基于DirectX 地下電纜設施可視化

王成

（北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院,北京100044）

電力電纜是管網系統(tǒng)的重要組成部分, 承擔著城市供電網絡的輸電任務,是發(fā)揮城市作用,保證城市快速協(xié)調發(fā)展的重要基礎設施。目前, 電纜入地已成為現(xiàn)代文明城市的標志之一,城市地下管線是城市建設的重要組成部分, 是保證城市生產和人民生活的重要基礎,被譽為城市發(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[1]。

由于作為城市基礎設施的地下電纜管線處于地下深處,而地下環(huán)境相當復雜,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部結構、介質、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 對油田管網進行了三維開發(fā),實質是在GIS 平臺上進行了二次開發(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 實質是對OpenGL 的封裝,雖然可以快速便捷的進行三維開發(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, 采用面向對象和模塊分離的方法進行架構設計和系統(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、附屬設施以及地表建筑之間的空間關系,為地下電纜管線管理部門和各類管線運營單位提供科學的技術支持和分析手段,能夠為電纜管網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 可視化結構設計

數(shù)據(jù)模型是整個引擎提供數(shù)據(jù)基礎, 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)模型總的關系是以點、線框、表面、實體模型進行表達。

其中點云結構設計為:

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

基于以上點云結構分析,以測站點云為單位,對于數(shù)據(jù)量大的點云,對每站再進行細分,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行三維重構生成的三角網模型,是多源空間數(shù)據(jù)應用最多的數(shù)據(jù)之一。一個場景對象由一個或多個模型構成,模型主要由頂點列表、子集結構、材質、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,設備模型以及工井與工井之間的埋設模型。其中工井模型由工井截面,井蓋,電纜段構成。

不規(guī)則三角網模型中,頂點列表包括位置信息、法線、紋理坐標組成;子集信息包含頂點列表、材質名稱、材質對應的資源視圖、子集對應的索引緩存的開始位置、子集對應的頂點數(shù)目以及材質對應的影像數(shù)據(jù)、光照模型。其結構設計為:

三角網頂點M V XMFLOAT P 位置 XMFLOAT N 法線 XMFLOAT TC 紋理 三角網子集M S M UINT M I 對應材質索引 UINT S I 子集對應的索引 UINT I C 子集索引個數(shù) 三角網子集材質M S M N 名稱 I I S 材質 信息 XMVECTOR A XMVECTOR D XMVECTOR S XMVECTOR E XMVECTOR R 光照

以上為點云結構設計和模型結構設計,依據(jù)此空間數(shù)據(jù)模型可以真實的在場景中表達三維信息,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,對著色器進行編程開發(fā)。三維圖形經過輸入裝配階段在頂點著色器進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),經過流輸出和光柵化階段,最后像素著色器進行像素重采樣。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。

頂點著色階段是進行多源空間數(shù)據(jù)可視化的關鍵階段,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,從而將頂點坐標統(tǒng)一到投影平面空間中。由于計算機的內存空間的限制,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設置,如視點位置、法向計算、對頂點賦指定顏色值等,利用GPU 的并行處理機制實現(xiàn)大規(guī)模的頂點計算。

3 結論

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷深入,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、科學管理、優(yōu)質服務”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系,因此難以對大量的管線信息進行有效的描述和表達。三維瀏覽方式能夠切實地表達各管線之間的空間位置關系, 以及管線與周邊地物的關系, 直觀地描述管線的三維特征及管線之間的連接關系,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。