CN101630419B - 一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，该方法包括：建立城市综合管网中心数据库；三维纹理数据库；空间数据引擎；通过空间数据引擎，对中心数据库、纹理数据库进行读取建模从而构建地上、地下的二维视图与三维可视化场景；建立二三维数据层面与可视化层面的对应，所述的数据层面的对应为系统的二维视图和三维场景的地理坐标对应，所述的可视化层面的对应为三维场景中各种空间地物模型与二维视图的地图符号相对应，实现二、三维联动，使在三维场景中难以实现或宏观性的功能通过二维视图实现，而在二维中不能实现或不够真实性的功能通过三维场景实现，达到两者优势互补，从而可实现城市综合管网的高效管理。

Description

一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法

技术领域

本发明涉及计算机三维可视化技术领域，尤其涉及一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法。

背景技术

计算机三维可视化是计算机领域十分热门及发展迅速的方向，大多数研究都把目标集中于在计算机里构建三维的物体并在计算机屏幕上逼真的还原真实世界，在影视、游戏、军事、科研领域都有非常多的应用实例，随着计算机技术的发展给三维可视化技术带来了巨大的变革，三维可视化技术使二维的、静态的空间信息表示向三维的、动态的场景发展，导致了空间信息三维可视化成为GIS发展的重要特征之一，采用计算机进行三维可视化可以很好地解决传统信息管理技术中存在的问题。

城市各类地下管网是城市基础设施的重要组成部分，它就像人体内的神经和血管，日夜担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的生命线。

近20多年来我国城市建设有了飞速发展，城市原有的地下管网已远远满足不了现代化发展的需要，旧的管网的更新、新的管网的设计施工、新的管网的规划都需要准确掌握地下管网的现状，而地下管网的管理主要存在以下两方面的问题：一方面，由于大部分管线处于地下、埋设较深、分布广泛、种类繁多、结构复杂，各种资料的数据量大，资料保存期长，这给管网的设计与管理带来巨大难题；另一方面，当前，我国城市地下管网的管理和研究工作总体来看还是相当落后的，现有的地下专业管网资料都是以图纸、图表等形式记录保存，大部分地区仍以手工方式进行管网的设计和管理，工作效率低，且不能提供准确的综合管线信息，无法满足城市建设、规划及城市管理部门对管网信息的要求，在一定程度上制约了国民经济的发展，由于地下管网管理技术手段落后而造成的损失是巨大的。因此，研究和建立地下管网地理信息系统，采用高技术手段来集中规划地下管网，使其规划、建设、管理、维护逐步走向定量化、科学化、自动化，满足决策部门和施工单位的需要已成为当务之急。实现管网信息的数字化、科学化和现代化管理是摆在我国城市管理工作面前的一项重要而紧迫的任务。

我国从1996年开始，城市地下管线普查工作相继在各地开展，采用物理探测、现代测绘、计算机与网络技术以及地理信息系统技术，建立城市地下管线数据库和信息管理系统，有力地促进了地下管线信息化技术的发展，形成了地下管线探测一体化生产技术流程和数据采集、处理与建库、同步开发信息管理系统的整体解决方案。

目前城市地下管网管理信息系统在管线平面图形的技术方面已比较成熟，在数据采集和输入、空间数据的分析与处理以及数据输出等方面表现了强大的功能，但二维GIS存在着难以克服的缺陷。二维视图以其宏观性、整体性、抽象性等优点，至今仍然是人们认识空间信息的重要工具。三维场景虽然有着逼真的视觉效果，具有动态性、交互性、真实性等优势，然而三维场景也有其不足之处，当在三维管网场景环境中漫游时，和在真实世界空间中行走一样，容易迷失方向。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术的不足而提出的一种建立城市综合管网二维、三维一体化显示从而实现城市管网的高效管理的系统架构方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，该方法包括：

(a)、通过采集并分析处理得到地上空间数据及地下综合管网信息以建立城市综合管网中心数据库，其中，所述的地下综合管网信息包括管网空间数据和属性数据，所述的空间数据包含二维数据和三维数据；

