基于開源OSG引擎開發三維管線信息系統

尹志永，王濤，周磊，黎慕韓

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引言

城市地下綜合管網是城市重要的基礎設施，擔負著信息傳輸、能源輸送等工作，隨著城市化進程的加快，目前我國許多城市已形成大規模、縱橫交錯的地下管網。很多城市因此建立了地下管線信息系統以對地下管網進行科學、信息化管理，但這些系統大多數是二維的，不能清晰直觀地顯示空間層次復雜的地下管網。三維管線模型能直觀地描述城市地下管線間縱橫交錯、上下起伏的空間關系，具有較強的立體感和逼真感，有利于真實全面地反映地下管網的分布狀況，因而城市三維管線信息系統的研制非常必要。城市三維管線信息系統利用三維可視化技術，將地下管網以三維模型的形式直觀地表現出來，為市政各部門提供準確的管線信息以輔助分析與決策。

在技術上，開發三維管線信息系統一般有數學類技術和基于已有三維GIS平臺進行二次開發兩種途徑。其中，數學類技術主要利用計算機圖形學及相關數學知識，結合OpenGL、DirectX等技術從底層進行管線建模及三維場景管理。基于已有三維GIS平臺上進行二次開發通常存在后期信息處理量大、接口擴展困難、開發成本較高等缺點，因而基于OpenGL或DirectX的數學類技術成為三維管線系統開發的較佳選擇。OpenSceneGraph(簡稱OSG)是一套開源、免費的三維場景圖形開發庫，它是基于工業標準OpenGL的軟件接口，實現了對OpenGL的完全類封裝，建立了面向對象的框架，使程序員能快速便捷地創建高性能、跨平臺的三維交互式圖形程序。隨著虛擬仿真技術的發展，OSG已在三維地理信息系統、計算機輔助設計、科學與工業數據可視化、網絡游戲等多個行業得到廣泛應用。

要建立三維管線信息系統，主要需解決管線三維建模，三維數據可視化及管理兩個難題。本系統建立過程中，三維管線建模利用的是基于3ds Max SDK開發的自動建模插件，采用VC++在MFC框架下基于OSG引擎開發三維管線信息系統。

2 開發3ds Max插件用于管網自動建模

城市地面建筑的三維數據可通過LiDAR技術直接獲取，而三維形式的地下管線數據尚無直接獲取手段，只能從管線屬性數據中提取相應的屬性來模擬實現管線的三維可視化。通常城市地下管線數據存儲形式為屬性信息與圖形信息并行存儲，即以數據庫文件(如Access的MDB文件)存儲屬性信息，以圖形文件(如CAD的DWG文件)存儲圖面信息。

三維管線模型和三維附屬設施模型統稱三維管網模型。管網數據的三維建模利用專業的三維建模及渲染軟件3ds Max制作，宜采用自動化方式，具體實現則是利用3ds Max SDK技術開發自動建模插件。建模插件開發的原理是:從MDB文件讀取管網數據的屬性信息及坐標值，包括:管點平面坐標及高程，管點特征，附屬設施的類別，管線尺寸、材質、埋設方式等屬性，再調用3ds Max函數庫的相應接口自動解算出管線的長度、走向及角度等屬性并生成與實地相符的管網模型;對于種類繁多、構造各異的附屬設施，通過在3ds Max中創建設施模型庫，在批量生成時從設施模型庫中調用即可自動完成。本系統包括了自主開發的管網自動建模插件，如圖1所示。在利用插件自動制作管網模型的過程中，賦予每個管網模型唯一的標識符，該標識符與MDB數據庫中管線或附屬設施的ID號一一對應，將用于應用系統的查詢及統計功能模塊。

利用與3ds Max版本相匹配的OSG Export for max9插件，將創建的管網模型整體導出為OSG內部支持的IVE格式，IVE格式是二進制的，具有讀寫快速、易操作的特點，三維模型導出如圖2所示。該OSG Export插件可從網上免費下載。

圖1 管網自動建模插件

圖2 三維管網模型導出

3 OSG介紹及關鍵技術

OSG主要為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化功能，它使用可移植的ANSI C++編寫而成，并使用已成為工業標準的OpenGL底層渲染API。OSG作為中間件為應用軟件提供了各種高級渲染特性、IO及空間結構組織函數。OSG以場景樹結構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點的形式存在。OSG運行時文件由一系列動態鏈接庫(或共享對象)及可執行文件組成，這些鏈接庫可分為5大類，共同構成了OSG的運行體系，鏈接庫的功能如表1所示。

OSG鏈接庫功能表 表1

基于OSG引擎開發三維系統所用到的關鍵技術有:

(1)場景裁減。對一個龐大的三維系統而言，往往存在大量無助于最終渲染結果的對象，把無用的對象從場景結構中暫時剔除，將剩余有效的場景對象發送到OpenGL渲染管道，即只把最終為終端用戶所看到的對象發送到渲染管道。

(2)細節層次節點LOD(level of details)。LOD技術指，在場景中離視點較遠的區域分辨率較低，離視點較近的區域分辨率較高，而且隨著視點的改變場景的變化具有連續性。當物體僅覆蓋較小區域時，可用粗略模型來繪制，既不影響視覺效果，又可提高繪制效率。OSG內部采用PagedLOD分頁數據庫調度策略，不一次性將數據全部調入，而是根據視點需要，實時從外存調入相應的數據，從而實現大范圍地形的流暢渲染。

