浅析地下管网虚拟现实系统的构建

浅析地下管网虚拟现实系统的构建

为了实现对地下管线的数字化与可视化管理 ，结合虚拟现实技术对地下管网进行研究。系统根据分层概念和管网数据的特点 ，设计城市地下管网的概念模型，着重介绍栅格矢量一体化数据结构的形式，利用空间数据库将地下管网的相关信息存储在计算机上并做相应处理，最终运用 GIS和 LOD模型的建立实现管网系统的可视化和实时漫游 功能。

　　城市地下各类管网是一个城市重要的基础设施，担负着信息传输、能源输送等工作，也是城市赖以生存和发展的物质基础。但由于多方面的原因，我国现有地下各类专业管网的资料残缺不全，且有关资料精度不高或与现状不符，在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管网，造成停气、停水、停暖、通信中断、污水 四溢等严重事故。另一方面，我国现有地下专业管网的资料都以图纸、图表等形式记录保存，采用人工方式管理，效率低下。为了解决这个问题 ，必须使用新的技术手段对地下管网进行管理。

　　城市地下管网虚拟现实系统属于处理地下管网专题数据的一种信息系统，是以地下管网空间信息和属性信息为核心，利用计算机地理信息系统技术、计算机图形学技术、数据库管理技术和信息可视化技术对城市地下管网进行综合管理，为施工部门和管理部门提供地下管网准确的走向和埋深等有关信息，通过进行各种分析，为领导部门进行管网规划、管网改造等提供辅助决策功能。地下管线虚拟现实系统一是可以实现传统手工处理方式向现代化信息管理转型，以保证数据的实时更新、有效管理，避免重复收集数据信息；二是可为市政建设提供规划、设计、决策服务；三是可为应对突发事件提供支撑。

　　1  管网数据模型与数据结构

　　空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互问联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本方法。管网空间数据模型是空间数据模型的一种，在管网数据的表达和管网空间分析等方面起着极其关键的作用。

　　1．1 城市地下管网数据特点

　　城市地下管网是城市基础设施中的生命线，有地下神经之称，包括给水管网、燃气管网、供热管网、排水管网、电力管网、排污管网和电信管网等。每一类管网都由管线段和附属设施组成，呈树状、环状或辐射状，形成一个系统，系统的各组成元件相互影响，共同发挥作用 。

　　首先，地下管 网数据是一种基本网络数据，满足网络的一般特性 ，其基本构成包括弧段和节点。节点包括管网点状实体和三类特征点，即管径变化点、埋深变化点和管网交点，弧段表示相邻节点问的管线段 。其次 ，地下管网数据有区别于一般网络数据的特殊性。地下管网数据包括两种基本类型：树状管网和环状管 网。树状管网大多是重力管网，其弧段都是单向弧段，方向取决于起始节点的高程值，如排水管网就属于这类管网。而燃气、给水等压力管线在设计时为了尽可能减少事故造成的影响，大多采用环状设计，同时大、中城市的燃气、给水等管网都采用多个源头，使得这些管线呈多源环状分布。

　　1．2 系统概念模型设计

　　概念模型反映了城市地下管网所包含的各部分数据之间的关系。根据分层概念和管网数据的特点，设计了城市地下管网的概念模型，如图1所示。

　在该模型中，首先将城市分成多个城区，每个城区的信息又分成基本框架信息和管网信息两部分。管网信息包含给水管网层、燃气管网层、供热管网层、排水管网层、电力管网层、排污管网层和电信管网层等 7个层。每层包含点状实体和特征点、线状实体两类数据。实体和特征点由节点和指明节点特征的标记组成，点由几何坐标定位；线状实体类由弧段和指明弧段特征的标记组成，弧段由一系列坐标点描述。基本框架信息反映了城市基本面貌，由点状、线状和面状三类实体组成。该模型中所有实体都有区别于其他实体的属性特征。

　　1．3 地下管网数据存储结构

　　在空间数据库中，空间数据的表达方法主要有栅格数据结构、矢量数据结构和栅格矢量一体化结构等。

　　1．3．1 栅格数据结构

　　栅格模型由规则的正方形或矩形栅格组成，每个栅格代表 1个像元。栅格数据结构实际上就是像元阵列，像元由行列号确定它的位置。点状实体在栅格数据结构中表示为 1个像元；线状实体则由在一定方向上连接成串的相邻像元集合；面状实体表示为聚合在一起的相邻像元集合。栅格数据有数据结构简单、空间数据的叠加和组合方便、各类空间分析易于进行以及模拟方便等优点，但同时存在着图形数据量大、数据精度低、地图输出不精美以及难以建立网络连接关系等缺点。

