淺析地下管網虛擬現實系統的構建

為了實現對地下管線的數字化與可視化管理 ，結合虛擬現實技術對地下管網進行研究。系統根據分層概念和管網數據的特點 ，設計城市地下管網的概念模型，著重介紹柵格矢量一體化數據結構的形式，利用空間數據庫將地下管網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模型的建立實現管網系統的可視化和實時漫游 功能。

　　城市地下各類管網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展的物質基礎。但由于多方面的原因，我國現有地下各類專業管網的資料殘缺不全，且有關資料精度不高或與現狀不符，在建設施工中時常發生挖斷或挖壞地下管網，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，我國現有地下專業管網的資料都以圖紙、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進行管理。

　　城市地下管網虛擬現實系統屬于處理地下管網專題數據的一種信息系統，是以地下管網空間信息和屬性信息為核心，利用計算機地理信息系統技術、計算機圖形學技術、數據庫管理技術和信息可視化技術對城市地下管網進行綜合管理，為施工部門和管理部門提供地下管網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規劃、管網改造等提供輔助決策功能。地下管線虛擬現實系統一是可以實現傳統手工處理方式向現代化信息管理轉型，以保證數據的實時更新、有效管理，避免重復收集數據信息；二是可為市政建設提供規劃、設計、決策服務；三是可為應對突發事件提供支撐。

　　1? 管網數據模型與數據結構

　　空間數據模型是關于現實世界中空間實體及其相互問聯系的概念，它為描述空間數據的組織和設計空間數據庫模式提供基本方法。管網空間數據模型是空間數據模型的一種，在管網數據的表達和管網空間分析等方面起著極其關鍵的作用。

　　1．1 城市地下管網數據特點

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

　　首先，地下管 網數據是一種基本網絡數據，滿足網絡的一般特性 ，其基本構成包括弧段和節點。節點包括管網點狀實體和三類特征點，即管徑變化點、埋深變化點和管網交點，弧段表示相鄰節點問的管線段 。其次 ，地下管網數據有區別于一般網絡數據的特殊性。地下管網數據包括兩種基本類型：樹狀管網和環狀管 網。樹狀管網大多是重力管網，其弧段都是單向弧段，方向取決于起始節點的高程值，如排水管網就屬于這類管網。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，大多采用環狀設計，同時大、中城市的燃氣、給水等管網都采用多個源頭，使得這些管線呈多源環狀分布。

　　1．2 系統概念模型設計

　　概念模型反映了城市地下管網所包含的各部分數據之間的關系。根據分層概念和管網數據的特點，設計了城市地下管網的概念模型，如圖1所示。

　在該模型中，首先將城市分成多個城區，每個城區的信息又分成基本框架信息和管網信息兩部分。管網信息包含給水管網層、燃氣管網層、供熱管網層、排水管網層、電力管網層、排污管網層和電信管網層等 7個層。每層包含點狀實體和特征點、線狀實體兩類數據。實體和特征點由節點和指明節點特征的標記組成，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。基本框架信息反映了城市基本面貌，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別于其他實體的屬性特征。

　　1．3 地下管網數據存儲結構

　　在空間數據庫中，空間數據的表達方法主要有柵格數據結構、矢量數據結構和柵格矢量一體化結構等。

　　1．3．1 柵格數據結構

　　柵格模型由規則的正方形或矩形柵格組成，每個柵格代表 1個像元。柵格數據結構實際上就是像元陣列，像元由行列號確定它的位置。點狀實體在柵格數據結構中表示為 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。柵格數據有數據結構簡單、空間數據的疊加和組合方便、各類空間分析易于進行以及模擬方便等優點，但同時存在著圖形數據量大、數據精度低、地圖輸出不精美以及難以建立網絡連接關系等缺點。

　　1．3．2 矢量數據結構

　　矢量數據結構用點串序列來表示空間實體的邊界形狀和分布。點狀實體在矢量數據結構中表示為坐標；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。矢量數據的優點是數據精度高、數據量小、完整的描述拓撲關系、圖形美觀以及圖形數據的恢復、更新、綜合容易實現等，但也有數據結構復雜、矢量多邊形疊置算法和數學模擬困難的缺點。

　　1．3．3 柵矢融合與地圖配準

　　作為管網系統的基礎底圖，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：將手頭現有的矢量地圖作為建立管網專題圖層(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點。

　　管網系統的專題數據建立在矢量電子地圖基礎上，而矢量圖的修改相當困難。當城市風貌發生變化時，為反映管網相對于新的參照物的位置，設想利用柵格圖與當前管網進行比較；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]到本系統中匹配要求不太嚴格，經多次實驗發現，如果選擇的柵格圖所包含的實際區域越?。敲词噶亢蜄鸥癔B加的越精確。由此得到啟發，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環境中進行匹配控制點至少選擇 2O個；

　　3)在 MapX環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錯位現象、延續的道路有可能變為兩條道路?？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。通過多次實踐發現，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域，則可利用其它畫圖工具，直接分出包含這個 區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轉化為配準的問題 。

　　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 地下管網的可視化

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

　　2．1 地圖坐標系及投影

　　GIS中的坐標系定義 由基準面和地 圖投影兩組參數確定，而基準面的定義則由特定橢球體及其對應的轉換參數確定，因此，欲正確定義 GIS系統坐標系，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地球表面的逼近，因此，每個國家或地區均有各自的基準面，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測量數據多以 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換到平面的數學變換，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基準面下的經緯度坐標在直角平面坐標上的投影結果。

　　根據空間解析幾何，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 三維數據的顯示及 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形式，大多數三維顯示技術局限于 CRT屏幕和繪圖紙的二維表現形式，人們可以觀察到地理現象的三維形狀，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，即減少每幀數中繪制的圖元對象的數目。其中細節層次模型(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，物體的細節程度越高，則數據量越大，描述越精細 ；細節程度越低 ，則數據量越小，描述越粗糙。因此，可以根據不同的顯示需求，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據量，使實時三維顯示成為可能。

　　在場景的實時動態顯示中，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，并根據視點位置的變化或者物體圖像在屏幕上所占據的像素數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 (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量上比原始的幾何模型的數據量減少了很多，降低了對計算機軟件和硬件設備的需求，從而提高了數據操縱 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：不連續的 LOD模型；連續的 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

　　在三維地下管網系統研究方面，使用地形 LOD模型和 R—Tree空間索引技術對大量的三維數據進行實時漫游研究，取得一定進展。但是在數據的狀態交換、高速的內存交換機制、空問索引技術方面還有待進一步研究和提高。由于地下管網數據量比較大 ，很難實現實時漫游，因此，實時繪制出相應的結果成為一個主要瓶頸。針對地下管網地理信息系統在漫游過程中實現繪制的這一特殊性，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。 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，后臺緩存內容便顯示在屏幕上，而前臺此時又在繪制下一幀畫面內容，如此循環反復，屏幕上總是顯示己經畫好的圖形，看起來所有的畫面都是連續的。

　　3? 結束語

　　三維可視化技術使傳統二維的、靜態的地圖向三維的、動態的場景表示方向發展，在空間關系型數據庫的支持下利用可虛擬現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據挖掘，探索其中隱含的邏輯規律，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據特點，設計合理的數據模型和數據結構，建立管線空間數據庫，充分表現管線間的空間拓撲關系。

　　2)在對管線數據進行入庫后，對管線數據進行三維顯示的可視化研究。

　　3)使用 OpenGL的雙緩存技術實現地下管線漫游查詢功能。