地下管網(wǎng)三維可視化平臺設計與實現(xiàn)

張 芳，吳 思，陳 勇，張金花，杜 凱

(國家測繪地理信息局第六地形測量隊，四川 成都 610500)

地下管線是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。面對近年大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等災害頻發(fā)[1]，加之基礎設施容量的不斷擴大，城市管線數(shù)據(jù)精細化管理和動態(tài)調(diào)控的需求越來越高，傳統(tǒng)的地下管網(wǎng)二維數(shù)據(jù)表達模式難以對錯綜復雜的地下管網(wǎng)綜合信息進行有效的空間描述和信息表達[2-3]。地下管網(wǎng)三維可視化能夠提高管線的立體感和逼真感，有利于全面、真實反映地下管網(wǎng)縱橫交錯、上下起伏的空間關(guān)系[4-6]，因而成為新興的管線數(shù)據(jù)展示與管理方式。

目前，我國已有多個城市建立了三維可視化的地下管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)研發(fā)的基礎平臺大多以商業(yè)地理信息平臺Skyline為主[7-8]，但由于Skyline平臺昂貴，且限于該平臺本身的技術(shù)瓶頸，現(xiàn)有的地下管網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)仍存在管網(wǎng)附屬物

表達失真、成果加載和顯示效率欠佳等問題。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，OpenSceneGraph(OSG)作為一個開源的三維圖形渲染引擎，正逐漸被應用于水利工程[9]、校園漫游[10]、地下管網(wǎng)[11]等多個行業(yè)。其中，以OSG為基礎平臺的地下管網(wǎng)三維可視化平臺研發(fā)，現(xiàn)階段也僅實現(xiàn)了地下管網(wǎng)管體本身的立體展示，不包含地表及地上建筑、景觀等模型，且缺乏專業(yè)的空間查詢與分析功能。

因此，本文以OSG為基礎平臺，采用OpenGL和標準C++語言設計的三維渲染引擎，從底層自主構(gòu)建地上地下一體化的管網(wǎng)三維可視化平臺，通過調(diào)用天地圖數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)地下管網(wǎng)與多源地上數(shù)據(jù)的無縫集成、聯(lián)動和高效展示，并提供了豐富的專業(yè)管網(wǎng)分析功能，為地下管線普查成果的即時展示與管理奠定了良好的基礎。

1 OSG及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 OSG開發(fā)包

OSG是一個開源的三維圖形渲染引擎，它包含了一系列的開源圖形庫，主要為圖形圖像應用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能，讓程序員能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。它作為中間件為應用軟件提供了各種高級渲染特性、IO，以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。OSG以場景樹結(jié)構(gòu)對三維模型進行組織與管理，場景中的模型、地形、陰影等均以場景樹節(jié)點的形式存在。OSG運行體系由OSG核心庫、NodeKits庫、OSG插件、互操作庫、擴展程序和示例5大動態(tài)鏈接庫(或共享對象)及可執(zhí)行文件組成[12]。其采用標準C++和OpenGL編寫而成，可運行在所有的Windows平臺、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX、Android和FreeBSD操作系統(tǒng)之上，具有廣泛的應用前景。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 數(shù)據(jù)分層分塊高效加載

由于管網(wǎng)三維可視化平臺涉及地下管網(wǎng)、地表高程及地面遙感影像等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，直接影響系統(tǒng)運行效率。為使系統(tǒng)運行更為流暢，用于制作三維地形場景的遙感影像及高程數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的數(shù)字城市分塊數(shù)據(jù)動態(tài)加載。地下管網(wǎng)則采用分層動態(tài)加載，即：將視窗顯示比例尺分為小中大3個層次，不同地下管網(wǎng)類型逐層加載和調(diào)度。第1層，僅僅加載長度占比大的排水管網(wǎng)；第2層，加載通信管線及供水管線；第3層，加載顯示其他所有剩余管線，從而實現(xiàn)地下管網(wǎng)由簡單到復雜的逐層加載和調(diào)度。

1.2.2 基于GPU的管網(wǎng)實時建模與渲染

平臺突破了目前基于Open GL算法實現(xiàn)管網(wǎng)建模的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)代的GPU強大的可編程性，通過編寫高級著色程序控制渲染管線中的各個模塊，極大地擴展了GPU的功能[13]，將管網(wǎng)建模的計算任務全部交由GPU完成，大大減輕了CPU的計算負載，顯著提高了管網(wǎng)建模的速度。同時，利用GPU提供的幾何著色器自動批量生成管線的頂點數(shù)據(jù)，構(gòu)建管線三角網(wǎng)，進一步提高了管網(wǎng)建模效率，并能夠完成各類不同材質(zhì)、紋理、陰影的地下管線實時建模和真實感渲染，確保了地上地下一體化的高效展示。

1.2.3 基于Arcball的瀏覽交互

三維場景中的交互漫游通過改變觀察者在三維場景中的位置實現(xiàn)。當交互對象是一個三維物體時，二維屏幕與三維物體之間的交互動作則受到限制。平臺交互設計中將數(shù)學與人機交互相結(jié)合，采用基于四元數(shù)理論的ArcBall算法[14]，實現(xiàn)二自由度的鼠標表達三自由度的空間旋轉(zhuǎn)。其特點在于將鼠標的拖曳運動想象成在一個投影球面上繪制弧線，并將這一運動弧線映射到實際三維場景中，通過改變視點和視角實現(xiàn)交互漫游的動作，從而靈活、穩(wěn)定、方便地表達三維對象的自由旋轉(zhuǎn)或受約束旋轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 架構(gòu)設計