(b)、根据建筑物外形纹理和管线表面纹理信息建立三维纹理数据库；

上述(a)、(b)不分先后顺序；

(c)、对上述中心数据库、纹理数据库建立空间数据引擎；

(d)、通过空间数据引擎，对中心数据库、纹理数据库信息进行读取建模从而构建地上、地下的二维视图与三维可视化场景；

(e)、建立二、三维数据层面与可视化层面的对应，所述的数据层面的对应为系统的二维视图和三维场景的地理坐标对应，所述的可视化层面的对应为三维场景中各种空间地物模型与二维视图的地图符号相对应，实现二、三维联动；

(f)、设定交互界面，实现用户对系统的应用。

在步骤c前，还包括建立管线附属设施三维模型文件库，所述的管线附属设施三维模型通过3DSMax，AutoCAD、Maya中的一种软件进行建模。所述的管线附属设施包括三通、阀门、变径接头、计量表。

步骤c中，所述的空间数据引擎通过使用空间过滤器以减少查询所返回的数据记录。

步骤b中，所述的管线表面纹理信息包括给水、排水、燃气、热力、工业、电力、电信和综合管沟的表面纹理信息。

步骤d中，地上三维建模包括三维地表的动态建模，所述的三维地表包括六大要素：地貌、植被、水系、道路、建筑物、境界，其中，地貌采用数字高程模型，建筑物三维建模由建筑物的平面几何数据、三维高度数据和影像纹理数据构建。

步骤d中，地下三维建模包括管线建模，所述的管线建模包括对管线起始处各个顶点的计算、管线表面的微分处理及管线衔接处的圆滑处理，所述管线衔接处的圆滑处理是基于GPU的平滑处理方式。

步骤a中，所述管网空间数据包括以(x，y，z)表示的三维坐标，管网属性数据包括管点编号、管段编码、管材、管径、权属单位，数据文件的格式为Access或SQL Server。

本发明具有如下优点：本发明通过建立二、三维数据层面与可视化层面的对应，实现二维视图与三维场景的有机结合，并将两者统一应用到一个系统中，使在三维场景中难以实现或宏观性的功能通过二维视图实现，而在二维中不能实现或不够真实性的功能通过三维场景实现，达到两者优势互补，从而可实现城市综合管网的高效管理。

附图说明

附图1为根据本发明方法所形成的城市综合管网三维可视化系统构架；

附图2为本发明空间数据引擎实现流程图；

附图3为本发明所实现的综合管网三维可视化系统界面；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

如图1所示，本发明综合管网三维可视化的实现方法主要包括建立城市综合管网中心数据库、三维纹理数据库、管线附属设施三维模型文件库、空间数据引擎、二三维联动等，下面将对各个数据库及模型的建立进行说明：

所述的城市综合管网中心数据库是通过采集并分析处理得到地上空间数据及地下综合管网信息得到的，其中，地下综合管网信息包括管网空间数据和属性数据，所述的空间数据包含二维数据和三维数据；所述地上空间数据包括地貌、植被、水系、道路、居民地、境界等要素，上述要素以称为Shape的几何对象存于Access或SQL Server中；所述地下综合管网信息包括管网空间数据和属性数据，该管网空间数据具有的字段包括以(x，y，z)表示的三维坐标，该管网属性数据具有的字段包括管点编号、管段编码、管材、管径、权属单位，该数据文件的格式为Access或SQL Server。

所述的三维纹理数据库包括建筑物外形纹理和管线表面纹理信息，其中，管线表面纹理分为给水、排水、燃气、热力、工业、电力、电信和综合管沟八类。

管线附属设施三维模型文件库是对管线的各附属设施进行的专门建模，所述的附属设施包括三通、阀门、变径接头、计量表，为使附属设施三维可视化效果更好，在本发明中，采用独立软件如3DSMax，AutoCAD、Maya中的一种对各附属设施进行建模。