　　1．3．2 矢量数据结构

　　矢量数据结构用点串序列来表示空间实体的边界形状和分布。点状实体在矢量数据结构中表示为坐标；线状实体则由线上的一系列点的坐标表示；面状实体由面的边界弧段序列表示。矢量数据的优点是数据精度高、数据量小、完整的描述拓扑关系、图形美观以及图形数据的恢复、更新、综合容易实现等，但也有数据结构复杂、矢量多边形叠置算法和数学模拟困难的缺点。

　　1．3．3 栅矢融合与地图配准

　　作为管网系统的基础底图，考虑能充分利用矢量图画面精美、无级缩放的优势，同时利用栅格图更新速度快、能反映城市最新风貌的特点。解决方法是：将手头现有的矢量地图作为建立管网专题图层(矢量图)的基础，并设法将栅格图与矢量底图进行配准，从而有效结合两者的优点。

　　管网系统的专题数据建立在矢量电子地图基础上，而矢量图的修改相当困难。当城市风貌发生变化时，为反映管网相对于新的参照物的位置，设想利用栅格图与当前管网进行比较；而比较的前提则是首先将栅格图与矢量图进行配准。

　　栅格图配准时存在 3个问题：比例尺的配准、投影的配准、坐标的配准。考虑到本系统中匹配要求不太严格，经多次实验发现，如果选择的栅格图所包含的实际区域越小．那么矢量和栅格叠加的越精确。由此得到启发，是否可以将整个栅格图分成小块(不妨将分得的每 1块栅格图称为栅格图块)去配准，配准后将其作为 1个图层保存，当所有的栅格图块都配准后，在显示栅格图时，选择所有的栅格图块，那么就得到了一幅完整的、能够和矢量图准确匹配的栅格图。具体步骤如下：

　　1)在制图软件 中将栅格图平均分割成 M 块(实际上 M 的大小代表 了配准的精度，M 越大，则精度越高)，并分别保存 ；

　　2)对每一栅格图块在 MapX环境中进行匹配控制点至少选择 2O个；

　　3)在 MapX环境中显示所有的栅格图块，看整幅图与矢量图叠加的效果 。

　　在分割的栅格 图全部显示时，两两相邻的栅格图块有可能会出现拼接不上的问题，比如 1条河流在拼接后不能衔接上、建筑物在拼接后出现错位现象、延续的道路有可能变为两条道路。可以采取以下两种方法解决栅格图块的拼接问题：

　1)增加栅格图块的个数。通过多次实践发现，如果栅格图分割的栅格图块越少，则上述问题会越严重，如果分割的栅格图块越多，拼接不上的程度会有所减少 ；如果对栅格的精度要求不太严格的话，可以忽略不计 。其次 ，如果道路或建筑物改变不多或知道其大体的区域，则可利用其它画图工具，直接分出包含这个 区域的最小的栅格图块，只要配准所有分割的栅格 图块即可。这时精度的问题已经转化为配准的问题 。

　　2)选择特殊控制点。选择栅格图块的 4个顶点作为其 中一部分控制点及其图块中心的点，则两两相邻的栅格图块之间至少有 2个相同的控制点。在显示栅格 图块时，就会产生一幅完整的栅格图。本课题将 以上两种方法结合使用，以获得更好的效果。

　　2 地下管网的可视化

　　管网的可视化就是将存入计算机中的数据通过某种方式变成能看到的图片或者是界面。而空间数据坐标系定义 是可视化地理信息系统(GIS)的基础 ，正确定义 GIS系统的坐标系非常重要。

　　2．1 地图坐标系及投影

　　GIS中的坐标系定义 由基准面和地 图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此，欲正确定义 GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地 图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。

　　基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此，每个国家或地区均有各自的基准面，通常称谓的北京 54坐标系、西安 80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。WGS 1984基准面采用 WGS84椭球体，它是地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前 GPS测量数据多以 WGS 1984基准。

　　椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，但能定义不同的基准面。 地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换，例如某点北京 54坐标值为 x一4 231 898，y一21 655 933，实际上指的是北京 54基准面下的投影坐标，也就是北京 54基准面下的经纬度坐标在直角平面坐标上的投影结果。

