淺析地下管網(wǎng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構建

淺析地下管網(wǎng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的構建

為了實現(xiàn)對地下管線的數(shù)字化與可視化管理 ，結合虛擬現(xiàn)實技術對地下管網(wǎng)進行研究。系統(tǒng)根據(jù)分層概念和管網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點 ，設計城市地下管網(wǎng)的概念模型，著重介紹柵格矢量一體化數(shù)據(jù)結構的形式，利用空間數(shù)據(jù)庫將地下管網(wǎng)的相關信息存儲在計算機上并做相應處理，最終運用 GIS和 LOD模型的建立實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的可視化和實時漫游 功能。

　　城市地下各類管網(wǎng)是一個城市重要的基礎設施，擔負著信息傳輸、能源輸送等工作，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。但由于多方面的原因，我國現(xiàn)有地下各類專業(yè)管網(wǎng)的資料殘缺不全，且有關資料精度不高或與現(xiàn)狀不符，在建設施工中時常發(fā)生挖斷或挖壞地下管網(wǎng)，造成停氣、停水、停暖、通信中斷、污水 四溢等嚴重事故。另一方面，我國現(xiàn)有地下專業(yè)管網(wǎng)的資料都以圖紙、圖表等形式記錄保存，采用人工方式管理，效率低下。為了解決這個問題 ，必須使用新的技術手段對地下管網(wǎng)進行管理。

　　城市地下管網(wǎng)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)屬于處理地下管網(wǎng)專題數(shù)據(jù)的一種信息系統(tǒng)，是以地下管網(wǎng)空間信息和屬性信息為核心，利用計算機地理信息系統(tǒng)技術、計算機圖形學技術、數(shù)據(jù)庫管理技術和信息可視化技術對城市地下管網(wǎng)進行綜合管理，為施工部門和管理部門提供地下管網(wǎng)準確的走向和埋深等有關信息，通過進行各種分析，為領導部門進行管網(wǎng)規(guī)劃、管網(wǎng)改造等提供輔助決策功能。地下管線虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)一是可以實現(xiàn)傳統(tǒng)手工處理方式向現(xiàn)代化信息管理轉(zhuǎn)型，以保證數(shù)據(jù)的實時更新、有效管理，避免重復收集數(shù)據(jù)信息；二是可為市政建設提供規(guī)劃、設計、決策服務；三是可為應對突發(fā)事件提供支撐。

　　1? 管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結構

　　空間數(shù)據(jù)模型是關于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互問聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設計空間數(shù)據(jù)庫模式提供基本方法。管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型是空間數(shù)據(jù)模型的一種，在管網(wǎng)數(shù)據(jù)的表達和管網(wǎng)空間分析等方面起著極其關鍵的作用。

　　1．1 城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)特點

　　城市地下管網(wǎng)是城市基礎設施中的生命線，有地下神經(jīng)之稱，包括給水管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)、供熱管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、電力管網(wǎng)、排污管網(wǎng)和電信管網(wǎng)等。每一類管網(wǎng)都由管線段和附屬設施組成，呈樹狀、環(huán)狀或輻射狀，形成一個系統(tǒng)，系統(tǒng)的各組成元件相互影響，共同發(fā)揮作用 。

　　首先，地下管 網(wǎng)數(shù)據(jù)是一種基本網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，滿足網(wǎng)絡的一般特性 ，其基本構成包括弧段和節(jié)點。節(jié)點包括管網(wǎng)點狀實體和三類特征點，即管徑變化點、埋深變化點和管網(wǎng)交點，弧段表示相鄰節(jié)點問的管線段 。其次 ，地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)有區(qū)別于一般網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的特殊性。地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括兩種基本類型：樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管 網(wǎng)。樹狀管網(wǎng)大多是重力管網(wǎng)，其弧段都是單向弧段，方向取決于起始節(jié)點的高程值，如排水管網(wǎng)就屬于這類管網(wǎng)。而燃氣、給水等壓力管線在設計時為了盡可能減少事故造成的影響，大多采用環(huán)狀設計，同時大、中城市的燃氣、給水等管網(wǎng)都采用多個源頭，使得這些管線呈多源環(huán)狀分布。

　　1．2 系統(tǒng)概念模型設計

　　概念模型反映了城市地下管網(wǎng)所包含的各部分數(shù)據(jù)之間的關系。根據(jù)分層概念和管網(wǎng)數(shù)據(jù)的特點，設計了城市地下管網(wǎng)的概念模型，如圖1所示。

