基于DirectX 地下電纜設(shè)施可視化

王成

（北京建筑大學(xué) 測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院,北京100044）

電力電纜是管網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分, 承擔(dān)著城市供電網(wǎng)絡(luò)的輸電任務(wù),是發(fā)揮城市作用,保證城市快速協(xié)調(diào)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前, 電纜入地已成為現(xiàn)代文明城市的標(biāo)志之一,城市地下管線是城市建設(shè)的重要組成部分, 是保證城市生產(chǎn)和人民生活的重要基礎(chǔ),被譽(yù)為城市發(fā)展的“生命線”,而地下電纜是城市地下管線的重要部分,是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。

由于作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的地下電纜管線處于地下深處,而地下環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,各種管道相交錯(cuò),特定的空間信息不可見(jiàn)。雖然可以基于現(xiàn)有的紙質(zhì)資料和圖片資料大致的了解位置信息和屬性信息, 但是更具體和詳細(xì)的信息很難通過(guò)這些數(shù)據(jù)反映出來(lái)。因此,本文提出一種基于DirectX 的地下電纜可視化的方法,實(shí)現(xiàn)具體細(xì)節(jié)的可視化管理。即實(shí)現(xiàn)了大范圍的可視化管理,又充分完善了三維模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、走向等數(shù)據(jù)信息。

1 概述

對(duì)于管線的需求不僅僅是數(shù)據(jù)上的存儲(chǔ)和管理,而是有著更廣的需要,于是基于三維的管線系統(tǒng)開(kāi)始逐步發(fā)展,如畢天平、周京春等人對(duì)地下管線進(jìn)行了深入的研究,提出了基于ArcGIS 的三維管線信息管理系統(tǒng),建立了昆明三維地下管線系統(tǒng),惠立、宋艷蘋(píng)等人使用三維GIS 軟件Skyline 對(duì)油田管網(wǎng)進(jìn)行了三維開(kāi)發(fā),實(shí)質(zhì)是在GIS 平臺(tái)上進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)[2]。張芳,吳思等人使用OSG(Open Scene Graph)作為三維圖形引擎對(duì)地下電纜實(shí)現(xiàn)了可視化管理,OSG 實(shí)質(zhì)是對(duì)OpenGL 的封裝,雖然可以快速便捷的進(jìn)行三維開(kāi)發(fā),但是未從底層開(kāi)發(fā),功能受接口限制[3]。

本文從底層開(kāi)發(fā),采用C++為底層語(yǔ)言,以DirectX11 作為可視化引擎, 采用面向?qū)ο蠛湍K分離的方法進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)地下電纜三維可視化交互操作,按照地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)合顯示,以地下電纜為主線,直觀地顯示工井、管線、附屬設(shè)施以及地表建筑之間的空間關(guān)系,為地下電纜管線管理部門(mén)和各類管線運(yùn)營(yíng)單位提供科學(xué)的技術(shù)支持和分析手段,能夠?yàn)殡娎|管網(wǎng)改造和維修工程提供直觀、可靠的決策依據(jù)。

2 可視化引擎

2.1 可視化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)模型是整個(gè)引擎提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ), 根據(jù)多源空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn),對(duì)工井點(diǎn)云、工井三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,建立多源空間數(shù)據(jù)模型。多源空間數(shù)據(jù)模型總的關(guān)系是以點(diǎn)、線框、表面、實(shí)體模型進(jìn)行表達(dá)。

其中點(diǎn)云結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為:

點(diǎn)云P C V X Y Z 點(diǎn)云位置 B R B G B B B A 點(diǎn)云顏色

基于以上點(diǎn)云結(jié)構(gòu)分析,以測(cè)站點(diǎn)云為單位,對(duì)于數(shù)據(jù)量大的點(diǎn)云,對(duì)每站再進(jìn)行細(xì)分,形成每站一個(gè)全局唯一的SurID,每站數(shù)據(jù)包含點(diǎn)云數(shù)據(jù)、屬性信息、空間包圍盒以及行和列等,形成如下所示的多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

測(cè)站點(diǎn)云 S P S ID 測(cè)站編號(hào)(全局唯一) MAXBOX MINBOX 包圍盒 P SI 點(diǎn)云個(gè)數(shù) P C V D 點(diǎn)云數(shù)據(jù) P C 點(diǎn)云列 P R 點(diǎn)云行