所述的空间数据引擎(Spatial Data Engine)是近年来发展起来的管理海量空间数据的新技术，它作用于通用的商业化数据库管理系统，实现了空间信息中非结构化图形数据与结构化属性数据的一体化存储和统一的查询语言访问，大大提高了海量空间数据的管理和操纵能力。本发明管网数据搜索引擎是一个单独的、物理的数据库结构，且在本发明中，为了加快检索、查询和分析的速度，对数据表建立空间索引，使用空间过滤器来减少查询所返回的数据记录，空间索引避免了在客户端应用空间过滤器时对整个表进行检索。空间索引是数据库中的一个表，它是在数据加载到数据库中时读入到内存中的。空间索引表包括格网单元、要素的封装边界和要素Shape ID。当处理空间查询时，空间索引可减少查询最终阶段被计算出的Shape的数量，同时也减少返回给客户端的Shape数量。

具体实现流程如图2所示，数据引擎从客户端接收空间过滤器后确定过滤器的封装边界以及过滤器封装边界所跨的格网单元，这些值在SQL的WHERE子句中传递给数据库。

第一步：数据库从数据引擎接收SQL语句(该语句包括格网单元和封装边界的坐标)。WHERE子句定义了在空间索引中需要选择的图幅单元。一旦在空间索引表中确定了图幅单元，封装边界的搜索就从所选择的图幅边界开始。

第二步：利用过滤器封装边界和空间索引表中的Shape封装边界，数据库可减少最初的选择集。数据库比较看过滤器封装边界和Shape封装边界是否有重叠，如果有，则该Shape被选择来做下一步的Shape比较。

第三步：在数据引擎中，空间过滤器的Shape与第二步的要素封装边界进行比较。如果要素封装边界与过滤器的Shape不重叠，这些数据记录就不会用到最后一步。

第四步：Shape与Shape比较是一个过滤器Shape和要素Shape二进制比较过程。一旦有重叠发生，比较的结果记录就返回给客户端。

上述对空间数据引擎的实现方法进行了说明，通过空间数据引擎，对中心数据库、纹理数据库以及模型文件库的信息进行读取建模从而构建地上、地下的二维视图与三维可视化场景。

其中，三维建模包括三维地表的动态建模以及管网要素的建模，三维GIS地表的六大要素是：地貌、植被、水系、道路、居民地、境界，其中重要的是地貌和居民地。在三维GIS中，地貌被表示成地形模型，即数字高程模型(DEM)，居民地被表示成三维建筑物。目前已有多种高效、成熟的方法用于地形模型的数据获取和构造，对于建筑物，人们不只关心其外形的描述，而且要求知道其几何结构和属性信息，以便对其进行空间分析和属性查询。因此，采用合适的方法来获取建筑物的三维数据、纹理数据和合适的模型，构造三维建筑物，对于三维GIS具有十分重要的意义。

(1)建筑物自动建模

目前城市建筑物三维建模的方法一般采用3DMax软件人工建模，此方法需要时间长，所耗费人力大。在本发明中，综合管网数据库中对建筑物的数据信息包含有建筑物的平面几何数据、三维高度数据和影像纹理数据，通过上述三种数据对建筑物进行建模，从而在综合管网三维可视化系统中能够真实的反映现实城市的三维信息。

(2)建筑物的纹理映射

纹理图像映射到建筑物的表面，可以增加建筑物真实感，使整个三维场景更加逼真。同时，当建筑物外形相似时，不同的纹理可以体现建筑物的差异，使建筑物的识别更加容易。具体的纹理映射可以直接运用OpenGL的函数。OpenGL作为广泛使用的开放式图形库，它为三维显示的纹理映射提供了大量的灵活的操作函数。

对地下三维建模主要包括管线的建模，在本发明中，可将管线的几何基本数据归纳为管线端点、结合点、变径点与附属设施特征点，上述数据统称为管点数据；管线形状多为树枝状、环状或辐射状，每一条管线可以根据交叉点和变径点分解成若干条管线段，管线段是由相应管点数据的连接，组成一条不间断的管线。因此管网数据的三维表达集中体现为点要素和线要素的建模与可视化，对点要素的建模与可视化我们可以采用现有的Com技术实现，下面将着重介绍一下对线要素的建模与可视化：

