基于DirectX 地下电缆设施可视化

王成

（北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院,北京100044）

电力电缆是管网系统的重要组成部分, 承担着城市供电网络的输电任务,是发挥城市作用,保证城市快速协调发展的重要基础设施。目前, 电缆入地已成为现代文明城市的标志之一,城市地下管线是城市建设的重要组成部分, 是保证城市生产和人民生活的重要基础,被誉为城市发展的“生命线”,而地下电缆是城市地下管线的重要部分,是城市赖以生存和发展的基础[1]。

由于作为城市基础设施的地下电缆管线处于地下深处,而地下环境相当复杂,各种管道相交错,特定的空间信息不可见。虽然可以基于现有的纸质资料和图片资料大致的了解位置信息和属性信息, 但是更具体和详细的信息很难通过这些数据反映出来。因此,本文提出一种基于DirectX 的地下电缆可视化的方法,实现具体细节的可视化管理。即实现了大范围的可视化管理,又充分完善了三维模型的内部结构、介质、走向等数据信息。

1 概述

对于管线的需求不仅仅是数据上的存储和管理,而是有着更广的需要,于是基于三维的管线系统开始逐步发展,如毕天平、周京春等人对地下管线进行了深入的研究,提出了基于ArcGIS 的三维管线信息管理系统,建立了昆明三维地下管线系统,惠立、宋艳苹等人使用三维GIS 软件Skyline 对油田管网进行了三维开发,实质是在GIS 平台上进行了二次开发[2]。张芳,吴思等人使用OSG(Open Scene Graph)作为三维图形引擎对地下电缆实现了可视化管理,OSG 实质是对OpenGL 的封装,虽然可以快速便捷的进行三维开发,但是未从底层开发,功能受接口限制[3]。

本文从底层开发,采用C++为底层语言,以DirectX11 作为可视化引擎, 采用面向对象和模块分离的方法进行架构设计和系统开发,实现地下电缆三维可视化交互操作,按照地理坐标实现二三维的联合显示,以地下电缆为主线,直观地显示工井、管线、附属设施以及地表建筑之间的空间关系,为地下电缆管线管理部门和各类管线运营单位提供科学的技术支持和分析手段,能够为电缆管网改造和维修工程提供直观、可靠的决策依据。

2 可视化引擎

2.1 可视化结构设计

数据模型是整个引擎提供数据基础, 根据多源空间数据的特点,对工井点云、工井三维模型数据进行了分析,建立多源空间数据模型。多源空间数据模型总的关系是以点、线框、表面、实体模型进行表达。

其中点云结构设计为:

点云P C V X Y Z 点云位置 B R B G B B B A 点云颜色

基于以上点云结构分析,以测站点云为单位,对于数据量大的点云,对每站再进行细分,形成每站一个全局唯一的SurID,每站数据包含点云数据、属性信息、空间包围盒以及行和列等,形成如下所示的多站点云数据模型。

测站点云 S P S ID 测站编号(全局唯一) MAXBOX MINBOX 包围盒 P SI 点云个数 P C V D 点云数据 P C 点云列 P R 点云行

工井模型是利用点云进行三维重构生成的三角网模型,是多源空间数据应用最多的数据之一。一个场景对象由一个或多个模型构成,模型主要由顶点列表、子集结构、材质、矩阵参数以及组件名称组成。其中模型主要包括为工井模型,设备模型以及工井与工井之间的埋设模型。其中工井模型由工井截面,井盖,电缆段构成。

不规则三角网模型中,顶点列表包括位置信息、法线、纹理坐标组成;子集信息包含顶点列表、材质名称、材质对应的资源视图、子集对应的索引缓存的开始位置、子集对应的顶点数目以及材质对应的影像数据、光照模型。其结构设计为:

三角网顶点M V XMFLOAT P 位置 XMFLOAT N 法线 XMFLOAT TC 纹理 三角网子集M S M UINT M I 对应材质索引 UINT S I 子集对应的索引 UINT I C 子集索引个数 三角网子集材质M S M N 名称 I I S 材质 信息 XMVECTOR A XMVECTOR D XMVECTOR S XMVECTOR E XMVECTOR R 光照

以上为点云结构设计和模型结构设计,依据此空间数据模型可以真实的在场景中表达三维信息,实现三维场景的快速绘制。

2.2 可视化流程

多源空间数据模型建立完毕后, 利用Direct3D11 的GPU 的可编程技术,对着色器进行编程开发。三维图形经过输入装配阶段在顶点着色器进行模型顶点信息的三维空间变换(包括顶点变换、光照计算等),经过流输出和光栅化阶段,最后像素着色器进行像素重采样。系统将像素信息组织成位面,通过位面组成帧缓存, 最后将帧缓存中的全部像素亮度和颜色控制信息显示在二维平面上。

顶点着色阶段是进行多源空间数据可视化的关键阶段,顶点着色阶段通过接收输入装配阶段的顶点缓存数据, 以及通过常量缓存传入的空间变换矩阵,完成大规模数据的矩阵运算,从而将顶点坐标统一到投影平面空间中。由于计算机的内存空间的限制,而在大规模场景中顶点的数据量是最大的,因此在大多数情况下,往往将顶点的其他属性在顶点着色器内设置,如视点位置、法向计算、对顶点赋指定颜色值等,利用GPU 的并行处理机制实现大规模的顶点计算。

3 结论

随着我国城镇化进程的不断深入,类似于以前手工的管理模式和管理手段已无法满足“合理规划、科学管理、优质服务”的要求。由于传统的二维GIS 管理模式总是受到平面显示范围的限制,无法从纵深上直观反映底线管线之间真实的空间位置关系,因此难以对大量的管线信息进行有效的描述和表达。三维浏览方式能够切实地表达各管线之间的空间位置关系, 以及管线与周边地物的关系, 直观地描述管线的三维特征及管线之间的连接关系,真实地反映地下管线的空间分布状况。因此,在三维视角下来分析和管理管线是地下管线管理的必然趋势。