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淺析地下管網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建
論文關(guān)鍵詞 ：地下管網(wǎng) 空間數(shù)據(jù)模型 三維可視化
論文摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的數(shù)字化與可視化 ，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行研究。系統(tǒng)根據(jù)分層概念和管網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn) ，設(shè)計(jì)城市地下管網(wǎng)的概念模型，著重介紹柵格矢量一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式，利用空間數(shù)據(jù)庫將地下管網(wǎng)的相關(guān)信息存儲(chǔ)在上并做相應(yīng)處理，最終運(yùn)用 GIS和 LOD模型的建立實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的可視化和實(shí)時(shí)漫游 功能。
城市地下各類管網(wǎng)是一個(gè)城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著信息傳輸、能源輸送等工作，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。但由于多方面的原因，我國現(xiàn)有地下各類專業(yè)管網(wǎng)的資料殘缺不全，且有關(guān)資料精度不高或與現(xiàn)狀不符，在建設(shè)施工中時(shí)常發(fā)生挖斷或挖壞地下管網(wǎng)，造成停氣、停水、停暖、中斷、污水 四溢等嚴(yán)重事故。另一方面，我國現(xiàn)有地下專業(yè)管網(wǎng)的資料都以圖紙、圖表等形式記錄保存，采用人工方式管理，效率低下。為了解決這個(gè)問題 ，必須使用新的技術(shù)手段對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行管理。
城市地下管網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)屬于處理地下管網(wǎng)專題數(shù)據(jù)的一種信息系統(tǒng)，是以地下管網(wǎng)空間信息和屬性信息為核心，利用計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和信息可視化技術(shù)對(duì)城市地下管網(wǎng)進(jìn)行綜合管理，為施工部門和管理部門提供地下管網(wǎng)準(zhǔn)確的走向和埋深等有關(guān)信息，通過進(jìn)行各種分析，為領(lǐng)導(dǎo)部門進(jìn)行管網(wǎng)規(guī)劃、管網(wǎng)改造等提供輔助決策功能。地下管線虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一是可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手工處理方式向現(xiàn)代化信息管理轉(zhuǎn)型，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新、有效管理，避免重復(fù)收集數(shù)據(jù)信息；二是可為市政建設(shè)提供規(guī)劃、設(shè)計(jì)、決策服務(wù)；三是可為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供支撐。
1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及其相互問聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫模式提供基本方法。管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型是空間數(shù)據(jù)模型的一種，在管網(wǎng)數(shù)據(jù)的表達(dá)和管網(wǎng)空間分析等方面起著極其關(guān)鍵的作用。
1．1 城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)
城市地下管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施中的生命線，有地下神經(jīng)之稱，包括給水管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、供熱管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、管網(wǎng)、排污管網(wǎng)和電信管網(wǎng)等。每一類管網(wǎng)都由管線段和附屬設(shè)施組成，呈樹狀、環(huán)狀或輻射狀，形成一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的各組成元件相互影響，共同發(fā)揮作用 。
