基于OpenGL的城市地下管網(wǎng)三維可視化實(shí)現(xiàn)

鄭海鵬 呂東芳

（淮南聯(lián)合大學(xué) 計(jì)算機(jī)系，安徽 淮南 232001）

隨著城市信息化建設(shè)步伐的不斷加快，城市自身的基礎(chǔ)設(shè)施及其相關(guān)的配套設(shè)施也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。地下管道被稱為城市的“生命線”[1-3]，負(fù)責(zé)為人們的生計(jì)傳輸許多必要的資源，如通信，供水和電加熱。它在城市的正常運(yùn)作中起著至關(guān)重要的作用。由于絕大多數(shù)城市管網(wǎng)埋在地下并處于“隱形”狀態(tài)，因此基于二維的地下管線無(wú)法直觀地描述管道信息。管網(wǎng)由二維顯示到三維可視化的轉(zhuǎn)換能有效解決上述問(wèn)題[4]。它可以形象地描述管網(wǎng)外觀特征以及管道和管道之間的空間相對(duì)位置關(guān)系。反映地下管線的真實(shí)空間分布，讓最初在2D平面中顯示的復(fù)雜管線可以以直觀的3D形式顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、技術(shù)路線及平臺(tái)的搭建

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、實(shí)用、低成本，易于維護(hù)與管理

系統(tǒng)采用VS2017、Open GL、Auto CAD等技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，能夠滿足大量GIS數(shù)據(jù)的管理要求，具有開(kāi)發(fā)高效，投入成本低等特點(diǎn)。在既定的系統(tǒng)框架下，無(wú)需更改系統(tǒng)框架，可靈活增加或減少功能模塊，便于系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

（2）功能完善，性能穩(wěn)定可靠

系統(tǒng)功能相對(duì)較為完善。支持多種文件格式管線數(shù)據(jù)的編輯、校驗(yàn)機(jī)制，針對(duì)絕大部分管線數(shù)據(jù)異常情況均能得到有效的處理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)入庫(kù)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

1.2 總體的技術(shù)路線

（1）利用VS2017集成開(kāi)發(fā)環(huán)境構(gòu)建C/S、B/S混合模式管理平臺(tái)框架；

（2）使用Auto CAD軟件將導(dǎo)入的管線數(shù)據(jù)生成平面2D管線；

（3）使用Open GL將2D管線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D可視化模型；

（4）利用Vega工具實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)的虛擬漫游；

1.3 系統(tǒng)平臺(tái)的搭建

系統(tǒng)平臺(tái)的搭建主要使用 vs2017、客戶端為 win7、服務(wù)器采用 WINDOWS SERVER2008。數(shù)據(jù)庫(kù)主要使用Oracle 11g用于存儲(chǔ)系統(tǒng)圖形原始數(shù)據(jù)[5]。搭建過(guò)程中，可以根據(jù)系統(tǒng)需求來(lái)增減相關(guān)功能模塊。這些功能模塊并不是簡(jiǎn)單孤立的個(gè)體，他們之間存在著信息上的交互。每個(gè)功能模塊和業(yè)務(wù)應(yīng)用程序都是以組件的形式設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的，并且盡可能優(yōu)化層中每個(gè)功能的耦合度。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

2 空間數(shù)據(jù)模型

2.1 空間數(shù)據(jù)模型概述

空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及其相互間聯(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(kù)模式提供基本方法[6]。因此，對(duì)空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識(shí)和研究在設(shè)計(jì)城市地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中起著舉足輕重的作用。

以現(xiàn)有的技術(shù)，不論何種數(shù)據(jù)模型均不能設(shè)計(jì)出通用的數(shù)據(jù)模型來(lái)囊括真實(shí)世界的所有方面。在三維管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將地下管網(wǎng)中管道的相關(guān)信息“數(shù)據(jù)化”（可以在計(jì)算機(jī)中表示、處理和分析），抽象成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)可識(shí)別的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型。為后續(xù)的應(yīng)用程序服務(wù)。以現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，GIS系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)模型主要采用拓?fù)潢P(guān)系或空間實(shí)體模型[7]。拓?fù)潢P(guān)系模型主要采用OPLYVRT結(jié)構(gòu)，記錄鏈（?。┬畔?，不同對(duì)象可以共享同一節(jié)點(diǎn)。從而大大增強(qiáng)了空間數(shù)據(jù)的可維護(hù)性。通過(guò)關(guān)聯(lián)共享節(jié)點(diǎn)以節(jié)省空間和相互約束，以確保模型的準(zhǔn)確性并提高可維護(hù)性。本文三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如表1所示：

