一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法

1.本技术涉及建模技术领域，具体公开了一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法。


背景技术：

2.地下管线是城市重要的基础设施。随着城市功能的不断完善，地下管线的种类与数量日益繁多，衍生出供水、排水、通信、燃气、供热等不同功能的管线。随着城市化进程的不断推进，城市地下管线的构成状况日益复杂，不同类型、地域与建设时期的地下管线彼此交错，易造成管理不便与安全隐患。实现城市地下管线的高效管理与维护将有助于城市地下空间资源的合理利用，具有较大的技术应用价值。
3.许多城市现已开展了地下管线的普查工作。数据表或图纸是地下管线普查最常见的成果数据，这类数据具有较大的局限性，主要表现为复杂的空间结构(特别是断面与垂直结构)无法获取、交叠的空间关系难以判断、整体的可视化能力较弱等问题。
4.三维建模技术通过对地下管线复杂空间结构的直观描述成为解决普查数据缺陷的有效途经。地下管线的三维建模当前主要形成了手工建模、半自动建模、自动建模三类方法。传统手工建模基于特定的建模软件，利用人工逐个构建管线与管点以生成管线模型；半自动建模同样基于特定软件平台，通过拼接预制管线部件的方式减少人工工作量，实现管线模型的输出；自动建模则通过各类参数化条件，在无人工介入下适应各类复杂空间结构，实现管线段与管点设备的快速建模，相较于手工建模与半自动建模较大提升了城市地下管线三维建模的建设效率与质量。
5.现有的建模方法存在的问题如下：
6.(1)手工建模方法中管线与管点的逐个构建使得建模工艺繁琐、效率低下，大量基于人工的重复性操作使模型的精度与质量难以保证，而不同管线各异的空间结构则使手工模型的复用性差，单次建模投入成本高昂。
7.(2)半自动建模方法通过自动拼接预制部件提升管线建模效率，而预制部件在面向不同的管线空间结构时灵活性较低，且随着管线数据量的增大，预制部件的大量引用同样将对程序效率产生影响。
8.(3)随着管线三维模型应用的愈发广泛，针对管线三维模型通用性与分析能力的要求不断提高。当前管线数据的三维建模方法更多着重可视化模型本身的构建，对建模中的要素映射、属性信息与几何信息关联等处理流程还不够明确。
9.为此，发明人基于上述问题，提出一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法。


技术实现要素：

10.本发明的目的是形成一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，在对原始管线数据完成标准要素映射与材质配置的基础上，实现“点表-线表”格式的城市综合管
线数据的三维模型构建，并构造属性表实现三维模型各部分的属性信息挂接，为城市综合地下管线的三维模型展示与分析应用提供基础。
11.为了达到上述目的，本发明提供以下基础方案
12.一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，包括以下步骤：
13.步骤一、基于管线数据表进行参数配置；
14.步骤二、对管线数据表的要素值进行规范表达更新，并进行中心点计算；
15.步骤三、基于更新后的管线数据表进行三维模型建构；
16.步骤四、实施模型输出，构建与模型匹配的属性表；
17.即：城市综合地下管线的三维模型自动化建模完成。
18.本基础方案的原理及效果在于：
19.(1)提高了自动化建模的兼容性。充分考虑不同类型、地域与采集时期的管线数据的自动化建模需求，针对不同数据间要素值的异值同物现象，基于要素值的标准字典表建立字段名、点线材质、井类型、附属物、特征的实际要素值与标准要素值的映射关系，实现不同类型管线数据的统一规范表达。
20.(2)提高了自动化建模的适应性。在管线数据要素值统一规范表达的基础上，实现管线段纹理、井盖纹理、井室纹理、特征纹理、附属物模型样式的自定义配置，纹理、外部模型以及最终的管线三维模型成果均采用通用文件格式，提高模型对不同运行平台与应用场景的适应性。
21.(3)提出了关键部件的自动化建模方法。提出了包括外部模型连接线、酒瓶形井室、多类型特征等细节关键部件的自动化条件判定与建模方法，进一步提升了管线三维模型的展示效果。
22.(4)提出了管线模型的属性信息挂接方法。将管线三维模型的属性表构建纳入自动化建模流程，通过构造属性表实现三维模型对象与二维数据表对应属性信息的连接，外部平台可根据属性表访问对应的模型对象与属性信息，提升了管线模型在多平台下的分析应用能力。
