鄭海鵬 呂東芳

（淮南聯(lián)合大學(xué) 計算機(jī)系，安徽 淮南 232001）

隨著城市信息化建設(shè)步伐的不斷加快，城市自身的基礎(chǔ)設(shè)施及其相關(guān)的配套設(shè)施也有了長足的發(fā)展。地下管道被稱為城市的“生命線”[1-3]，負(fù)責(zé)為人們的生計傳輸許多必要的資源，如通信，供水和電加熱。它在城市的正常運作中起著至關(guān)重要的作用。由于絕大多數(shù)城市管網(wǎng)埋在地下并處于“隱形”狀態(tài)，因此基于二維的地下管線無法直觀地描述管道信息。管網(wǎng)由二維顯示到三維可視化的轉(zhuǎn)換能有效解決上述問題[4]。它可以形象地描述管網(wǎng)外觀特征以及管道和管道之間的空間相對位置關(guān)系。反映地下管線的真實空間分布，讓最初在2D平面中顯示的復(fù)雜管線可以以直觀的3D形式顯示。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則、技術(shù)路線及平臺的搭建

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、實用、低成本，易于維護(hù)與管理

系統(tǒng)采用VS2017、Open GL、Auto CAD等技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，能夠滿足大量GIS數(shù)據(jù)的管理要求，具有開發(fā)高效，投入成本低等特點。在既定的系統(tǒng)框架下，無需更改系統(tǒng)框架，可靈活增加或減少功能模塊，便于系統(tǒng)的管理和維護(hù)。

（2）功能完善，性能穩(wěn)定可靠

系統(tǒng)功能相對較為完善。支持多種文件格式管線數(shù)據(jù)的編輯、校驗機(jī)制，針對絕大部分管線數(shù)據(jù)異常情況均能得到有效的處理。實現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)入庫，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。

1.2 總體的技術(shù)路線

（1）利用VS2017集成開發(fā)環(huán)境構(gòu)建C/S、B/S混合模式管理平臺框架；

（2）使用Auto CAD軟件將導(dǎo)入的管線數(shù)據(jù)生成平面2D管線；

（3）使用Open GL將2D管線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D可視化模型；

（4）利用Vega工具實現(xiàn)地下管網(wǎng)的虛擬漫游；

1.3 系統(tǒng)平臺的搭建

系統(tǒng)平臺的搭建主要使用 vs2017、客戶端為 win7、服務(wù)器采用 WINDOWS SERVER2008。數(shù)據(jù)庫主要使用Oracle 11g用于存儲系統(tǒng)圖形原始數(shù)據(jù)[5]。搭建過程中，可以根據(jù)系統(tǒng)需求來增減相關(guān)功能模塊。這些功能模塊并不是簡單孤立的個體，他們之間存在著信息上的交互。每個功能模塊和業(yè)務(wù)應(yīng)用程序都是以組件的形式設(shè)計和開發(fā)的，并且盡可能優(yōu)化層中每個功能的耦合度。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

2 空間數(shù)據(jù)模型

2.1 空間數(shù)據(jù)模型概述

空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫模式提供基本方法[6]。因此，對空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識和研究在設(shè)計城市地下管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫的過程中起著舉足輕重的作用。

以現(xiàn)有的技術(shù)，不論何種數(shù)據(jù)模型均不能設(shè)計出通用的數(shù)據(jù)模型來囊括真實世界的所有方面。在三維管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)模型的設(shè)計過程中，將地下管網(wǎng)中管道的相關(guān)信息“數(shù)據(jù)化”（可以在計算機(jī)中表示、處理和分析），抽象成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可識別的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型。為后續(xù)的應(yīng)用程序服務(wù)。以現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，GIS系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)模型主要采用拓?fù)潢P(guān)系或空間實體模型[7]。拓?fù)潢P(guān)系模型主要采用OPLYVRT結(jié)構(gòu)，記錄鏈（弧）信息，不同對象可以共享同一節(jié)點。從而大大增強了空間數(shù)據(jù)的可維護(hù)性。通過關(guān)聯(lián)共享節(jié)點以節(jié)省空間和相互約束，以確保模型的準(zhǔn)確性并提高可維護(hù)性。本文三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述如表1所示：

表1 三維管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

2.2 空間數(shù)據(jù)模型分類

（1）概念模型：分場模型、對象模型、網(wǎng)路模型。場模型用于描述空間中連續(xù)分布的現(xiàn)象； 對象模型用于描述各種空間地物；網(wǎng)路模型用于模擬現(xiàn)實世界中的各種網(wǎng)絡(luò)；