首先，地下管 網(wǎng)數(shù)據(jù)是一種基本網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，滿足網(wǎng)絡(luò)的一般特性 ，其基本構(gòu)成包括弧段和節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)包括管網(wǎng)點(diǎn)狀實(shí)體和三類特征點(diǎn)，即管徑變化點(diǎn)、埋深變化點(diǎn)和管網(wǎng)交點(diǎn)，弧段表示相鄰節(jié)點(diǎn)問的管線段 。其次 ，地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)有區(qū)別于一般網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的特殊性。地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括兩種基本類型：樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管 網(wǎng)。樹狀管網(wǎng)大多是重力管網(wǎng)，其弧段都是單向弧段，方向取決于起始節(jié)點(diǎn)的高程值，如排水管網(wǎng)就屬于這類管網(wǎng)。而燃?xì)�、給水等壓力管線在設(shè)計(jì)時(shí)為了盡可能減少事故造成的影響，大多采用環(huán)狀設(shè)計(jì)，同時(shí)大、中城市的燃?xì)狻⒔o水等管網(wǎng)都采用多個(gè)源頭，使得這些管線呈多源環(huán)狀分布。
1．2 系統(tǒng)概念模型設(shè)計(jì)
概念模型反映了城市地下管網(wǎng)所包含的各部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的關(guān)系。根據(jù)分層概念和管網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了城市地下管網(wǎng)的概念模型，如圖1所示。
在該模型中，首先將城市分成多個(gè)城區(qū)，每個(gè)城區(qū)的信息又分成基本框架信息和管網(wǎng)信息兩部分。管網(wǎng)信息包含給水管網(wǎng)層、燃?xì)夤芫W(wǎng)層、供熱管網(wǎng)層、排水管網(wǎng)層、管網(wǎng)層、排污管網(wǎng)層和電信管網(wǎng)層等 7個(gè)層。每層包含點(diǎn)狀實(shí)體和特征點(diǎn)、線狀實(shí)體兩類數(shù)據(jù)。實(shí)體和特征點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)和指明節(jié)點(diǎn)特征的標(biāo)記組成，點(diǎn)由幾何坐標(biāo)定位；線狀實(shí)體類由弧段和指明弧段特征的標(biāo)記組成，弧段由一系列坐標(biāo)點(diǎn)描述�；究蚣苄畔⒎从沉顺鞘谢久婷�，由點(diǎn)狀、線狀和面狀三類實(shí)體組成。該模型中所有實(shí)體都有區(qū)別于其他實(shí)體的屬性特征。
1．3 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
在空間數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)的表達(dá)方法主要有柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格矢量一體化結(jié)構(gòu)等。
1．3．1 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
柵格模型由規(guī)則的正方形或矩形柵格組成，每個(gè)柵格代表 1個(gè)像元。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是像元陣列，像元由行列號(hào)確定它的位置。點(diǎn)狀實(shí)體在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中表示為 1個(gè)像元；線狀實(shí)體則由在一定方向上連接成串的相鄰像元集合；面狀實(shí)體表示為聚合在一起的相鄰像元集合。柵格數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、空間數(shù)據(jù)的疊加和組合方便、各類空間分析易于進(jìn)行以及模擬方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在著圖形數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)精度低、地圖輸出不精美以及難以建立網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系等缺點(diǎn)。