23.进一步，在步骤一中，配置流程包括数据导入、字段映射、值域映射、材质设置和坐标设置。
24.进一步，所述数据导入以表格形式的管线数据作为输入，包括线表和点表，线表中每一条线的起始点号、终止点号字段对应点表的点号字段，实现线表与点表的信息连接。
25.进一步，所述表格形式包括但不限于x l s文件或shapef i l e格式的dbf文件形式。
26.进一步，所述字段映射为针对不同类型、地域与采集时期的数据存在的字段名称差异，建立线表与点表的字段标准值，设置线表与点表的实际字段值与标准字段值的映射关系；值域映射为根据基于更新后的管线数据表采集规范的标准字典表，对线表的材质与点表的材质、井类型、附属物、特征建立实际要素值与标准要素值的映射关系；材质设置为设置各标准要素值对应的纹理或外部模型路径，包括线纹理、井盖纹理、井室纹理、特征纹理、附属物模型。
27.进一步，在步骤二，包括数据表更新映射和中心点计算，所述数据表更新映射为遍历点表与线表，先根据字段映射关系更新数据表的字段名为标准字段名，后根据值域映射
关系更新材质、井类型、附属物、特征等字段的要素值为标准要素值；中心点计算为遍历点表的x坐标字段与y坐标字段，以x坐标字段所有要素值的平均值作为中心点的x坐标，以y坐标字段所有要素值的平均值作为中心点的y坐标。
28.进一步，在步骤三，对点的建模包括附属物建模、特征建模，对某一点，若附属物字段非空，则执行附属物建模；若特征字段非空，则执行特征建模。
29.进一步，对线的建模包括线类型判定、管线构建和线模型导出。进一步，将模型输出，包括将外部模型对象节点、井盖对象节点、井室对象节点、特征对象节点、线对象节点合并为管网模型节点并输出为obj模型。
30.进一步，在步骤四中，属性表采用json格式，分为id、对象名称、附带属性三个子块，分别存储模型某一对象对应的id、对象名、附带属性信息。属性表各子块中对象的排列顺序与模型obj文件的对象排列顺序一一对应，数目一致。外部平台可根据属性表实现obj中几何对象的属性信息查询。
31.进一步，属性表的构建步骤如下：id子块构建、对象名子块构建和附带属性子块构建。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1示出了本技术实施例提出的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法的方案流程图；
34.图2示出了本技术实施例提出的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法的模型建构流程图；
35.图3示出了本技术实施例提出的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法的管线属性表结构图。
具体实施方式
36.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
37.实施例如图1、图2和图3所示：
38.一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，包括以下步骤：
39.首先、基于管线数据表进行参数配置；
40.然后、对管线数据表的要素值进行规范表达更新，并进行中心点计算；
41.接着、基于更新后的管线数据表进行三维模型建构；
42.最后、实施模型输出，构建与模型匹配的属性表；
43.即：城市综合地下管线的三维模型自动化建模完成。
44.具体如下：
45.步骤一：参数设置。
46.1、数据导入。本发明以表格形式的管线数据作为输入，包括xls文件或shapefile格式的dbf文件形式。一份完整的管线数据应包括一张线表与一张点表，其中线表应包含起始点号、终止点号、起点埋深、终点埋深、起点管顶高程、终点管顶高程、线的断面尺寸等必要字段，点表应包含点号、x坐标、y坐标、当前点地面高程、附属物信息、特征信息、井尺寸、井类型等必要字段(对某一点，附属物信息与特征信息字段的必要性为异或关系)，线表中每一条线的起始点号、终止点号字段对应点表的点号字段，实现线表与点表的信息连接。
47.2、字段映射。面向不同类型、地域与采集时期的数据存在的字段名称差异，建立线表与点表的标准字段值，设置线表与点表的实际字段值与标准字段值的映射关系。后续建模流程将根据该映射关系，实现非标准字段的提取与使用。
48.3、值域映射。不同类型、地域与采集时期的数据要素值可能存在异值同物现象，不利于建模数据的统一规范表达。根据基于更新后的管线数据表采集规范的标准字典表，对线表的材质与点表的材质、井类型、附属物、特征建立实际要素值与标准要素值的映射关系。对于附属物，应标明其标准要素值是否存在外部模型，若不存在外部模型，应进一步标明该附属物是否为井。