管线段的三维建模一般处理方法是对管线进行多边形近似，这其中涉及到管线起始处各个顶点的计算、管线的表面微分处理、管线衔接处圆滑处理、管线段的连接等几个部分，其中，对于管线衔接处圆滑处理，在本实施例中，采用基于图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)的顶点混合技术来实现管线衔接处圆滑过渡。

上述的管线起始处各个定点的计算、管线的表面微分处理可采用常用的处理方法，在此不再赘述，下面对基于GPU的管线衔接圆滑处理进行说明：

GPU技术是一种顶点混合技术，它的实现思路是从我们人的身体的运动方式而来的。动画人物的身体(肉、皮肤)是一个网格(Mesh)模型，网格的内部是一个骨架结构。和每个骨架相关联的是一个“蒙皮”(Skin)模型，它提供动画绘制所需要的几何模型和纹理材质信息。每个顶点都有相应的权值，这些权值定义了骨骼的运动对有关顶点的影响因子。

顶点混合的一般数学表达式为：

$u\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{B}_i\left(t\right)M^{-1}P$

其中：

$\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i=1,{\mathrm{\ω}}_i\≥0$

在上式中，P为原始顶点，u(t)为变换后的顶点，n为影响P的关节数目；M_i ^-1：将第i个关节的初始坐标系变换至世界坐标系；B_i(t)：第i个关节随时间变化的世界变换，通常是一系列矩阵的连乘；ω_i：第i个关节作用于p的权因子，按以上公式就可以求出任意顶点的位置。

在本发明中，管网衔接处可以类似看成由两个关节组成的部分，于是考虑平滑衔接处顶点时使用前后两节管网的模型视图，在靠近衔接处的地方让这两个模型视图产生影响，我们称此为影响区域，影响区域之外的顶点不需要混合。衔接处混合的数量取决于顶点的混合权重，位于衔接处中心的顶点权重设为0.5，也就是它受两个模型视图的影响各为50％；影响区域边缘的顶点的权重为1.0，也就是它受本身模型视图的影响为100％。在影响区域内部的顶点，权重从1.0到0.5变化，它们的权重可以根据它们到衔接处中心进行线性设置，或者根据一些高阶函数进行设置。通过上述设置，可实现管网衔接处的两根管线无缝粘结，形成平滑完整的连续表面，改善了三维管网可视化的效果。

在实现二维视图与三维可视化场景的基础上，本发明方法还在二、三维数据层面与可视化层面建立起对应关系，以实现二三维的联动，即在可视化层面上，通过坐标映射，使二维图层中的地理位置与三维场景的空间位置相对应，并通过交互时的事件触发机制保持其变化时的同步。在数据层面上，三维场景中的地物都对应于二维图层中的某一矢量图或模型点，在进行数据查询、数据更新操作时，通过这种对应保证二三维数据的一致性，这样，通过设立交互界面，可实现用户对系统的应用，如图3所示。

具体操作可包括二维视图和三维场景互操作，主要表现以下形式：

(1)用户在三维场景中漫游时，在二维视图中实时显示出相应的位置和视野；

(2)在二维视图中改变观察者位置的时候，相应地在三维场景中视点跳到对应的位置；在三维场景中改变视点的位置，在二维视图中也跳到对应的位置；

(3)二维视图中进行目标属性信息查询的时候，三维场景的对应目标高亮显示；

(4)三维场景中进行目标属性信息查询的时候，二维视图中的对应目标高亮显示；

(5)实现空间和属性信息的双向查询，即信息查询既可以实现从空间信息到属性信息的查询，也可以实现从属性信息到空间信息的查询；

(6)二维视图进行缩放操作时，相应的三维场景也进行缩放操作；

(7)如果用户想观看沿某一条路径的三维场景中的情况，可以在二维视图中选择一条路径，相应地在三维场景中沿这条路径飞行漫游。

当然，本发明的综合管网的三维可视化的操作包括鼠标操作和键盘操作，通过鼠标和键盘操作在三维场景中进行漫游、统计、查询、编辑等，三维可视化的分析包括在三维场景中对管线段、管点附属物模型进行点选查询、显示其属性信息；在三维场景中对爆管进行可视化分析；管线与地面的位置关系分析等。

