基于OpenGL的城市地下管网三维可视化实现

郑海鹏 吕东芳

（淮南联合大学 计算机系，安徽 淮南 232001）

随着城市信息化建设步伐的不断加快，城市自身的基础设施及其相关的配套设施也有了长足的发展。地下管道被称为城市的“生命线”[1-3]，负责为人们的生计传输许多必要的资源，如通信，供水和电加热。它在城市的正常运作中起着至关重要的作用。由于绝大多数城市管网埋在地下并处于“隐形”状态，因此基于二维的地下管线无法直观地描述管道信息。管网由二维显示到三维可视化的转换能有效解决上述问题[4]。它可以形象地描述管网外观特征以及管道和管道之间的空间相对位置关系。反映地下管线的真实空间分布，让最初在2D平面中显示的复杂管线可以以直观的3D形式显示。

1 系统设计原则、技术路线及平台的搭建

1.1 系统设计原则

（1）系统结构合理、实用、低成本，易于维护与管理

系统采用VS2017、Open GL、Auto CAD等技术进行构建，能够满足大量GIS数据的管理要求，具有开发高效，投入成本低等特点。在既定的系统框架下，无需更改系统框架，可灵活增加或减少功能模块，便于系统的管理和维护。

（2）功能完善，性能稳定可靠

系统功能相对较为完善。支持多种文件格式管线数据的编辑、校验机制，针对绝大部分管线数据异常情况均能得到有效的处理。实现数据精准入库，系统性能稳定可靠。

1.2 总体的技术路线

（1）利用VS2017集成开发环境构建C/S、B/S混合模式管理平台框架；

（2）使用Auto CAD软件将导入的管线数据生成平面2D管线；

（3）使用Open GL将2D管线数据转化为3D可视化模型；

（4）利用Vega工具实现地下管网的虚拟漫游；

1.3 系统平台的搭建

系统平台的搭建主要使用 vs2017、客户端为 win7、服务器采用 WINDOWS SERVER2008。数据库主要使用Oracle 11g用于存储系统图形原始数据[5]。搭建过程中，可以根据系统需求来增减相关功能模块。这些功能模块并不是简单孤立的个体，他们之间存在着信息上的交互。每个功能模块和业务应用程序都是以组件的形式设计和开发的，并且尽可能优化层中每个功能的耦合度。系统架构如图1所示：

图1 平台系统架构

2 空间数据模型

2.1 空间数据模型概述

空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本方法[6]。因此，对空间数据模型的认识和研究在设计城市地下管网空间数据库的过程中起着举足轻重的作用。

以现有的技术，不论何种数据模型均不能设计出通用的数据模型来囊括真实世界的所有方面。在三维管网空间数据模型的设计过程中，将地下管网中管道的相关信息“数据化”（可以在计算机中表示、处理和分析），抽象成系统数据库可识别的空间数据表现形式，建立适当的数据模型。为后续的应用程序服务。以现有的研究基础，GIS系统中空间数据模型主要采用拓扑关系或空间实体模型[7]。拓扑关系模型主要采用OPLYVRT结构，记录链（弧）信息，不同对象可以共享同一节点。从而大大增强了空间数据的可维护性。通过关联共享节点以节省空间和相互约束，以确保模型的准确性并提高可维护性。本文三维管网数据结构描述如表1所示：

表1 三维管网空间数据结构描述

2.2 空间数据模型分类

（1）概念模型：分场模型、对象模型、网路模型。场模型用于描述空间中连续分布的现象； 对象模型用于描述各种空间地物；网路模型用于模拟现实世界中的各种网络；

（2）逻辑数据模型：分为面向对象数据模型、矢量数据模型及栅格数据模型。

（3）物理数据模型：主要指概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象的最底层。

3 城市地下管网三维可视化

3.1 三维可视化建模常用的方法

（1）基于底层技术的虚拟场景建模，如Open GL、Drect3D等；

（2）使用软件自己的建模模块进行建模，例如VP中的Creator建模工具；

（3）使用第三方建模工具（如3dsmax、Maya等）。

由于深层地下管道不易捕获图像，因此使用软件自己的建模模块进行建模并使用第三方建模工具进行建模不适用。因此，本文采用了基于OpenGL技术的虚拟场景建模方法。

3.2 OpenGL三维可视化建模的具体实现

3．2．1 OpenGL简介

Open GL（Open Graphics Library：开放图形库）是一个API（即应用程序编程接口）。涵盖了从简单的环境实体基本属性设置到复杂的环境实体二三维联动等多条命令，主要用于渲染2D、3D矢量图形及三维建模，适用范围广，视觉效果直观、逼真。

OpenGL虚拟场景建模基于计算机图形，抽象真实场景和构建具有多边形的三维几何模型。并在虚拟环境中建立照明和材料模型，然后进行纹理映射和控制参数设置，完成模型构建。