1．3．2 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用點(diǎn)串序列來表示空間實(shí)體的邊界形狀和分布。點(diǎn)狀實(shí)體在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中表示為坐標(biāo)；線狀實(shí)體則由線上的一系列點(diǎn)的坐標(biāo)表示；面狀實(shí)體由面的邊界弧段序列表示。矢量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)量小、完整的描述拓?fù)潢P(guān)系、圖形美觀以及圖形數(shù)據(jù)的恢復(fù)、更新、綜合容易實(shí)現(xiàn)等，但也有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、矢量多邊形疊置算法和模擬困難的缺點(diǎn)。
1．3．3 柵矢融合與地圖配準(zhǔn)
作為管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)底圖，考慮能充分利用矢量圖畫面精美、無級(jí)縮放的優(yōu)勢，同時(shí)利用柵格圖更新速度快、能反映城市最新風(fēng)貌的特點(diǎn)。解決方法是：將手頭現(xiàn)有的矢量地圖作為建立管網(wǎng)專題圖層(矢量圖)的基礎(chǔ)，并設(shè)法將柵格圖與矢量底圖進(jìn)行配準(zhǔn)，從而有效結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)。
管網(wǎng)系統(tǒng)的專題數(shù)據(jù)建立在矢量地圖基礎(chǔ)上，而矢量圖的修改相當(dāng)困難。當(dāng)城市風(fēng)貌發(fā)生變化時(shí)，為反映管網(wǎng)相對(duì)于新的參照物的位置，設(shè)想利用柵格圖與當(dāng)前管網(wǎng)進(jìn)行比較；而比較的前提則是首先將柵格圖與矢量圖進(jìn)行配準(zhǔn)。
柵格圖配準(zhǔn)時(shí)存在 3個(gè)問題：比例尺的配準(zhǔn)、投影的配準(zhǔn)、坐標(biāo)的配準(zhǔn)�？紤]到本系統(tǒng)中匹配要求不太嚴(yán)格，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果選擇的柵格圖所包含的實(shí)際區(qū)域越�。敲词噶亢蜄鸥癔B加的越精確。由此得到啟發(fā)，是否可以將整個(gè)柵格圖分成小塊(不妨將分得的每 1塊柵格圖稱為柵格圖塊)去配準(zhǔn)，配準(zhǔn)后將其作為 1個(gè)圖層保存，當(dāng)所有的柵格圖塊都配準(zhǔn)后，在顯示柵格圖時(shí)，選擇所有的柵格圖塊，那么就得到了一幅完整的、能夠和矢量圖準(zhǔn)確匹配的柵格圖。具體步驟如下：
1)在制圖軟件 中將柵格圖平均分割成 M 塊(實(shí)際上 M 的大小代表 了配準(zhǔn)的精度，M 越大，則精度越高)，并分別保存 ；
2)對(duì)每一柵格圖塊在 MapX中進(jìn)行匹配控制點(diǎn)至少選擇 2O個(gè)；
3)在 MapX環(huán)境中顯示所有的柵格圖塊，看整幅圖與矢量圖疊加的效果 。
在分割的柵格 圖全部顯示時(shí)，兩兩相鄰的柵格圖塊有可能會(huì)出現(xiàn)拼接不上的問題，比如 1條河流在拼接后不能銜接上、物在拼接后出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象、延續(xù)的道路有可能變?yōu)閮蓷l道路�？梢圆扇∫韵聝煞N方法解決柵格圖塊的拼接問題：
1)增加?xùn)鸥駡D塊的個(gè)數(shù)。通過多次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，如果柵格圖分割的柵格圖塊越少，則上述問題會(huì)越嚴(yán)重，如果分割的柵格圖塊越多，拼接不上的程度會(huì)有所減少 ；如果對(duì)柵格的精度要求不太嚴(yán)格的話，可以忽略不計(jì) 。其次 ，如果道路或物改變不多或知道其大體的區(qū)域，則可利用其它畫圖工具，直接分出包含這個(gè) 區(qū)域的最小的柵格圖塊，只要配準(zhǔn)所有分割的柵格 圖塊即可。這時(shí)精度的問題已經(jīng)轉(zhuǎn)化為配準(zhǔn)的問題 。
2)選擇特殊控制點(diǎn)。選擇柵格圖塊的 4個(gè)頂點(diǎn)作為其 中一部分控制點(diǎn)及其圖塊中心的點(diǎn)，則兩兩相鄰的柵格圖塊之間至少有 2個(gè)相同的控制點(diǎn)。在顯示柵格 圖塊時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一幅完整的柵格圖。本課題將 以上兩種方法結(jié)合使用，以獲得更好的效果。
2 地下管網(wǎng)的可視化