表1 三維管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

2.2 空間數(shù)據(jù)模型分類

（1）概念模型：分場(chǎng)模型、對(duì)象模型、網(wǎng)路模型。場(chǎng)模型用于描述空間中連續(xù)分布的現(xiàn)象； 對(duì)象模型用于描述各種空間地物；網(wǎng)路模型用于模擬現(xiàn)實(shí)世界中的各種網(wǎng)絡(luò)；

（2）邏輯數(shù)據(jù)模型：分為面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型、矢量數(shù)據(jù)模型及柵格數(shù)據(jù)模型。

（3）物理數(shù)據(jù)模型：主要指概念數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)部具體的存儲(chǔ)形式和操作機(jī)制，即在物理磁盤上如何存放和存取，是系統(tǒng)抽象的最底層。

3 城市地下管網(wǎng)三維可視化

3.1 三維可視化建模常用的方法

（1）基于底層技術(shù)的虛擬場(chǎng)景建模，如Open GL、Drect3D等；

（2）使用軟件自己的建模模塊進(jìn)行建模，例如VP中的Creator建模工具；

（3）使用第三方建模工具（如3dsmax、Maya等）。

由于深層地下管道不易捕獲圖像，因此使用軟件自己的建模模塊進(jìn)行建模并使用第三方建模工具進(jìn)行建模不適用。因此，本文采用了基于OpenGL技術(shù)的虛擬場(chǎng)景建模方法。

3.2 OpenGL三維可視化建模的具體實(shí)現(xiàn)

3．2．1 OpenGL簡(jiǎn)介

Open GL（Open Graphics Library：開(kāi)放圖形庫(kù)）是一個(gè)API（即應(yīng)用程序編程接口）。涵蓋了從簡(jiǎn)單的環(huán)境實(shí)體基本屬性設(shè)置到復(fù)雜的環(huán)境實(shí)體二三維聯(lián)動(dòng)等多條命令，主要用于渲染2D、3D矢量圖形及三維建模，適用范圍廣，視覺(jué)效果直觀、逼真。

OpenGL虛擬場(chǎng)景建?；谟?jì)算機(jī)圖形，抽象真實(shí)場(chǎng)景和構(gòu)建具有多邊形的三維幾何模型。并在虛擬環(huán)境中建立照明和材料模型，然后進(jìn)行紋理映射和控制參數(shù)設(shè)置，完成模型構(gòu)建。

目前，利用OpenGL實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)三維建模有三種方式即：人工建模、半人工建模和自動(dòng)建模。使用人工手動(dòng)建模速度慢，適合單一建模；半手動(dòng)建模受到模型標(biāo)準(zhǔn)部分的限制，以適應(yīng)特定環(huán)境；自動(dòng)建?；谧詣?dòng)數(shù)據(jù)生成模型，具有生成速度快，精度高的特點(diǎn)，可以有效地應(yīng)用于工程應(yīng)用中的大型場(chǎng)景建模。

3．2．2 城市地下管網(wǎng)三維可視化實(shí)現(xiàn)

鑒于大部分城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)是基于2D平面的，主要用于規(guī)劃，決策，預(yù)警等， 對(duì)零件細(xì)節(jié)要求較低，但具有高精度，實(shí)時(shí)生成和修改的特點(diǎn)。所以采用自動(dòng)建模實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的三維可視化是較為理想的方式[8]。

將地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)抽象成模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的空間數(shù)據(jù)[9]，包括管道的相關(guān)屬性和管道參數(shù)（如管道坐標(biāo)、管徑、材料等）。建模過(guò)程如下：

（1）將模型數(shù)據(jù)庫(kù)中抽象化的管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Auto CAD中，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)提供詳細(xì)的管道中心線坐標(biāo)信息和管道直徑，以確定管道位置。最終生成2D管道圖像數(shù)據(jù)（管道的角度依據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算得出）。

（2）根據(jù)每個(gè)管道連接的連接條件生成管道連接模型。

（3）使用OpenGL根據(jù)管道材料和紋理信息數(shù)據(jù)將材質(zhì)和紋理映射給管道，并執(zhí)行著色處理以生成3D管道（三維管道生成示意圖如圖2所示）。

圖2 三維管道生成示意圖

4 系統(tǒng)主要功能的設(shè)計(jì)

4.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)錄入、編輯功能設(shè)計(jì)

管理模塊提供輸入，編輯和修改管網(wǎng)的屬性結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)的功能。或者在更新和修改地下管網(wǎng)后及時(shí)保存相關(guān)屬性信息，以方便日后查詢管理[10]。實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)管理的“數(shù)字化”。管道輸入采用鼠標(biāo)模式，管道入口分為兩種模式： 鼠標(biāo)輸入和鍵盤輸入。提供了縮放、移動(dòng)、區(qū)域選定等多種編輯功能。系統(tǒng)可以設(shè)置場(chǎng)景中的任意位置坐標(biāo)，在選定好要進(jìn)行標(biāo)注的管線或管點(diǎn)后，即可對(duì)相應(yīng)的管線或管點(diǎn)屬性進(jìn)行編輯設(shè)置。

