地下管網(wǎng)三維可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 芳，吳 思，陳 勇，張金花，杜 凱

(國(guó)家測(cè)繪地理信息局第六地形測(cè)量隊(duì)，四川 成都 610500)

地下管線是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。面對(duì)近年大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等災(zāi)害頻發(fā)[1]，加之基礎(chǔ)設(shè)施容量的不斷擴(kuò)大，城市管線數(shù)據(jù)精細(xì)化管理和動(dòng)態(tài)調(diào)控的需求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的地下管網(wǎng)二維數(shù)據(jù)表達(dá)模式難以對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管網(wǎng)綜合信息進(jìn)行有效的空間描述和信息表達(dá)[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(shí)反映地下管網(wǎng)縱橫交錯(cuò)、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(guó)已有多個(gè)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(chǔ)平臺(tái)大多以商業(yè)地理信息平臺(tái)Skyline為主[7-8]，但由于Skyline平臺(tái)昂貴，且限于該平臺(tái)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(dá)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(gè)開源的三維圖形渲染引擎，正逐漸被應(yīng)用于水利工程[9]、校園漫游[10]、地下管網(wǎng)[11]等多個(gè)行業(yè)。其中，以O(shè)SG為基礎(chǔ)平臺(tái)的地下管網(wǎng)三維可視化平臺(tái)研發(fā)，現(xiàn)階段也僅實(shí)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O(shè)SG為基礎(chǔ)平臺(tái)，采用OpenGL和標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)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(tái)，通過調(diào)用天地圖數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)與多源地上數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成、聯(lián)動(dòng)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(shí)展示與管理奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 OSG及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 OSG開發(fā)包

OSG是一個(gè)開源的三維圖形渲染引擎，它包含了一系列的開源圖形庫(kù)，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場(chǎng)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(tái)的交互式圖形程序。它作為中間件為應(yīng)用軟件提供了各種高級(jí)渲染特性、IO，以及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。OSG以場(chǎng)景樹結(jié)構(gòu)對(duì)三維模型進(jìn)行組織與管理，場(chǎng)景中的模型、地形、陰影等均以場(chǎng)景樹節(jié)點(diǎn)的形式存在。OSG運(yùn)行體系由OSG核心庫(kù)、NodeKits庫(kù)、OSG插件、互操作庫(kù)、擴(kuò)展程序和示例5大動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(或共享對(duì)象)及可執(zhí)行文件組成[12]。其采用標(biāo)準(zhǔn)C++和OpenGL編寫而成，可運(yùn)行在所有的Windows平臺(tái)、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX、Android和FreeBSD操作系統(tǒng)之上，具有廣泛的應(yīng)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(tái)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(yùn)行效率。為使系統(tǒng)運(yùn)行更為流暢，用于制作三維地形場(chǎng)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(dòng)態(tài)加載。地下管網(wǎng)則采用分層動(dòng)態(tài)加載，即：將視窗顯示比例尺分為小中大3個(gè)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的逐層加載和調(diào)度。

1.2.2 基于GPU的管網(wǎng)實(shí)時(shí)建模與渲染

平臺(tái)突破了目前基于Open GL算法實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)建模的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)代的GPU強(qiáng)大的可編程性，通過編寫高級(jí)著色程序控制渲染管線中的各個(gè)模塊，極大地?cái)U(kuò)展了GPU的功能[13]，將管網(wǎng)建模的計(jì)算任務(wù)全部交由GPU完成，大大減輕了CPU的計(jì)算負(fù)載，顯著提高了管網(wǎng)建模的速度。同時(shí)，利用GPU提供的幾何著色器自動(dòng)批量生成管線的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建管線三角網(wǎng)，進(jìn)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(shí)時(shí)建模和真實(shí)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(chǎng)景中的交互漫游通過改變觀察者在三維場(chǎng)景中的位置實(shí)現(xiàn)。當(dāng)交互對(duì)象是一個(gè)三維物體時(shí)，二維屏幕與三維物體之間的交互動(dòng)作則受到限制。平臺(tái)交互設(shè)計(jì)中將數(shù)學(xué)與人機(jī)交互相結(jié)合，采用基于四元數(shù)理論的ArcBall算法[14]，實(shí)現(xiàn)二自由度的鼠標(biāo)表達(dá)三自由度的空間旋轉(zhuǎn)。其特點(diǎn)在于將鼠標(biāo)的拖曳運(yùn)動(dòng)想象成在一個(gè)投影球面上繪制弧線，并將這一運(yùn)動(dòng)弧線映射到實(shí)際三維場(chǎng)景中，通過改變視點(diǎn)和視角實(shí)現(xiàn)交互漫游的動(dòng)作，從而靈活、穩(wěn)定、方便地表達(dá)三維對(duì)象的自由旋轉(zhuǎn)或受約束旋轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)以“先把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，再把簡(jiǎn)單問題深入細(xì)化”為指導(dǎo)思想[15]，采用成熟的面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)方法，在遵循業(yè)務(wù)可擴(kuò)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(wù)層、應(yīng)用層和用戶層5個(gè)層次，平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