49.4、材质设置。设置管线数据所包含的标准要素值对应的纹理或外部模型路径，包括线纹理、井盖纹理、井室纹理、特征纹理、附属物模型，形成材质设置表。后续建模流程将根据值域映射关系，实现各实际要素值与纹理/外部模型文件的连接。纹理格式为通用图片格式jpg、png，外部模型格式为通用三维格式obj。
50.5、坐标设置。点表的xy坐标通常为基于cgcs2000的平面坐标系统。设置点表xy坐标的坐标系信息，如epsg编码形式，以实现管线模型空间位置的正确指示并为后续模型坐标转换提供便利。
51.步骤二：数据表更新与中心点计算。
52.1、数据表更新映射。遍历点表与线表，先根据字段映射关系更新数据表的字段名为标准字段名，后根据值域映射关系更新材质、井类型、附属物、特征等字段的要素值为标准要素值。
53.2、中心点计算。根据步骤一第2步设置的字段映射关系，遍历点表的x坐标字段与y坐标字段，以x坐标字段所有要素值的平均值作为中心点的x坐标，以y坐标字段所有要素值的平均值作为中心点的y坐标。平面坐标通常具有较大的整数位与小数位，而obj模型通常只能保留7位有效数字。为避免管线模型的精度损失，建模模型的顶点将存储相对于中心点的坐标。中心点坐标与坐标系信息可单独输出为空间参考文件，作为模型在外部平台正确放置的空间指示。
54.步骤三：模型建构。
55.1、点表遍历。对某一点，若附属物字段非空，则执行2附属物建模；若特征字段非空，则执行3特征建模。
56.2、附属物建模。附属物包括外部模型与井，建模的步骤如下：
57.(1)外部模型判定。根据步骤一第3步设置的值域映射关系，查询与当前点附属物名称一致的标准要素值。若标准要素值存在外部模型，则执行(2)，否则执行(5)。
58.(2)外部模型放置。遍历材质设置表，通过所设外部模型的路径导入模型，根据当前点的x坐标、y坐标、地面高程字段对应值，将模型平移至指定的空间位置；读取当前点的
旋转角度与缩放系数字段对应值，实现模型的旋转与缩放。
59.(3)外部模型连接线设计。更新线表文件，建立该外部模型的连接线属性，线的起始点为当前点；终止点为外部模型的中心点；起点埋深为当前点在线表中对应埋深的最小值；终点埋深为外部模型中心点在obj文件中的顶点高；起点管顶高程为线表中当前点所对应管线的顶点高程的最大值；终点管顶高程为外部模型中心点的顶点高与当前点地面高程的和；线的断面尺寸取某一固定值。
60.(4)外部模型导出。一个外部模型可能包含多个子对象，记录模型的子对象数目，将当前模型的各子对象放入外部模型对象节点，返回1点表遍历执行下一点的判定。
61.(5)井判定。若当前点附属物对应的标准要素值标明为井，则执行(6)，否则为无效附属物，执行3特征建模。
62.(6)井建模。井建模包括井盖建模与井室建模两个部分，步骤如下：
63.①
井盖建模。根据当前点的井尺寸字段对应值判定井盖形状(如在毫米单位下，圆井尺寸以直径表示记为500，方井尺寸以长宽表示记为500x400)，根据井盖形状建立对应尺寸的井盖模型。
64.②
井盖贴图。遍历材质设置表，导入该井盖对应的纹理，实现井盖贴图。
65.③
井室建模。井室采用酒瓶形建模，瓶口与井盖尺寸一致、高度齐平；瓶底尺寸应大于与该井室所连接的所有管线的最大管径；瓶底深度在当前点的井底深度字段对应值非空时取井底深度值，为空时则取与该井室所连接的所有管线的最大埋深与最大埋深所对应的管线管径的和。
66.④
井室贴图。遍历材质设置表，导入该井室对应的纹理，实现井室贴图。
67.⑤
井放置。根据当前点的x坐标、y坐标、地面高程字段对应值，将井盖与井室模型平移至指定的空间位置；读取当前点的旋转角度字段对应值，实现井盖与井室模型的旋转。
68.(7)井模型导出。井盖模型与井室模型分别仅含一个子对象，将当前井盖模型与井室模型子对象分别放入井盖对象节点与井室对象节点，返回1点表遍历执行下一点的判定。
69.3、特征建模。特征建模的步骤如下：
70.(1)特征点的管连数判定。若当前点为特征建模点，搜索线表中将当前点作为起始点或终止点的管线并统计数目。当管线数目为0时，为孤立点，不建模并返回1点表遍历执行下一点的判定；当管线数目为1时，对应出水口特征模型；当管线数目为2时，对应弯头特征模型；当管线数目大于2时，对应连通特征模型，并依据管线数目分为三通、四通以及多通。
71.(2)特征构建。
72.①
方向向量计算。对于以当前点为起始点或终止点的管线，管线的另一端点称为当前点的连通点。在点表中搜索当前点的所有连通点的xy坐标与高程值，计算当前点至其各连通点的方向向量并单位化。