4.2 查詢統(tǒng)計(jì)功能設(shè)計(jì)

查詢函數(shù)主要為管道屬性和空間信息提供管道查詢，屬性查詢，條件查詢等查詢方法。指定區(qū)域查詢可以選取系統(tǒng)視圖中任意圖形的形狀，確定區(qū)域并實(shí)現(xiàn)各種形式的查詢，例如矩形、圓形和多邊形。查詢結(jié)果在3D視圖中突出顯示，查詢結(jié)果的詳細(xì)信息以列表形式顯示，可以查看該區(qū)域中管道的相關(guān)屬性信息。屬性查詢和條件查詢可以指定管道或管道點(diǎn)的相關(guān)查詢條件并顯示其屬性信息。統(tǒng)計(jì)功能主要有：管線長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)、區(qū)域統(tǒng)計(jì)等。

4.3 管線分析功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集管線介質(zhì)流向、縱橫斷面、覆土深度、凈距、爆管、地基開(kāi)挖、連通性、管網(wǎng)漫游等多種分析功能于一身。

4．3．1 斷面分析

施工人員不需要在現(xiàn)場(chǎng)挖掘管道，只需要相關(guān)負(fù)責(zé)人在管理系統(tǒng)中查看管道的相關(guān)信息。在系統(tǒng)中拖動(dòng)鼠標(biāo)將管道切割成截面區(qū)域，在該區(qū)域中可清楚且直觀地看到管道的水平和垂直斷面部分以及每個(gè)管道的地下鋪設(shè)的實(shí)際狀況。管道離地高度和管間距等信息一目了然。同時(shí)，可以將配置文件的數(shù)據(jù)打印為圖像輸出。

4．3．2 覆土深度分析

周邊土壤及氣候等環(huán)境因素對(duì)地下管道影響較大。系統(tǒng)根據(jù)對(duì)比預(yù)設(shè)的最小覆土深度數(shù)值分析管網(wǎng)數(shù)據(jù)，便于查找違規(guī)鋪設(shè)的地下管線，對(duì)于不符合規(guī)定的管道以紅色顯示。

4．3．3 垂直凈距分析

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要選擇要咨詢的區(qū)域，選擇管道或管道點(diǎn)后，系統(tǒng)可以自動(dòng)生成管道垂直間隙分析圖， 并計(jì)算該區(qū)域內(nèi)管道與管道點(diǎn)之間的垂直間隙（垂直凈距）。不合理的管道和管道點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果在主視圖中突出顯示，特定數(shù)據(jù)在圖表中也標(biāo)記為紅色。

4．3．4 流向分析

系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)中管道的拓?fù)湫畔⒑拖鄳?yīng)閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉，計(jì)算不同管道中介質(zhì)的流向。并在3D場(chǎng)景中標(biāo)記，通過(guò)特定的流向分析（如圖3所示），可以快速準(zhǔn)確地顯示所選區(qū)域中管線介質(zhì)的流經(jīng)方向。

圖3 介質(zhì)流向分析

4．3．5 爆管分析

地下管道由于壓力過(guò)大，出現(xiàn)爆管是較為常見(jiàn)的災(zāi)害性事故。如果不能進(jìn)行及時(shí)處理或者處理過(guò)程中出現(xiàn)處理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，極有可能為城市帶來(lái)無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)民生造成極大的困擾和負(fù)面影響。系統(tǒng)通過(guò)分析硬件監(jiān)控設(shè)備傳遞的實(shí)時(shí)管線壓力數(shù)值，模擬管線爆裂影響的實(shí)際范圍。

4．3．6 開(kāi)挖分析

利用該功能模塊設(shè)定區(qū)域的邊界及挖掘深度，設(shè)定區(qū)域的地形會(huì)自行塌陷。顯示其下面的地下管網(wǎng)分布情況。

4．3．7 連通性及閥門閉合分析

指定兩條不同的管道，對(duì)與指定的兩條管道間有關(guān)聯(lián)的全部管道進(jìn)行連通性分析。閥門閉合分析則根據(jù)指定的關(guān)閉閥門分析識(shí)別受影響的管道。

4．3．8 地下管網(wǎng)虛擬漫游

管網(wǎng)虛擬漫游可具體劃分為：手動(dòng)漫游和自動(dòng)漫游。手動(dòng)漫游可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的360度全方位視圖。也可通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的移動(dòng)變焦。自動(dòng)漫游用于實(shí)現(xiàn)用戶指定路徑的漫游。