管網(wǎng)的可視化就是將存入中的數(shù)據(jù)通過某種方式變成能看到的圖片或者是界面。而空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)系定義 是可視化信息系統(tǒng)(GIS)的基礎(chǔ) ，正確定義 GIS系統(tǒng)的坐標(biāo)系非常重要。
2．1 地圖坐標(biāo)系及投影
GIS中的坐標(biāo)系定義 由基準(zhǔn)面和地 圖投影兩組參數(shù)確定，而基準(zhǔn)面的定義則由特定橢球體及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)確定，因此，欲正確定義 GIS系統(tǒng)坐標(biāo)系，首先必須弄清地球橢球體(Ellipsoid)、大地基準(zhǔn)面(Datum)及地 圖投影(Projection)三者的基本概念及它們之間的關(guān)系。
基準(zhǔn)面是利用特定橢球體對(duì)特定地區(qū)地球表面的逼近，因此，每個(gè)國家或地區(qū)均有各自的基準(zhǔn)面，通常稱謂的北京 54坐標(biāo)系、西安 80坐標(biāo)系實(shí)際上指的是我國的兩個(gè)大地基準(zhǔn)面。WGS 1984基準(zhǔn)面采用 WGS84橢球體，它是地心坐標(biāo)系，即以地心作為橢球體中心，目前 GPS測量數(shù)據(jù)多以 WGS 1984基準(zhǔn)。
橢球體與基準(zhǔn)面之間的關(guān)系是一對(duì)多的關(guān)系，也就是基準(zhǔn)面是在橢球體基礎(chǔ)上建立的，但橢球體不能代表基準(zhǔn)面，但能定義不同的基準(zhǔn)面。 地圖投影是將地圖從球面轉(zhuǎn)換到平面的變換，例如某點(diǎn)北京 54坐標(biāo)值為 x一4 231 898，y一21 655 933，實(shí)際上指的是北京 54基準(zhǔn)面下的投影坐標(biāo)，也就是北京 54基準(zhǔn)面下的經(jīng)緯度坐標(biāo)在直角平面坐標(biāo)上的投影結(jié)果。
根據(jù)空間解析幾何，參考坐標(biāo)系點(diǎn)(x,y,z )向世界坐標(biāo)系坐標(biāo)(X，y，Z)的轉(zhuǎn)換方程為
式中：a、 、y為兩坐標(biāo)系相應(yīng)坐標(biāo)軸的夾角；(x。Y。z)為參考坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。
2．2 三維數(shù)據(jù)的顯示及 L0D模型
三維顯示通常采用截面圖、等距平面、多層平面和立體塊狀圖等多種表現(xiàn)形式，大多數(shù)三維顯示技術(shù)局限于 CRT屏幕和繪圖紙的二維表現(xiàn)形式，人們可以觀察到地理現(xiàn)象的三維形狀，但不能將它們作為離散的實(shí)體進(jìn)行分析，如立體不能被測量、拉伸、改變形狀或組合。為了提高場景的顯示速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，在實(shí)際的三維顯示中常常采用降低場景復(fù)雜度的方法，從計(jì)算機(jī)硬件繪制的角度考慮，即減少每幀數(shù)中繪制的圖元對(duì)象的數(shù)目。其中細(xì)節(jié)層次模型(L0D)的方法具有普遍性和高效性，在飛行模擬和地形仿真應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂的L0D模型是指根據(jù)不同的顯示對(duì)同一對(duì)象采用不同精度的幾何描述，物體的細(xì)節(jié)程度越高，則數(shù)據(jù)量越大，描述越精細(xì) ；細(xì)節(jié)程度越低 ，則數(shù)據(jù)量越小，描述越粗糙。因此，可以根據(jù)不同的顯示需求，對(duì)需要繪制的對(duì)象采用不同的描述精度，從而大大地降低需要繪制的數(shù)據(jù)量，使實(shí)時(shí)三維顯示成為可能。
在場景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示中，當(dāng)視點(diǎn)距離某一物體很近時(shí)，它的圖像將在屏幕上占據(jù)較多的像素，而當(dāng)視點(diǎn)距離它很遠(yuǎn)時(shí)，圖像只能在屏幕上占據(jù)很少的像素。在這種情況下，可以用多種不同的精度表示，并根據(jù)視點(diǎn)位置的變化或者物體圖像在屏幕上所占據(jù)的像素?cái)?shù)多少而選擇不同精度的模型予以成像，這是非常有效的手段。這種方法通常稱為層次細(xì)節(jié) (1evel of details，LOD)顯示和簡化技術(shù)。
LOD模型是對(duì)原始幾何模型按照一定的算法進(jìn)行簡化后模型的一種總稱。簡化后的模型在幾何數(shù)量上比原始的幾何模型的數(shù)據(jù)量減少了很多，降低了對(duì)計(jì)算機(jī)軟件和硬件設(shè)備的需求，從而提高了數(shù)據(jù)操縱 的速度，縮短了人機(jī)交互操作的時(shí)間，因此，在圖像的渲染速度上會(huì)有很大的提高。LOD模型的種類在幾何結(jié)構(gòu)上大致分為以下 3種類型：不連續(xù)的 LOD模型；連續(xù)的 LOD模型；幾何結(jié)構(gòu)自身的 I OD模型，如圖2所示。