（2）邏輯數(shù)據(jù)模型：分為面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型、矢量數(shù)據(jù)模型及柵格數(shù)據(jù)模型。

（3）物理數(shù)據(jù)模型：主要指概念數(shù)據(jù)模型在計算機(jī)內(nèi)部具體的存儲形式和操作機(jī)制，即在物理磁盤上如何存放和存取，是系統(tǒng)抽象的最底層。

3 城市地下管網(wǎng)三維可視化

3.1 三維可視化建模常用的方法

（1）基于底層技術(shù)的虛擬場景建模，如Open GL、Drect3D等；

（2）使用軟件自己的建模模塊進(jìn)行建模，例如VP中的Creator建模工具；

（3）使用第三方建模工具（如3dsmax、Maya等）。

由于深層地下管道不易捕獲圖像，因此使用軟件自己的建模模塊進(jìn)行建模并使用第三方建模工具進(jìn)行建模不適用。因此，本文采用了基于OpenGL技術(shù)的虛擬場景建模方法。

3.2 OpenGL三維可視化建模的具體實現(xiàn)

3．2．1 OpenGL簡介

Open GL（Open Graphics Library：開放圖形庫）是一個API（即應(yīng)用程序編程接口）。涵蓋了從簡單的環(huán)境實體基本屬性設(shè)置到復(fù)雜的環(huán)境實體二三維聯(lián)動等多條命令，主要用于渲染2D、3D矢量圖形及三維建模，適用范圍廣，視覺效果直觀、逼真。

OpenGL虛擬場景建?；谟嬎銠C(jī)圖形，抽象真實場景和構(gòu)建具有多邊形的三維幾何模型。并在虛擬環(huán)境中建立照明和材料模型，然后進(jìn)行紋理映射和控制參數(shù)設(shè)置，完成模型構(gòu)建。

目前，利用OpenGL實現(xiàn)管網(wǎng)三維建模有三種方式即：人工建模、半人工建模和自動建模。使用人工手動建模速度慢，適合單一建模；半手動建模受到模型標(biāo)準(zhǔn)部分的限制，以適應(yīng)特定環(huán)境；自動建?；谧詣訑?shù)據(jù)生成模型，具有生成速度快，精度高的特點，可以有效地應(yīng)用于工程應(yīng)用中的大型場景建模。

3．2．2 城市地下管網(wǎng)三維可視化實現(xiàn)

鑒于大部分城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)是基于2D平面的，主要用于規(guī)劃，決策，預(yù)警等， 對零件細(xì)節(jié)要求較低，但具有高精度，實時生成和修改的特點。所以采用自動建模實現(xiàn)管網(wǎng)的三維可視化是較為理想的方式[8]。

將地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)抽象成模型數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)[9]，包括管道的相關(guān)屬性和管道參數(shù)（如管道坐標(biāo)、管徑、材料等）。建模過程如下：

（1）將模型數(shù)據(jù)庫中抽象化的管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Auto CAD中，通過數(shù)據(jù)庫提供詳細(xì)的管道中心線坐標(biāo)信息和管道直徑，以確定管道位置。最終生成2D管道圖像數(shù)據(jù)（管道的角度依據(jù)起點和終點的坐標(biāo)計算得出）。

（2）根據(jù)每個管道連接的連接條件生成管道連接模型。

（3）使用OpenGL根據(jù)管道材料和紋理信息數(shù)據(jù)將材質(zhì)和紋理映射給管道，并執(zhí)行著色處理以生成3D管道（三維管道生成示意圖如圖2所示）。

圖2 三維管道生成示意圖

4 系統(tǒng)主要功能的設(shè)計

4.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)錄入、編輯功能設(shè)計

管理模塊提供輸入，編輯和修改管網(wǎng)的屬性結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)的功能?；蛘咴诟潞托薷牡叵鹿芫W(wǎng)后及時保存相關(guān)屬性信息，以方便日后查詢管理[10]。實現(xiàn)地下管網(wǎng)管理的“數(shù)字化”。管道輸入采用鼠標(biāo)模式，管道入口分為兩種模式： 鼠標(biāo)輸入和鍵盤輸入。提供了縮放、移動、區(qū)域選定等多種編輯功能。系統(tǒng)可以設(shè)置場景中的任意位置坐標(biāo)，在選定好要進(jìn)行標(biāo)注的管線或管點后，即可對相應(yīng)的管線或管點屬性進(jìn)行編輯設(shè)置。

