线√

2.2 管线必须字段表：

备注：

管径均指公称直径，壁厚指管子向外法线延展的长度，壁厚参数字段保留,不需要的专业将该字段隐藏。后续三维建模中，壁厚有数据的，从属性字段中获取建模（例如结构管沟类的建模），壁厚没数据的，系统按照原有的统一给壁厚的设置（例如消防管线等类型建模）。

电气通信的断面尺寸为排管块的外尺寸，采用"地面高程+等"方式建模；结构的管沟的断面尺寸为净尺寸，才有“管底高程+等”方式建模；虽属性字段的名称相同，但因属不同建模方式，故不做特别区分。

管井必备属性字段：井盖尺寸，井盖材质，井尺寸，井底高程，井深，地面高程，所选样式

2.3 管点必须字段表：

表2 管点必须字段表

管点类型	管点	建模必要字段	备注
连接特征点	弯头、三通、四通、盖堵等	地面高程、埋深
管井	检查井、阀门井、水表井、雨水篦子、电缆井、通信井等	地面高程、井底高程、井深、井尺寸、井盖尺寸	方井为长*宽，景观尺寸、井尺寸单位为毫米，高程单位为米

图3 建模效果示意

图4 建模成果示意

3 MapGIS三维管线自动建模技术的优势

3.1 一键式驱动建模，无需人工干预

MapGIS三维管线自动建模技术操作简单易行。该工具基于入库的地下管线探测数据和自定义数据作为数据入口。再对数据进行标准化、对应好需要建模的管线管点信息和定位方式等。就可以根据需要的数据格式直接批量生成缓存数据。整个建模过程不需要人工参与，可以批量生成所有模型，操作简便高效。同时在代码层面使用多线程技术，并针对管线建模进行了特定优化，特别适合进行大规模管线数据建模，或包含多种管线类型的综合管网建模。利用建模工具实现的各类管线模型成果均按照国家标准规范进行设计。

3.2 精准快捷的建模方式，保障管线模型动态更新

对于管线动态更新和模型标准的变更需求，为实现城市综合管网资料的动态管理，保证管网空间数据的拓扑完整性、属性数据的准确性、现势性，地下管线自动三维建模工具采用可配置、可扩展、可独立运行的技术思路开发建设。同时，该工具采用预设管线和管点模型符号库的建模方式。在模型库方面，三维管线模型支持常用的圆管和方管模型。此外，对于排管和明沟类的管线也提供了支持，实现满足不同类别管线、管沟和管块的优质建模和模型表达。该工具提供丰富的符号类型、还可以根据需要扩展符号库、自定义配置其材质、大小、方向、颜色等信息。

3.3 统一坐标体系，与地面景观模型精准叠加匹配

为保证二三维管线数据维持统一的空间坐标系，通过三维管线自动建模工具生成管线模型会延续原来的空间位置信息。能够保障三维管线模型与地上模型、地表和地形图等一系列GIS数据实现无缝嵌合。此外，在同一维度场景下能够同时显示地下管线三维模型、对应区域地表和地上三维景观，从而实现全空间数据一体化。

3.4 模型数据标准化，开放共享

通过三维管线自动建模工具，能够快速生成地下三维管线。生成的模型保证统一的格式、坐标系、样式、图例、数据类别和编码规则标准。工具支持导出.obj、.3ds、S3M、I3S、M3D、Geo3DML、3DTiles等通用格式管网模型数据，支持各类3D建模软件的互相导入导出，充分满足各管网管理单位对数据的通用性和兼容性需求。

4 结语

综上所述，选择MapGIS管线三维建模技术能够为城市基础设施建设的快速发展提升带来正面影响，同时也可以减少在管线改扩建和养护中存在的问题，避免在今后的工作中在模型建立和维护方面走过多的弯路，开展更深入地关于管线数字化管理的研究，有利于提高信息管理的效率。对于政府职能部门而言，整合现有的、分散在各部门的多套管线数据，形成一套统一的、规范的、反映城市客观物理状态的地下空间、资源数据，供各政府部门、企事业单位、社会及个人在其之上，关联各类专题数据，共同形成全维度的数据城市生态，为城市建设“数字政府”、“互联网+政务”、“智慧城市”提供数据血液。

参考文献

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[2]陈和彦,张礼娜,巫金明.基于MapGIS的林业地理信息栅格图像数据矢量化方法[J].林业调查规划,2023,48(3):101-103.

[3] 魏超.基于MapGIS K9三维数字校园虚拟系统的设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2016(8):89-92.

[4] 王星捷.基于MapGIS三维数字城市的实现[J].计算机技术与发展,2016(12):102-104.

作者简介：吴敏（1977—），男，汉族，广东吴川人，本科学历，总工办副主任，从事工程管理，工程实施相关工作。

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