　在該模型中，首先將城市分成多個城區(qū)，每個城區(qū)的信息又分成基本框架信息和管網(wǎng)信息兩部分。管網(wǎng)信息包含給水管網(wǎng)層、燃氣管網(wǎng)層、供熱管網(wǎng)層、排水管網(wǎng)層、電力管網(wǎng)層、排污管網(wǎng)層和電信管網(wǎng)層等 7個層。每層包含點狀實體和特征點、線狀實體兩類數(shù)據(jù)。實體和特征點由節(jié)點和指明節(jié)點特征的標記組成，點由幾何坐標定位；線狀實體類由弧段和指明弧段特征的標記組成，弧段由一系列坐標點描述?；究蚣苄畔⒎从沉顺鞘谢久婷?，由點狀、線狀和面狀三類實體組成。該模型中所有實體都有區(qū)別于其他實體的屬性特征。

　　1．3 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲結構

　　在空間數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)的表達方法主要有柵格數(shù)據(jù)結構、矢量數(shù)據(jù)結構和柵格矢量一體化結構等。

　　1．3．1 柵格數(shù)據(jù)結構

　　柵格模型由規(guī)則的正方形或矩形柵格組成，每個柵格代表 1個像元。柵格數(shù)據(jù)結構實際上就是像元陣列，像元由行列號確定它的位置。點狀實體在柵格數(shù)據(jù)結構中表示為 1個像元；線狀實體則由在一定方向上連接成串的相鄰像元集合；面狀實體表示為聚合在一起的相鄰像元集合。柵格數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)結構簡單、空間數(shù)據(jù)的疊加和組合方便、各類空間分析易于進行以及模擬方便等優(yōu)點，但同時存在著圖形數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)精度低、地圖輸出不精美以及難以建立網(wǎng)絡連接關系等缺點。

　　1．3．2 矢量數(shù)據(jù)結構

　　矢量數(shù)據(jù)結構用點串序列來表示空間實體的邊界形狀和分布。點狀實體在矢量數(shù)據(jù)結構中表示為坐標；線狀實體則由線上的一系列點的坐標表示；面狀實體由面的邊界弧段序列表示。矢量數(shù)據(jù)的優(yōu)點是數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)量小、完整的描述拓撲關系、圖形美觀以及圖形數(shù)據(jù)的恢復、更新、綜合容易實現(xiàn)等，但也有數(shù)據(jù)結構復雜、矢量多邊形疊置算法和數(shù)學模擬困難的缺點。

　　1．3．3 柵矢融合與地圖配準

　　作為管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎底圖，考慮能充分利用矢量圖畫面精美、無級縮放的優(yōu)勢，同時利用柵格圖更新速度快、能反映城市最新風貌的特點。解決方法是：將手頭現(xiàn)有的矢量地圖作為建立管網(wǎng)專題圖層(矢量圖)的基礎，并設法將柵格圖與矢量底圖進行配準，從而有效結合兩者的優(yōu)點。

　　管網(wǎng)系統(tǒng)的專題數(shù)據(jù)建立在矢量電子地圖基礎上，而矢量圖的修改相當困難。當城市風貌發(fā)生變化時，為反映管網(wǎng)相對于新的參照物的位置，設想利用柵格圖與當前管網(wǎng)進行比較；而比較的前提則是首先將柵格圖與矢量圖進行配準。

　　柵格圖配準時存在 3個問題：比例尺的配準、投影的配準、坐標的配準?？紤]到本系統(tǒng)中匹配要求不太嚴格，經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)，如果選擇的柵格圖所包含的實際區(qū)域越?。敲词噶亢蜄鸥癔B加的越精確。由此得到啟發(fā)，是否可以將整個柵格圖分成小塊(不妨將分得的每 1塊柵格圖稱為柵格圖塊)去配準，配準后將其作為 1個圖層保存，當所有的柵格圖塊都配準后，在顯示柵格圖時，選擇所有的柵格圖塊，那么就得到了一幅完整的、能夠和矢量圖準確匹配的柵格圖。具體步驟如下：

　　1)在制圖軟件 中將柵格圖平均分割成 M 塊(實際上 M 的大小代表 了配準的精度，M 越大，則精度越高)，并分別保存 ；

　　2)對每一柵格圖塊在 MapX環(huán)境中進行匹配控制點至少選擇 2O個；

　　3)在 MapX環(huán)境中顯示所有的柵格圖塊，看整幅圖與矢量圖疊加的效果 。

　　在分割的柵格 圖全部顯示時，兩兩相鄰的柵格圖塊有可能會出現(xiàn)拼接不上的問題，比如 1條河流在拼接后不能銜接上、建筑物在拼接后出現(xiàn)錯位現(xiàn)象、延續(xù)的道路有可能變?yōu)閮蓷l道路?？梢圆扇∫韵聝煞N方法解決柵格圖塊的拼接問題：