4.2 查詢統(tǒng)計功能設(shè)計

查詢函數(shù)主要為管道屬性和空間信息提供管道查詢，屬性查詢，條件查詢等查詢方法。指定區(qū)域查詢可以選取系統(tǒng)視圖中任意圖形的形狀，確定區(qū)域并實現(xiàn)各種形式的查詢，例如矩形、圓形和多邊形。查詢結(jié)果在3D視圖中突出顯示，查詢結(jié)果的詳細(xì)信息以列表形式顯示，可以查看該區(qū)域中管道的相關(guān)屬性信息。屬性查詢和條件查詢可以指定管道或管道點的相關(guān)查詢條件并顯示其屬性信息。統(tǒng)計功能主要有：管線長度統(tǒng)計、區(qū)域統(tǒng)計等。

4.3 管線分析功能設(shè)計

系統(tǒng)集管線介質(zhì)流向、縱橫斷面、覆土深度、凈距、爆管、地基開挖、連通性、管網(wǎng)漫游等多種分析功能于一身。

4．3．1 斷面分析

施工人員不需要在現(xiàn)場挖掘管道，只需要相關(guān)負(fù)責(zé)人在管理系統(tǒng)中查看管道的相關(guān)信息。在系統(tǒng)中拖動鼠標(biāo)將管道切割成截面區(qū)域，在該區(qū)域中可清楚且直觀地看到管道的水平和垂直斷面部分以及每個管道的地下鋪設(shè)的實際狀況。管道離地高度和管間距等信息一目了然。同時，可以將配置文件的數(shù)據(jù)打印為圖像輸出。

4．3．2 覆土深度分析

周邊土壤及氣候等環(huán)境因素對地下管道影響較大。系統(tǒng)根據(jù)對比預(yù)設(shè)的最小覆土深度數(shù)值分析管網(wǎng)數(shù)據(jù)，便于查找違規(guī)鋪設(shè)的地下管線，對于不符合規(guī)定的管道以紅色顯示。

4．3．3 垂直凈距分析

在實際應(yīng)用過程中，用戶可以根據(jù)自己的實際需要選擇要咨詢的區(qū)域，選擇管道或管道點后，系統(tǒng)可以自動生成管道垂直間隙分析圖， 并計算該區(qū)域內(nèi)管道與管道點之間的垂直間隙（垂直凈距）。不合理的管道和管道點檢測結(jié)果在主視圖中突出顯示，特定數(shù)據(jù)在圖表中也標(biāo)記為紅色。

4．3．4 流向分析

系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)中管道的拓?fù)湫畔⒑拖鄳?yīng)閥門的開啟和關(guān)閉，計算不同管道中介質(zhì)的流向。并在3D場景中標(biāo)記，通過特定的流向分析（如圖3所示），可以快速準(zhǔn)確地顯示所選區(qū)域中管線介質(zhì)的流經(jīng)方向。

圖3 介質(zhì)流向分析

4．3．5 爆管分析

地下管道由于壓力過大，出現(xiàn)爆管是較為常見的災(zāi)害性事故。如果不能進(jìn)行及時處理或者處理過程中出現(xiàn)處理不當(dāng)?shù)葐栴}，極有可能為城市帶來無法估量的經(jīng)濟(jì)損失，對民生造成極大的困擾和負(fù)面影響。系統(tǒng)通過分析硬件監(jiān)控設(shè)備傳遞的實時管線壓力數(shù)值，模擬管線爆裂影響的實際范圍。

4．3．6 開挖分析

利用該功能模塊設(shè)定區(qū)域的邊界及挖掘深度，設(shè)定區(qū)域的地形會自行塌陷。顯示其下面的地下管網(wǎng)分布情況。

4．3．7 連通性及閥門閉合分析

指定兩條不同的管道，對與指定的兩條管道間有關(guān)聯(lián)的全部管道進(jìn)行連通性分析。閥門閉合分析則根據(jù)指定的關(guān)閉閥門分析識別受影響的管道。

4．3．8 地下管網(wǎng)虛擬漫游

管網(wǎng)虛擬漫游可具體劃分為：手動漫游和自動漫游。手動漫游可以實現(xiàn)管網(wǎng)的360度全方位視圖。也可通過鼠標(biāo)或鍵盤實現(xiàn)管網(wǎng)的移動變焦。自動漫游用于實現(xiàn)用戶指定路徑的漫游。