目前，利用OpenGL实现管网三维建模有三种方式即：人工建模、半人工建模和自动建模。使用人工手动建模速度慢，适合单一建模；半手动建模受到模型标准部分的限制，以适应特定环境；自动建模基于自动数据生成模型，具有生成速度快，精度高的特点，可以有效地应用于工程应用中的大型场景建模。

3．2．2 城市地下管网三维可视化实现

鉴于大部分城市地下管网系统是基于2D平面的，主要用于规划，决策，预警等， 对零件细节要求较低，但具有高精度，实时生成和修改的特点。所以采用自动建模实现管网的三维可视化是较为理想的方式[8]。

将地下管网数据抽象成模型数据库中的空间数据[9]，包括管道的相关属性和管道参数（如管道坐标、管径、材料等）。建模过程如下：

（1）将模型数据库中抽象化的管网数据导入Auto CAD中，通过数据库提供详细的管道中心线坐标信息和管道直径，以确定管道位置。最终生成2D管道图像数据（管道的角度依据起点和终点的坐标计算得出）。

（2）根据每个管道连接的连接条件生成管道连接模型。

（3）使用OpenGL根据管道材料和纹理信息数据将材质和纹理映射给管道，并执行着色处理以生成3D管道（三维管道生成示意图如图2所示）。

图2 三维管道生成示意图

4 系统主要功能的设计

4.1 管网数据录入、编辑功能设计

管理模块提供输入，编辑和修改管网的属性结构和属性数据的功能。或者在更新和修改地下管网后及时保存相关属性信息，以方便日后查询管理[10]。实现地下管网管理的“数字化”。管道输入采用鼠标模式，管道入口分为两种模式： 鼠标输入和键盘输入。提供了缩放、移动、区域选定等多种编辑功能。系统可以设置场景中的任意位置坐标，在选定好要进行标注的管线或管点后，即可对相应的管线或管点属性进行编辑设置。

4.2 查询统计功能设计

查询函数主要为管道属性和空间信息提供管道查询，属性查询，条件查询等查询方法。指定区域查询可以选取系统视图中任意图形的形状，确定区域并实现各种形式的查询，例如矩形、圆形和多边形。查询结果在3D视图中突出显示，查询结果的详细信息以列表形式显示，可以查看该区域中管道的相关属性信息。属性查询和条件查询可以指定管道或管道点的相关查询条件并显示其属性信息。统计功能主要有：管线长度统计、区域统计等。

4.3 管线分析功能设计

系统集管线介质流向、纵横断面、覆土深度、净距、爆管、地基开挖、连通性、管网漫游等多种分析功能于一身。

4．3．1 断面分析

施工人员不需要在现场挖掘管道，只需要相关负责人在管理系统中查看管道的相关信息。在系统中拖动鼠标将管道切割成截面区域，在该区域中可清楚且直观地看到管道的水平和垂直断面部分以及每个管道的地下铺设的实际状况。管道离地高度和管间距等信息一目了然。同时，可以将配置文件的数据打印为图像输出。

4．3．2 覆土深度分析

周边土壤及气候等环境因素对地下管道影响较大。系统根据对比预设的最小覆土深度数值分析管网数据，便于查找违规铺设的地下管线，对于不符合规定的管道以红色显示。

4．3．3 垂直净距分析

在实际应用过程中，用户可以根据自己的实际需要选择要咨询的区域，选择管道或管道点后，系统可以自动生成管道垂直间隙分析图， 并计算该区域内管道与管道点之间的垂直间隙（垂直净距）。不合理的管道和管道点检测结果在主视图中突出显示，特定数据在图表中也标记为红色。

4．3．4 流向分析

系统根据管网中管道的拓扑信息和相应阀门的开启和关闭，计算不同管道中介质的流向。并在3D场景中标记，通过特定的流向分析（如图3所示），可以快速准确地显示所选区域中管线介质的流经方向。

图3 介质流向分析

4．3．5 爆管分析

地下管道由于压力过大，出现爆管是较为常见的灾害性事故。如果不能进行及时处理或者处理过程中出现处理不当等问题，极有可能为城市带来无法估量的经济损失，对民生造成极大的困扰和负面影响。系统通过分析硬件监控设备传递的实时管线压力数值，模拟管线爆裂影响的实际范围。

4．3．6 开挖分析

利用该功能模块设定区域的边界及挖掘深度，设定区域的地形会自行塌陷。显示其下面的地下管网分布情况。

4．3．7 连通性及阀门闭合分析

指定两条不同的管道，对与指定的两条管道间有关联的全部管道进行连通性分析。阀门闭合分析则根据指定的关闭阀门分析识别受影响的管道。

4．3．8 地下管网虚拟漫游

管网虚拟漫游可具体划分为：手动漫游和自动漫游。手动漫游可以实现管网的360度全方位视图。也可通过鼠标或键盘实现管网的移动变焦。自动漫游用于实现用户指定路径的漫游。