Claims (8)

1.一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于，该方法包括：

(a)、通过采集并分析处理得到地上空间数据及地下综合管网信息以建立城市综合管网中心数据库，其中，所述的地下综合管网信息包括管网空间数据和属性数据，所述的空间数据包含二维数据和三维数据；

(b)、根据建筑物外形纹理和管线表面纹理信息建立三维纹理数据库；

上述(a)、(b)不分先后顺序；

(c)、对上述中心数据库、纹理数据库建立空间索引表，所述的空间索引表包括格网单元、要素的封装边界和要素Shape ID，并按照如下方法建立空间数据引擎：首先数据库从数据引擎接收SQL语句，在空间索引中选择需要的图幅单元，封装边界的搜索就从所选择的图幅边界开始；利用过滤器封装边界和空间索引表中的Shape封装边界，数据库可减少最初的选择集，数据库比较过滤器封装边界和Shape封装边界是否有重叠，如果有，则该shape被选择来做下一步的比较；在数据引擎中，空间过滤器的shape与上述要素封装边界进行比较，如果要素封装边界与过滤器的shape不重叠，这些数据记录就不会用到最后一步；最后一步，shape与shape比较是一个过滤器shape和要素shape二进制比较过程，一旦有重叠发生，比较的结果记录就返回给客户端；

(d)、通过空间数据引擎，对中心数据库、纹理数据库的信息进行读取，通过读取建筑物的平面几何数据、三维高度数据和影像纹理数据，对建筑物进行自动建模，从而构建地上、地下的二维视图与三维可视化场景；

(e)、建立二、三维数据层面与可视化层面的对应，在数据层面上，三维场景中的地物都对应于二维图层中的某一矢量图或模型点，在可视化层面上，通过坐标映射，使二维图层中的地理位置与三维场景的空间位置相对应，并通过交互时的事件触发机制保持其变化时的同步，实现二、三维联动；

(f)、设定交互界面，实现用户对系统的应用。

2.根据权利要求1所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于，在步骤c前，还包括建立管线附属设施三维模型文件库，所述的管线附属设施三维模型通过3DSMax，AutoCAD、Maya中的一种软件进行建模。

3.根据权利要求2所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于，所述的管线附属设施包括三通、阀门、变径接头、计量表。

4.根据权利要求1所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于：步骤c中，所述的空间数据引擎通过使用空间过滤器以减少查询所返回的数据记录。

5.根据权利要求1所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于：步骤b中，所述的管线表面纹理信息包括给水、排水、燃气、热力、工业、电力、电信和综合管沟的表面纹理信息。

6.根据权利要求1所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于：步骤d中，地上三维建模包括三维地表的动态建模，所述的三维地表包括六大要素：地貌、植被、水系、道路、建筑物、境界，其中，地貌采用数字高程模型，建筑物三维建模由建筑物的平面几何数据、三维高度数据和影像纹理数据构建。

7.根据权利要求1所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于：步骤d中，地下三维建模包括管线建模，所述的管线建模包括对管线起始处各个顶点的计算、管线表面的微分处理及管线衔接处的圆滑处理，所述管线衔接处的圆滑处理是基于GPU的平滑处理方式。

8.根据权利要求1所述的一种用于城市综合管网三维可视化系统的架构方法，其特征在于：步骤a中，所述管网空间数据包括以(x，y，z)表示的三维坐标，管网属性数据包括管点编号、管段编码、管材、管径、权属单位，数据文件的格式为Access或SQL Server。

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