2．3 漫游過程中的實(shí)時(shí)處理
在三維地下管網(wǎng)系統(tǒng)研究方面，使用地形 LOD模型和 R—Tree空間索引技術(shù)對(duì)大量的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游研究，取得一定進(jìn)展。但是在數(shù)據(jù)的狀態(tài)交換、高速的內(nèi)存交換機(jī)制、空問索引技術(shù)方面還有待進(jìn)一步研究和提高。由于地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)量比較大 ，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)漫游，因此，實(shí)時(shí)繪制出相應(yīng)的結(jié)果成為一個(gè)主要瓶頸。針對(duì)地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)在漫游過程中實(shí)現(xiàn)繪制的這一特殊性，實(shí)時(shí)加速方法主要通過使用改進(jìn)的平行投影技術(shù)、空間跳躍重采樣、相鄰幀間的連貫性關(guān)系三種方法來實(shí)現(xiàn)。 通過一組平行投射線而得到的形體投影稱平行投影 。平行投影又可根據(jù)投射線與投影面垂直與否分為平行正投影和平行斜投影。
使用光線投射技術(shù)，在沿視點(diǎn)投射出的光線上進(jìn)行重采樣時(shí)，有許多空體素，使用改進(jìn)的空問跳躍(Space--Leaping)技術(shù)可以跳過這些空體素，以加快繪制速度 。
在漫游過程中，由于相鄰的兩個(gè)視點(diǎn)位置和視線方向變化較小，相鄰幀的場景大部分是相同的，只有少部分不同，因此，可以利用相鄰幀的這種連貫性關(guān)系實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。
基于相鄰幀的連貫性，提出了一種兩步實(shí)時(shí)處理技術(shù) ；將當(dāng)前幀的處理分成兩步：近景和遠(yuǎn)景的處理。近景的處理利用改進(jìn)的兩階段光線投射技術(shù)，遠(yuǎn)景的處理利用改進(jìn)的加速對(duì)象投影處理遠(yuǎn)視點(diǎn)區(qū)域，并考慮了相鄰幀的連貫性，相鄰幀場景變化在一定范圍內(nèi)近視點(diǎn)場景重新計(jì)算，其余部分利用上一幀的結(jié)果進(jìn)行處理，然后再重新合成。
使用 OpenGI 的雙緩存技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)部分漫游功能。該技術(shù)使用兩個(gè)前后臺(tái)和兩個(gè)緩存繪制畫面。在顯示前臺(tái)緩存內(nèi)容中的一幀畫面時(shí)，后臺(tái)緩存正在繪制下一幀畫面；當(dāng)后臺(tái)緩存繪制完畢，后臺(tái)緩存內(nèi)容便顯示在屏幕上，而前臺(tái)此時(shí)又在繪制下一幀畫面內(nèi)容，如此循環(huán)反復(fù)，屏幕上總是顯示己經(jīng)畫好的圖形，看起來所有的畫面都是連續(xù)的。
3 結(jié)束語
三維可視化技術(shù)使傳統(tǒng)二維的、靜態(tài)的地圖向三維的、動(dòng)態(tài)的場景表示方向發(fā)展，在空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的支持下利用可虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行全方位的交互，而且可以對(duì)其中的空間對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，探索其中隱含的規(guī)律，對(duì)未來狀況進(jìn)行預(yù)測，并制訂出合理、可行的解決方案等。
通過對(duì)地下管網(wǎng)一系列問題的研究，主要解決以下幾個(gè)問題 ：
1)針對(duì)管線的布置特點(diǎn)和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立管線空間數(shù)據(jù)庫，充分表現(xiàn)管線間的空間拓?fù)潢P(guān)系。
2)在對(duì)管線數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫后，對(duì)管線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維顯示的可視化研究。
3)使用 OpenGL的雙緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下管線漫游查詢功能。
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