　1)增加柵格圖塊的個數(shù)。通過多次實踐發(fā)現(xiàn)，如果柵格圖分割的柵格圖塊越少，則上述問題會越嚴重，如果分割的柵格圖塊越多，拼接不上的程度會有所減少 ；如果對柵格的精度要求不太嚴格的話，可以忽略不計 。其次 ，如果道路或建筑物改變不多或知道其大體的區(qū)域，則可利用其它畫圖工具，直接分出包含這個 區(qū)域的最小的柵格圖塊，只要配準所有分割的柵格 圖塊即可。這時精度的問題已經(jīng)轉(zhuǎn)化為配準的問題 。

　　2)選擇特殊控制點。選擇柵格圖塊的 4個頂點作為其 中一部分控制點及其圖塊中心的點，則兩兩相鄰的柵格圖塊之間至少有 2個相同的控制點。在顯示柵格 圖塊時，就會產(chǎn)生一幅完整的柵格圖。本課題將 以上兩種方法結合使用，以獲得更好的效果。

　　2 地下管網(wǎng)的可視化

　　管網(wǎng)的可視化就是將存入計算機中的數(shù)據(jù)通過某種方式變成能看到的圖片或者是界面。而空間數(shù)據(jù)坐標系定義 是可視化地理信息系統(tǒng)(GIS)的基礎 ，正確定義 GIS系統(tǒng)的坐標系非常重要。

　　2．1 地圖坐標系及投影

　　GIS中的坐標系定義 由基準面和地 圖投影兩組參數(shù)確定，而基準面的定義則由特定橢球體及其對應的轉(zhuǎn)換參數(shù)確定，因此，欲正確定義 GIS系統(tǒng)坐標系，首先必須弄清地球橢球體(Ellipsoid)、大地基準面(Datum)及地 圖投影(Projection)三者的基本概念及它們之間的關系。

　　基準面是利用特定橢球體對特定地區(qū)地球表面的逼近，因此，每個國家或地區(qū)均有各自的基準面，通常稱謂的北京 54坐標系、西安 80坐標系實際上指的是我國的兩個大地基準面。WGS 1984基準面采用 WGS84橢球體，它是地心坐標系，即以地心作為橢球體中心，目前 GPS測量數(shù)據(jù)多以 WGS 1984基準。

　　橢球體與基準面之間的關系是一對多的關系，也就是基準面是在橢球體基礎上建立的，但橢球體不能代表基準面，但能定義不同的基準面。 地圖投影是將地圖從球面轉(zhuǎn)換到平面的數(shù)學變換，例如某點北京 54坐標值為 x一4 231 898，y一21 655 933，實際上指的是北京 54基準面下的投影坐標，也就是北京 54基準面下的經(jīng)緯度坐標在直角平面坐標上的投影結果。

　　根據(jù)空間解析幾何，參考坐標系點(x,y,z )向世界坐標系坐標(X，y，Z)的轉(zhuǎn)換方程為

　　式中：a、 、y為兩坐標系相應坐標軸的夾角；(x。Y。z)為參考坐標系原點在世界坐標系中的坐標。

　　2．2 三維數(shù)據(jù)的顯示及 L0D模型

　　三維顯示通常采用截面圖、等距平面、多層平面和立體塊狀圖等多種表現(xiàn)形式，大多數(shù)三維顯示技術局限于 CRT屏幕和繪圖紙的二維表現(xiàn)形式，人們可以觀察到地理現(xiàn)象的三維形狀，但不能將它們作為離散的實體進行分析，如立體不能被測量、拉伸、改變形狀或組合。為了提高場景的顯示速度，實現(xiàn)實時交互，在實際的三維顯示中常常采用降低場景復雜度的方法，從計算機硬件繪制的角度考慮，即減少每幀數(shù)中繪制的圖元對象的數(shù)目。其中細節(jié)層次模型(L0D)的方法具有普遍性和高效性，在飛行模擬和地形仿真應用中得到了廣泛的應用。所謂的L0D模型是指根據(jù)不同的顯示對同一對象采用不同精度的幾何描述，物體的細節(jié)程度越高，則數(shù)據(jù)量越大，描述越精細 ；細節(jié)程度越低 ，則數(shù)據(jù)量越小，描述越粗糙。因此，可以根據(jù)不同的顯示需求，對需要繪制的對象采用不同的描述精度，從而大大地降低需要繪制的數(shù)據(jù)量，使實時三維顯示成為可能。