73.②
方向点计算。以弯头为例，在当前点建立弯头模型需要了解弯头在两个转折方向上延伸并与管线连接的点，即方向点。确定某一延伸常数，将各单位化的方向向量乘以该延伸常数并与当前点坐标求和，以此得到当前点在每一转折方向上的方向点坐标。
74.③
特征连接。以弯头为例，将当前点与两个转折方向的方向点视作折线上的三个点(连通关系为某一方向点—当前点—另一方向点)，对折线进行曲线平滑，平滑后的弯头可以视作由多段直线管线连接而成。各段直线管线的建模与4线建模的方法一致。
75.④
特征贴图。遍历材质设置表，导入该特征对应的纹理，实现特征贴图。
76.(3)特征导出。每一特征模型对应一个子对象，将当前特征模型的子对象放入特征对象节点，返回1点表遍历执行下一点的判定。
77.4、线表遍历与线建模。遍历线表，对于某一管线的建模步骤如下：
78.(1)线类型判定。根据当前线的断面尺寸字段对应值确定管线截面类型为圆形或方形。线的断面尺寸应具有统一描述，如“500”表示截面为直径500mm的圆管，“500x400”表示截面为底长500mm高400mm的方管。
79.(2)管线构建。管线构建包括截面设计、截面顶点坐标变换、贴图等部分。
80.①
管线截面设计。根据(1)线类型判定结果，分类设计管线截面。圆管的管线截面为以中心点为圆心，断面尺寸字段对应值为直径的正十六边形近似圆，具有16个截面顶点；方管的管线截面为以中心点为中心，断面尺寸确定长与宽的矩形，具有4个截面顶点。根据截面几何关系与断面尺寸，得到以(0,0,0)为起始中心点、(0,1,0)为终止中心点时各截面顶点的空间坐标。
81.②
管线首末处中心点坐标的计算。根据当前线的管顶高程与断面尺寸字段对应值，求得管线在起始点与终止点的截面中心点(即首末处中心点)高程，并检索当前线的起始点号与终止点号在点表中对应的xy坐标，得到首末处中心点的实际空间位置。若当前线的起始点或终止点为特征点，则以其在当前管线的方向点作为中心点。
82.③
首末截面的坐标计算与连接。根据首末处中心点的空间位置，建立(0,0,0)至起始中心点、(0,1,0)至终止中心点的平移矩阵以及(0,1,0)至首末方向向量的旋转矩阵。将
①
确定的各截面顶点空间坐标乘以平移矩阵与旋转矩阵，确定首末处各截面顶点的实际空间位置。将起始点与终止点的各截面顶点一一对应连接，形成管线模型。
83.④
管线贴图。遍历材质设置表，导入管线类型对应的纹理，实现管线贴图。
84.(3)线模型导出。每一线模型对应一个子对象，将当前线模型的子对象放入线对象节点，继续遍历线表，执行下一条线的线类型判定。
85.5、节点合并与模型输出。将外部模型对象节点、井盖对象节点、井室对象节点、特征对象节点、线对象节点合并为管网模型节点并输出为obj模型。
86.步骤四：属性挂接。
87.属性表采用json格式，分为id、对象名称、附带属性三个子块，分别存储模型某一对象对应的id、对象名、附带属性信息(图3)。属性表各子块中对象的排列顺序与模型obj文件的对象排列顺序一一对应，数目一致。外部平台可根据属性表实现obj中几何对象的属性信息连接。属性表的构建步骤如下：
88.1、id子块构建。id是属性表各对象的唯一指示。依次遍历外部模型对象节点、井盖对象节点、井室对象节点、特征对象节点和线对象节点，从0开始根据各节点所包含的子节点数目递增分配唯一id，形成id子块。
89.2、对象名子块构建。在obj文件中，o关键字代表某一对象的名称。顺序提取管线obj模型的所有以o关键字开头的对象信息，实现id与模型对象的关联，形成对象名子块。
90.3、附带属性子块构建。以更新后的数据表作为属性数据源，按照外部模型对象、井盖对象、井室对象、特征对象、线对象的顺序，先依次写入点表中各外部模型、井、特征对应行的属性信息，其中外部模型根据模型的子对象数n重复写入n次，井的属性信息需对井盖
对象与井室对象各写入一次；后写入线表各管线对应行的属性信息。完成上述操作，实现id与属性信息的关联，形成附带属性子块，完成属性表构建。
91.至此，整个建模过程结束，本发明的目的是形成一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，在对原始管线数据完成标准要素映射与材质配置的基础上，实现“点表-线表”格式的城市综合管线数据的三维模型构建，并构造属性表实现三维模型各部分的属性信息查询，为城市综合地下管线的三维模型展示与分析应用提供基础。