　　根据空间解析几何，参考坐标系点(x,y,z )向世界坐标系坐标(X，y，Z)的转换方程为

　　式中：a、 、y为两坐标系相应坐标轴的夹角；(x。Y。z)为参考坐标系原点在世界坐标系中的坐标。

　　2．2 三维数据的显示及 L0D模型

　　三维显示通常采用截面图、等距平面、多层平面和立体块状图等多种表现形式，大多数三维显示技术局限于 CRT屏幕和绘图纸的二维表现形式，人们可以观察到地理现象的三维形状，但不能将它们作为离散的实体进行分析，如立体不能被测量、拉伸、改变形状或组合。为了提高场景的显示速度，实现实时交互，在实际的三维显示中常常采用降低场景复杂度的方法，从计算机硬件绘制的角度考虑，即减少每帧数中绘制的图元对象的数目。其中细节层次模型(L0D)的方法具有普遍性和高效性，在飞行模拟和地形仿真应用中得到了广泛的应用。所谓的L0D模型是指根据不同的显示对同一对象采用不同精度的几何描述，物体的细节程度越高，则数据量越大，描述越精细 ；细节程度越低 ，则数据量越小，描述越粗糙。因此，可以根据不同的显示需求，对需要绘制的对象采用不同的描述精度，从而大大地降低需要绘制的数据量，使实时三维显示成为可能。

　　在场景的实时动态显示中，当视点距离某一物体很近时，它的图像将在屏幕上占据较多的像素，而当视点距离它很远时，图像只能在屏幕上占据很少的像素。在这种情况下，可以用多种不同的精度表示，并根据视点位置的变化或者物体图像在屏幕上所占据的像素数多少而选择不同精度的模型予以成像，这是非常有效的手段。这种方法通常称为层次细节 (1evel of details，LOD)显示和简化技术。

　　LOD模型是对原始几何模型按照一定的算法进行简化后模型的一种总称。简化后的模型在几何数量上比原始的几何模型的数据量减少了很多，降低了对计算机软件和硬件设备的需求，从而提高了数据操纵 的速度，缩短了人机交互操作的时间，因此，在图像的渲染速度上会有很大的提高。LOD模型的种类在几何结构上大致分为以下 3种类型：不连续的 LOD模型；连续的 LOD模型；几何结构自身的 I OD模型，如图2所示。

　2．3 漫游过程中的实时处理

　　在三维地下管网系统研究方面，使用地形 LOD模型和 R—Tree空间索引技术对大量的三维数据进行实时漫游研究，取得一定进展。但是在数据的状态交换、高速的内存交换机制、空问索引技术方面还有待进一步研究和提高。由于地下管网数据量比较大 ，很难实现实时漫游，因此，实时绘制出相应的结果成为一个主要瓶颈。针对地下管网地理信息系统在漫游过程中实现绘制的这一特殊性，实时加速方法主要通过使用改进的平行投影技术、空间跳跃重采样、相邻帧间的连贯性关系三种方法来实现。 通过一组平行投射线而得到的形体投影称平行投影 。平行投影又可根据投射线与投影面垂直与否分为平行正投影和平行斜投影。

　　使用光线投射技术，在沿视点投射出的光线上进行重采样时，有许多空体素，使用改进的空问跳跃(Space--Leaping)技术可以跳过这些空体素，以加快绘制速度 。

　　在漫游过程中，由于相邻的两个视点位置和视线方向变化较小，相邻帧的场景大部分是相同的，只有少部分不同，因此，可以利用相邻帧的这种连贯性关系实现实时处理。

　　基于相邻帧的连贯性，提出了一种两步实时处理技术 ；将当前帧的处理分成两步：近景和远景的处理。近景的处理利用改进的两阶段光线投射技术，远景的处理利用改进的加速对象投影处理远视点区域，并考虑了相邻帧的连贯性，相邻帧场景变化在一定范围内近视点场景重新计算，其余部分利用上一帧的结果进行处理，然后再重新合成。

　　使用 OpenGI 的双缓存技术可以实现部分漫游功能。该技术使用两个前后台和两个缓存绘制画面。在显示前台缓存内容中的一帧画面时，后台缓存正在绘制下一帧画面；当后台缓存绘制完毕，后台缓存内容便显示在屏幕上，而前台此时又在绘制下一帧画面内容，如此循环反复，屏幕上总是显示己经画好的图形，看起来所有的画面都是连续的。

　　3  结束语

　　三维可视化技术使传统二维的、静态的地图向三维的、动态的场景表示方向发展，在空间关系型数据库的支持下利用可虚拟现实技术不仅可以对空间对象进行全方位的交互，而且可以对其中的空间对象进行数据挖掘，探索其中隐含的逻辑规律，对未来状况进行预测，并制订出合理、可行的解决方案等。

　　通过对地下管网一系列问题的研究，主要解决以下几个问题 ：

　　1)针对管线的布置特点和数据特点，设计合理的数据模型和数据结构，建立管线空间数据库，充分表现管线间的空间拓扑关系。

　　2)在对管线数据进行入库后，对管线数据进行三维显示的可视化研究。

　　3)使用 OpenGL的双缓存技术实现地下管线漫游查询功能。