　　在場景的實時動態(tài)顯示中，當視點距離某一物體很近時，它的圖像將在屏幕上占據(jù)較多的像素，而當視點距離它很遠時，圖像只能在屏幕上占據(jù)很少的像素。在這種情況下，可以用多種不同的精度表示，并根據(jù)視點位置的變化或者物體圖像在屏幕上所占據(jù)的像素數(shù)多少而選擇不同精度的模型予以成像，這是非常有效的手段。這種方法通常稱為層次細節(jié) (1evel of details，LOD)顯示和簡化技術。

　　LOD模型是對原始幾何模型按照一定的算法進行簡化后模型的一種總稱。簡化后的模型在幾何數(shù)量上比原始的幾何模型的數(shù)據(jù)量減少了很多，降低了對計算機軟件和硬件設備的需求，從而提高了數(shù)據(jù)操縱 的速度，縮短了人機交互操作的時間，因此，在圖像的渲染速度上會有很大的提高。LOD模型的種類在幾何結構上大致分為以下 3種類型：不連續(xù)的 LOD模型；連續(xù)的 LOD模型；幾何結構自身的 I OD模型，如圖2所示。

　2．3 漫游過程中的實時處理

　　在三維地下管網(wǎng)系統(tǒng)研究方面，使用地形 LOD模型和 R—Tree空間索引技術對大量的三維數(shù)據(jù)進行實時漫游研究，取得一定進展。但是在數(shù)據(jù)的狀態(tài)交換、高速的內(nèi)存交換機制、空問索引技術方面還有待進一步研究和提高。由于地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)量比較大 ，很難實現(xiàn)實時漫游，因此，實時繪制出相應的結果成為一個主要瓶頸。針對地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)在漫游過程中實現(xiàn)繪制的這一特殊性，實時加速方法主要通過使用改進的平行投影技術、空間跳躍重采樣、相鄰幀間的連貫性關系三種方法來實現(xiàn)。 通過一組平行投射線而得到的形體投影稱平行投影 。平行投影又可根據(jù)投射線與投影面垂直與否分為平行正投影和平行斜投影。

　　使用光線投射技術，在沿視點投射出的光線上進行重采樣時，有許多空體素，使用改進的空問跳躍(Space--Leaping)技術可以跳過這些空體素，以加快繪制速度 。

　　在漫游過程中，由于相鄰的兩個視點位置和視線方向變化較小，相鄰幀的場景大部分是相同的，只有少部分不同，因此，可以利用相鄰幀的這種連貫性關系實現(xiàn)實時處理。

　　基于相鄰幀的連貫性，提出了一種兩步實時處理技術 ；將當前幀的處理分成兩步：近景和遠景的處理。近景的處理利用改進的兩階段光線投射技術，遠景的處理利用改進的加速對象投影處理遠視點區(qū)域，并考慮了相鄰幀的連貫性，相鄰幀場景變化在一定范圍內(nèi)近視點場景重新計算，其余部分利用上一幀的結果進行處理，然后再重新合成。

　　使用 OpenGI 的雙緩存技術可以實現(xiàn)部分漫游功能。該技術使用兩個前后臺和兩個緩存繪制畫面。在顯示前臺緩存內(nèi)容中的一幀畫面時，后臺緩存正在繪制下一幀畫面；當后臺緩存繪制完畢，后臺緩存內(nèi)容便顯示在屏幕上，而前臺此時又在繪制下一幀畫面內(nèi)容，如此循環(huán)反復，屏幕上總是顯示己經(jīng)畫好的圖形，看起來所有的畫面都是連續(xù)的。

　　3? 結束語

　　三維可視化技術使傳統(tǒng)二維的、靜態(tài)的地圖向三維的、動態(tài)的場景表示方向發(fā)展，在空間關系型數(shù)據(jù)庫的支持下利用可虛擬現(xiàn)實技術不僅可以對空間對象進行全方位的交互，而且可以對其中的空間對象進行數(shù)據(jù)挖掘，探索其中隱含的邏輯規(guī)律，對未來狀況進行預測，并制訂出合理、可行的解決方案等。

　　通過對地下管網(wǎng)一系列問題的研究，主要解決以下幾個問題 ：

　　1)針對管線的布置特點和數(shù)據(jù)特點，設計合理的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構，建立管線空間數(shù)據(jù)庫，充分表現(xiàn)管線間的空間拓撲關系。

　　2)在對管線數(shù)據(jù)進行入庫后，對管線數(shù)據(jù)進行三維顯示的可視化研究。

　　3)使用 OpenGL的雙緩存技術實現(xiàn)地下管線漫游查詢功能。