(1) 硬件層：包括輸入輸出設(shè)備、存儲(chǔ)備份設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，是平臺(tái)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。

(2) 數(shù)據(jù)層：平臺(tái)采用Oracle 11g大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和文件數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維模型、實(shí)景影像等的高效存儲(chǔ)和管理。

(3) 服務(wù)層：應(yīng)用服務(wù)器采用微軟公司的IIS網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)，WebService通過C#語(yǔ)言搭建而成。

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

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

2.2 功能設(shè)計(jì)

為滿足三維可視化的展示效果，并結(jié)合用戶業(yè)務(wù)需求，自上而下設(shè)計(jì)平臺(tái)功能模塊，平臺(tái)主要模塊與功能如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)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(yùn)行環(huán)境，采用MFC框架進(jìn)行平臺(tái)界面的建設(shè)，以C/C++/VC++為主要語(yǔ)言進(jìn)行功能的編碼實(shí)現(xiàn)。

3.1 場(chǎng)景瀏覽與交互

場(chǎng)景瀏覽與交互是三維地理信息平臺(tái)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(dòng)交互等。其中，放大、縮小、環(huán)繞均可通過控制Camera類進(jìn)行矩陣變換，從而達(dá)到場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)瀏覽；地表透明度為幫助用戶查看地下管線三維場(chǎng)景而設(shè)置，可以通過控制osgNode：setTransparent實(shí)現(xiàn)；聯(lián)動(dòng)交互主要包括二三維和實(shí)景虛擬聯(lián)動(dòng)等功能，可以通過osgViewer設(shè)計(jì)多個(gè)分屏，將各個(gè)分屏的視圖矩陣進(jìn)行相關(guān)性操作達(dá)到多屏聯(lián)動(dòng)的效果。如圖3—圖5所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

圖2 主要模塊與功能

圖3 地上地下一體化場(chǎng)景瀏覽

圖4 地下管網(wǎng)三維場(chǎng)景

圖5 二三維聯(lián)動(dòng)

3.2 查詢統(tǒng)計(jì)

查詢統(tǒng)計(jì)模塊是根據(jù)用戶的請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)服務(wù)器中用戶感興趣的地下管線數(shù)據(jù)提取出來(lái)并進(jìn)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(shè)類型、管點(diǎn)類型、附屬物類型的查詢統(tǒng)計(jì)是通過將用戶的請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為SQL語(yǔ)句，傳遞給COracleService類，由COracleService類向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，將返回的結(jié)果傳遞給CPipeData類進(jìn)行解析所得；管線信息查詢通過osgUtil獲取用戶屏幕點(diǎn)擊點(diǎn)與三維場(chǎng)景的交點(diǎn)，獲取場(chǎng)景中的單根管線或單個(gè)管點(diǎn)的信息；管線標(biāo)注是通過osgText及osgWidget將場(chǎng)景中所有的管線或管點(diǎn)信息轉(zhuǎn)換為文字進(jìn)行顯示。如圖6—圖7所示。

圖6 任意區(qū)域內(nèi)管點(diǎn)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(jì)算并展示用戶所需的三維場(chǎng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，通過用戶交互事件，選擇場(chǎng)景中的兩個(gè)(距離量算)或多個(gè)(面積量算)點(diǎn)，將其轉(zhuǎn)換為osgVec3d對(duì)象，在確定線或面的位置后根據(jù)距離、面積公式進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果通過osgText及osgWidget類進(jìn)行展示實(shí)現(xiàn)。如圖8—圖9所示。

3.4 管網(wǎng)分析

平臺(tái)作為地下管網(wǎng)的應(yīng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，將用戶選擇的管線信息存入CPipeData中進(jìn)行計(jì)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(yǔ)言，由COracleService類向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，并通過osgFX：Scribe類將碰撞點(diǎn)、碰撞管線進(jìn)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(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)模擬開挖。如圖10—圖12所示。

圖8 空間量測(cè)

圖9 面積量測(cè)

圖10 垂直凈距分析

圖11 斷面分析

圖12 碰撞分析

4 結(jié) 語(yǔ)

在地下管網(wǎng)三維可視化需求越來(lái)越大的形勢(shì)下，平臺(tái)充分利用場(chǎng)景性能優(yōu)越的OSG引擎進(jìn)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(zhǎng)期依賴國(guó)外商業(yè)軟件的弊端，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用推廣價(jià)值。下一步將結(jié)合管網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，深入研究管網(wǎng)在城市規(guī)劃與災(zāi)害應(yīng)急管理領(lǐng)域的功能研發(fā)。