(3)數據動態調度。上述兩種技術都不能從根本上解決在內存中可能要存儲海量數據這一問題，因此數據的動態調度尤為重要，在顯示當前視域的同時，判斷下一步可能要載入的數據，做出正確的加載和卸載處理，確保內存中始終維持有限的數據額度。

4 三維管線信息系統

三維管線信息系統的框架由三部分構成:數據層、驅動層和應用層，其系統結構如圖3所示。

圖3 三維管線信息系統體系結構

(1)數據層。系統所用數據包括3類:屬性數據MDB文件、三維管網模型和三維地形模型。MDB數據庫文件作為屬性文件供系統查詢、統計等功能使用，而三維管網模型的創建前文已予以論述。三維地形模型也是系統不可缺少的部分，其與作為核心的管網模型共同構成了場景數據源。三維地形模型由地表DOM與表達地形起伏的DEM融合而成，其構建工具為VPB，下文將對VPB進行闡述。

(2)驅動層。通過OSG三維渲染引擎對場景數據進行渲染和顯示，為用戶提供一個動態的、具有空間參考的三維交互式立體環境。

(3)應用層。提供三維管網模型在三維地形環境下的動態瀏覽、交互式漫游、數據查詢、數據統計輸出、數據管理等功能。

4.1 利用VPB創建三維地形模型

VirtualPlanetBuilder(簡稱VPB)是基于OSG的三維地形數據生成工具，利用VPB工具，輸入影像數據及高程數據后可高效的構建出各種規模的分塊分頁地形數據庫。VPB是開源工具，其與OSG緊密結合所生成的瓦片數據可保存在本地計算機上進行快速瀏覽，且具備TB級的數據處理能力。VPB以開源的柵格空間數據和影像數據讀寫庫GDAL作為支撐，所以其支持的數據格式多達數十種。VPB支持多數據源的自動處理，在命令行窗口下使用VPB中的vpbmaster程序制作三維地形數據庫。構建的三維地形模型以OSG內部支持的二進制IVE格式寫到硬盤，可快速的加載到OSG場景中以供瀏覽和漫游。本系統所用的影像數據是2.5 m的SPOT 5彩色影像，高程數據分辨率是25 m。

4.2 應用系統開發

應用系統采用VC2010開發平臺的MFC框架，結合OSG引擎開發。VC2010包含的MFC Feature Pack功能包對傳統MFC庫進行了擴展，開發出的應用程序具有類似新版Visual Studio、Microsoft Office或Internet Explorer等流行界面的視覺效果。應用系統功能界面如圖4所示。

圖4 三維管線信息系統

系統功能主要包括:動態瀏覽、場景漫游、基本查詢及標注、地物定位及收藏、數據統計、專題圖表輸出及數據管理。

(1)動態瀏覽。具有多視角切換的動態瀏覽功能，場景視窗可自定義放大、縮小。該功能是通過實時修改場景照相機Camera類、觀察矩陣(觀察者的位置和姿態)的方式來實現平滑的動態瀏覽。

(2)場景漫游。本系統中場景漫游方式包括3種:軌跡球方式、步行方式及自定義路徑飛行方式。軌跡球方式為OSG系統自帶的。步行方式和自定義路徑飛行方式的實現通過對OSG API中的GUIEventHandler和CameraManipulator類的繼承來實現。自定義路徑飛行方式可按設計路徑進行飛行漫游，功能較實用。

(3)基本查詢及標注。打開工程時，存儲管網對象屬性的MDB文件也同步加載。三維管網對象與MDB屬性數據庫通過唯一標識符一一對應，當點擊(或捕捉)到某一模型對象時，圖形系統返回對象的唯一標識符，通過該標識符程序從MDB數據庫中通過SQL語言檢索出其屬性并顯示出來，并可按用戶的定制要求在視窗中立體標注。三維場景中對象的捕捉通過對OSG API中的GUIEventHandler的繼承來實現，文字標注則用到了HUD(抬頭顯示)技術。

(4)地物定位及收藏。三維場景中模型對象的快速定位是常見而實用的功能，本系統通過給定對象的標識符可自動定位對象并使其居中顯示。收藏功能則是將感興趣對象添加入系統收藏夾，點擊收藏節點即可自動定位到興趣對象上。

(5)數據統計及專題圖表輸出。通過SQL語言從MDB數據庫中檢索出符合條件的管網對象并進行統計，生成各種統計圖表并輸出。本系統還具有專題斷面圖繪制功能，具有場景截圖功能。

(6)數據管理。對工程中包含的管網模型，三維地形數據及MDB屬性文件進行維護及管理。

5 結語

在目前基于三維GIS平臺開發三維管線信息系統存在成本高、不易擴展、技術尚不成熟的情況下，充分利用開源的、開發難度不高、場景性能優越的OSG引擎開發應用系統則具有實用性、經濟性的意義。通過調用OSG API實現三維場景的動態渲染和顯示，使該系統具有良好的交互式三維可視化效果。將MDB數據庫中對象屬性與三維管網模型進行映射，通過SQL技術實現三維模型的查詢、統計及輸出，實現了三維模型的信息化，使得本系統具有初步的信息系統特點，奠定了三維信息管理的基礎。

本系統還有許多方面有待進一步研究和開發，主要有:系統數據不包含地上建筑、景觀等模型，導致場景內容不夠豐富;系統尚不具備嚴格的GIS功能(如空間查詢，管網對象的空間分析)，如何將成熟的二維GIS組件技術引入到系統中來也值得研究。

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