王成

（北京建筑大學(xué) 測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,特定的空間信息不可見。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)的信息很難通過這些數(shù)據(jù)反映出來。因此,本文提出一種基于DirectX 的地下電纜可視化的方法,實現(xiàn)具體細(xì)節(jié)的可視化管理。即實現(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

對于管線的需求不僅僅是數(shù)據(jù)上的存儲和管理,而是有著更廣的需要,于是基于三維的管線系統(tǒng)開始逐步發(fā)展,如畢天平、周京春等人對地下管線進(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、宋艷蘋等人使用三維GIS 軟件Skyline 對油田管網(wǎng)進(jìn)行了三維開發(fā),實質(zhì)是在GIS 平臺上進(jìn)行了二次開發(fā)[2]。張芳,吳思等人使用OSG(Open Scene Graph)作為三維圖形引擎對地下電纜實現(xiàn)了可視化管理,OSG 實質(zhì)是對OpenGL 的封裝,雖然可以快速便捷的進(jìn)行三維開發(fā),但是未從底層開發(fā),功能受接口限制[3]。

本文從底層開發(fā),采用C++為底層語言,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)計和系統(tǒng)開發(fā),實現(xiàn)地下電纜三維可視化交互操作,按照地理坐標(biāo)實現(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和各類管線運營單位提供科學(xué)的技術(shù)支持和分析手段,能夠為電纜管網(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

數(shù)據(jù)模型是整個引擎提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ), 根據(jù)多源空間數(shù)據(jù)的特點,對工井點云、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、線框、表面、實體模型進(jìn)行表達(dá)。

其中點云結(jié)構(gòu)設(shè)計為:

點云P C V X Y Z 點云位置 B R B G B B B A 點云顏色

基于以上點云結(jié)構(gòu)分析,以測站點云為單位,對于數(shù)據(jù)量大的點云,對每站再進(jìn)行細(xì)分,形成每站一個全局唯一的SurID,每站數(shù)據(jù)包含點云數(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云數(shù)據(jù)模型。

測站點云 S P S ID 測站編號(全局唯一) MAXBOX MINBOX 包圍盒 P SI 點云個數(shù) P C V D 點云數(shù)據(jù) P C 點云列 P R 點云行

工井模型是利用點云進(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。一個場景對象由一個或多個模型構(gòu)成,模型主要由頂點列表、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;子集信息包含頂點列表、材質(zhì)名稱、材質(zhì)對應(yīng)的資源視圖、子集對應(yīng)的索引緩存的開始位置、子集對應(yīng)的頂點數(shù)目以及材質(zhì)對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)、光照模型。其結(jié)構(gòu)設(shè)計為:

三角網(wǎng)頂點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 對應(yīng)材質(zhì)索引 UINT S I 子集對應(yīng)的索引 UINT I C 子集索引個數(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

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

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),對著色器進(jìn)行編程開發(fā)。三維圖形經(jīng)過輸入裝配階段在頂點著色器進(jìn)行模型頂點信息的三維空間變換(包括頂點變換、光照計算等),經(jīng)過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,頂點著色階段通過接收輸入裝配階段的頂點緩存數(shù)據(jù), 以及通過常量緩存?zhèn)魅氲目臻g變換矩陣,完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的矩陣運算,從而將頂點坐標(biāo)統(tǒng)一到投影平面空間中。由于計算機(jī)的內(nèi)存空間的限制,而在大規(guī)模場景中頂點的數(shù)據(jù)量是最大的,因此在大多數(shù)情況下,往往將頂點的其他屬性在頂點著色器內(nèi)設(shè)置,如視點位置、法向計算、對頂點賦指定顏色值等,利用GPU 的并行處理機(jī)制實現(xiàn)大規(guī)模的頂點計算。

3 結(jié)論

隨著我國城鎮(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,無法從縱深上直觀反映底線管線之間真實的空間位置關(guān)系,因此難以對大量的管線信息進(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,真實地反映地下管線的空間分布狀況。因此,在三維視角下來分析和管理管線是地下管線管理的必然趨勢。