工井模型是利用點(diǎn)云進(jìn)行三維重構(gòu)生成的三角網(wǎng)模型,是多源空間數(shù)據(jù)應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)之一。一個(gè)場(chǎng)景對(duì)象由一個(gè)或多個(gè)模型構(gòu)成,模型主要由頂點(diǎn)列表、子集結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、矩陣參數(shù)以及組件名稱組成。其中模型主要包括為工井模型,設(shè)備模型以及工井與工井之間的埋設(shè)模型。其中工井模型由工井截面,井蓋,電纜段構(gòu)成。

不規(guī)則三角網(wǎng)模型中,頂點(diǎn)列表包括位置信息、法線、紋理坐標(biāo)組成;子集信息包含頂點(diǎn)列表、材質(zhì)名稱、材質(zhì)對(duì)應(yīng)的資源視圖、子集對(duì)應(yīng)的索引緩存的開(kāi)始位置、子集對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)數(shù)目以及材質(zhì)對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)、光照模型。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為:

三角網(wǎng)頂點(diǎn)M V XMFLOAT P 位置 XMFLOAT N 法線 XMFLOAT TC 紋理 三角網(wǎng)子集M S M UINT M I 對(duì)應(yīng)材質(zhì)索引 UINT S I 子集對(duì)應(yīng)的索引 UINT I C 子集索引個(gè)數(shù) 三角網(wǎng)子集材質(zhì)M S M N 名稱 I I S 材質(zhì) 信息 XMVECTOR A XMVECTOR D XMVECTOR S XMVECTOR E XMVECTOR R 光照

以上為點(diǎn)云結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),依據(jù)此空間數(shù)據(jù)模型可以真實(shí)的在場(chǎng)景中表達(dá)三維信息,實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的快速繪制。

2.2 可視化流程

多源空間數(shù)據(jù)模型建立完畢后, 利用Direct3D11 的GPU 的可編程技術(shù),對(duì)著色器進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)。三維圖形經(jīng)過(guò)輸入裝配階段在頂點(diǎn)著色器進(jìn)行模型頂點(diǎn)信息的三維空間變換(包括頂點(diǎn)變換、光照計(jì)算等),經(jīng)過(guò)流輸出和光柵化階段,最后像素著色器進(jìn)行像素重采樣。系統(tǒng)將像素信息組織成位面,通過(guò)位面組成幀緩存, 最后將幀緩存中的全部像素亮度和顏色控制信息顯示在二維平面上。

頂點(diǎn)著色階段是進(jìn)行多源空間數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵階段,頂點(diǎn)著色階段通過(guò)接收輸入裝配階段的頂點(diǎn)緩存數(shù)據(jù), 以及通過(guò)常量緩存?zhèn)魅氲目臻g變換矩陣,完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的矩陣運(yùn)算,從而將頂點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一到投影平面空間中。由于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空間的限制,而在大規(guī)模場(chǎng)景中頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)量是最大的,因此在大多數(shù)情況下,往往將頂點(diǎn)的其他屬性在頂點(diǎn)著色器內(nèi)設(shè)置,如視點(diǎn)位置、法向計(jì)算、對(duì)頂點(diǎn)賦指定顏色值等,利用GPU 的并行處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的頂點(diǎn)計(jì)算。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷深入,類似于以前手工的管理模式和管理手段已無(wú)法滿足“合理規(guī)劃、科學(xué)管理、優(yōu)質(zhì)服務(wù)”的要求。由于傳統(tǒng)的二維GIS 管理模式總是受到平面顯示范圍的限制,無(wú)法從縱深上直觀反映底線管線之間真實(shí)的空間位置關(guān)系,因此難以對(duì)大量的管線信息進(jìn)行有效的描述和表達(dá)。三維瀏覽方式能夠切實(shí)地表達(dá)各管線之間的空間位置關(guān)系, 以及管線與周邊地物的關(guān)系, 直觀地描述管線的三維特征及管線之間的連接關(guān)系,真實(shí)地反映地下管線的空間分布狀況。因此,在三維視角下來(lái)分析和管理管線是地下管線管理的必然趨勢(shì)。