92.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、基于管线数据表进行参数配置；步骤二、对管线数据表的要素值进行规范表达更新，并进行中心点计算；步骤三、基于更新后的管线数据表进行三维模型建构；步骤四、实施模型输出，构建与模型匹配的属性表；即：城市综合地下管线的三维模型自动化建模完成。2.根据权利要求1所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，在步骤一中，配置流程包括数据导入、字段映射、值域映射、材质设置和坐标设置。3.根据权利要求2所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，所述数据导入以表格形式的管线数据作为输入，包括线表和点表，线表中每一条线的起始点号、终止点号字段对应点表的点号字段，实现线表与点表的信息连接。4.根据权利要求3所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，所述表格形式包括但不限于xls文件或shapefile格式的dbf文件形式。5.根据权利要求2所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，所述字段映射为针对不同类型、地域与采集时期的数据存在的字段名称差异，建立线表与点表的字段标准值，设置线表与点表的实际字段值与标准字段值的映射关系；值域映射为根据基于更新后的管线数据表采集规范的标准字典表，对线表的材质与点表的材质、井类型、附属物、特征建立实际要素值与标准要素值的映射关系；材质设置为设置各标准要素值对应的纹理或外部模型路径，包括线纹理、井盖纹理、井室纹理、特征纹理、附属物模型。6.根据权利要求5所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，在步骤二，包括数据表更新映射和中心点计算，所述数据表更新映射为遍历点表与线表，先根据字段映射关系更新数据表的字段名为标准字段名，后根据值域映射关系更新材质、井类型、附属物、特征等字段的要素值为标准要素值；中心点计算为遍历点表的x坐标字段与y坐标字段，以x坐标字段所有要素值的平均值作为中心点的x坐标，以y坐标字段所有要素值的平均值作为中心点的y坐标。7.根据权利要求1所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，在步骤三，对点的建模包括附属物建模、特征建模，对某一点，若附属物字段非空，则执行附属物建模；若特征字段非空，则执行特征建模，对线的建模包括线类型判定、管线构建和线模型导出。8.根据权利要求7所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，将模型输出，包括：将外部模型对象节点、井盖对象节点、井室对象节点、特征对象节点、线对象节点合并为管网模型节点并输出为obj模型。9.根据权利要求1所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征在于，在步骤四中，属性表采用json格式，分为id、对象名称、附带属性三个子块，分别存储模型某一对象对应的id、对象名、附带属性信息。属性表各子块中对象的排列顺序与模型obj文件的对象排列顺序一一对应，数目一致。外部平台可根据属性表实现obj中几何对象的属性信息查询。10.根据权利要求9所述的一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，其特征
在于，属性表的构建步骤如下：id子块构建、对象名子块构建和附带属性子块构建。

技术总结
本发明涉及建模技术领域，具体公开了一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，包括以下步骤：首先、基于管线数据表进行参数配置；然后、对管线数据表的要素值进行规范表达更新，并进行中心点计算；接着、对基于更新后的管线数据表进行三维模型建构；最后、实施模型输出，构建与模型匹配的属性表；即：城市综合地下管线的三维模型自动化建模完成；本发明的目的是形成一种城市综合地下管线的三维模型自动化建模方法，在对原始管线数据完成标准要素映射与材质配置的基础上，实现“点表-线表”格式的城市综合管线数据的三维模型构建，并构造属性表实现三维模型各部分的属性信息查询，为城市综合地下管线的三维模型展示与分析应用提供基础。用提供基础。用提供基础。


技术研发人员：李洵铧 范冲 陈旭帅 何明宏
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.03.19
技术公布日：2023/7/18