平臺架構(gòu)設計以“先把復雜問題簡單化，再把簡單問題深入細化”為指導思想[15]，采用成熟的面向?qū)ο筌浖O計方法，在遵循業(yè)務可擴展、兼容、穩(wěn)定、安全和保密等原則下，采用統(tǒng)一的矩陣式體系結(jié)構(gòu)，包括硬件層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層和用戶層5個層次，平臺架構(gòu)設計如圖1所示。

(1) 硬件層：包括輸入輸出設備、存儲備份設備及網(wǎng)絡設備等，是平臺有效運行的基礎。

(2) 數(shù)據(jù)層：平臺采用Oracle 11g大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)基礎地理數(shù)據(jù)、三維模型、實景影像等的高效存儲和管理。

(3) 服務層：應用服務器采用微軟公司的IIS網(wǎng)絡信息服務，WebService通過C#語言搭建而成。

(4) 應用層：提供地上地下一體化的三維展示、聯(lián)動交互和專業(yè)分析等功能。

(5) 用戶層：為平臺用戶提供整潔美觀、簡單易用的用戶界面，為系統(tǒng)研發(fā)者組織管理應用服務提供良好的界面。

2.2 功能設計

為滿足三維可視化的展示效果，并結(jié)合用戶業(yè)務需求，自上而下設計平臺功能模塊，平臺主要模塊與功能如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

平臺以微軟公司的Visual Studio 2010為集成開發(fā)環(huán)境、.NET Framework 4.0框架為運行環(huán)境，采用MFC框架進行平臺界面的建設，以C/C++/VC++為主要語言進行功能的編碼實現(xiàn)。

3.1 場景瀏覽與交互

場景瀏覽與交互是三維地理信息平臺最直觀的功能，主要包括：放大、縮小、環(huán)繞、地表透明度及聯(lián)動交互等。其中，放大、縮小、環(huán)繞均可通過控制Camera類進行矩陣變換，從而達到場景的動態(tài)瀏覽；地表透明度為幫助用戶查看地下管線三維場景而設置，可以通過控制osgNode：setTransparent實現(xiàn)；聯(lián)動交互主要包括二三維和實景虛擬聯(lián)動等功能，可以通過osgViewer設計多個分屏，將各個分屏的視圖矩陣進行相關(guān)性操作達到多屏聯(lián)動的效果。如圖3—圖5所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

圖2 主要模塊與功能

圖3 地上地下一體化場景瀏覽

圖4 地下管網(wǎng)三維場景

圖5 二三維聯(lián)動

3.2 查詢統(tǒng)計

查詢統(tǒng)計模塊是根據(jù)用戶的請求，將數(shù)據(jù)服務器中用戶感興趣的地下管線數(shù)據(jù)提取出來并進行文字、表格或圖形化展示。管線類型、權(quán)屬單位、管線材質(zhì)、所屬道路、埋設類型、管點類型、附屬物類型的查詢統(tǒng)計是通過將用戶的請求轉(zhuǎn)化為SQL語句，傳遞給COracleService類，由COracleService類向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，將返回的結(jié)果傳遞給CPipeData類進行解析所得；管線信息查詢通過osgUtil獲取用戶屏幕點擊點與三維場景的交點，獲取場景中的單根管線或單個管點的信息；管線標注是通過osgText及osgWidget將場景中所有的管線或管點信息轉(zhuǎn)換為文字進行顯示。如圖6—圖7所示。

圖6 任意區(qū)域內(nèi)管點類型查詢

圖7 管線信息查詢

3.3 基本分析

基本分析模塊可以計算并展示用戶所需的三維場景空間信息，主要包括：水平距離、垂直距離、空間距離及投影面積的量算。該模塊基于osgUtil：LineSegmentIntersector類進行設計，通過用戶交互事件，選擇場景中的兩個(距離量算)或多個(面積量算)點，將其轉(zhuǎn)換為osgVec3d對象，在確定線或面的位置后根據(jù)距離、面積公式進行計算，并將計算結(jié)果通過osgText及osgWidget類進行展示實現(xiàn)。如圖8—圖9所示。

3.4 管網(wǎng)分析

平臺作為地下管網(wǎng)的應用軟件，具有豐富的專業(yè)管網(wǎng)分析功能。凈距分析、埋深分析、斷面分析功能分別基于osgUtil：LineSegmentIntersector類、osgGA：GUIEventHandler、CPipeData類進行設計，將用戶選擇的管線信息存入CPipeData中進行計算所得；碰撞分析通過獲取用戶在區(qū)域內(nèi)選擇的管線類型信息及多邊形信息，將其轉(zhuǎn)換為SQL語言，由COracleService類向應用服務器發(fā)送請求，并通過osgFX：Scribe類將碰撞點、碰撞管線進行高亮顯示；地形開挖通過osgTerrain：TerrainTile類，更換用戶劃定范圍內(nèi)的地形場景，從而實現(xiàn)模擬開挖。如圖10—圖12所示。

圖8 空間量測

圖9 面積量測

圖10 垂直凈距分析

圖11 斷面分析

圖12 碰撞分析

4 結(jié) 語

在地下管網(wǎng)三維可視化需求越來越大的形勢下，平臺充分利用場景性能優(yōu)越的OSG引擎進行系統(tǒng)研發(fā)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)管網(wǎng)本體與多源地上數(shù)據(jù)的一體化三維高效展示，而且具備專業(yè)的管網(wǎng)分析功能，脫離了長期依賴國外商業(yè)軟件的弊端，具有顯著的經(jīng)濟效益和實用推廣價值。下一步將結(jié)合管網(wǎng)的業(yè)務需求，深入研究管網(wǎng)在城市規(guī)劃與災害應急管理領域的功能研發(fā)。