基于GIS校园地下管网三维可视化的研究

摘要：本文提出的系统根据地下管网数据的性质和分层的概念来建立校园地下管网的具体模型，具体介绍了数据结构中栅格矢量的实现形式，并利用空间数据库等相关技术将校园地下管网的数据信息存储到智能设备中，并对其进行做相应的处理。最后通过建立LOD模型和GIS模型，实现校园地下管网系统的实时漫游和三维可视化的功能。

关键词：地下管网；三维可视化；GIS技术；空间数据模型

中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 15-0000-02

GIS-based Campus Underground Pipe Network 3D Visualization

Qin Hua,Zhou Lichun

(East China Institute of Technology,Fuzhou344000,China)

Abstract:This paper presents a system of underground pipe network data according to the nature and the concept of layering to create a specific campus underground pipe network model,the specific data structure introduced in the grid vector forms,and use of space technologies related to the campus database underground pipe network to the intelligent data storage devices,and be handled accordingly.Finally,through the establishment of LOD models and GIS models to achieve the campus network system of underground pipe and three-dimensional visualization of real-time roaming function.

Keywords:Underground pipe network;Three-dimensional visualization;GIS technology;Spatial data model

一、前言

校园地下的各类管网是一个学校十分重要的设施，但由于种种的原因的限制，如许多学校现有的地下各类专业管网的具体信息缺损严重，易造成重大事故如。在校园管网的传统信息系统中，由于大部分管线都埋在地面一下，在使用二维的图形显示时，就没有直观性，工作人员对地下管线的布置状况就很难进行识别，所以依据这些二位地图对地下管线进行施工时，常常会引起一些事故的发生，直接给学校的管理和生活带来巨大的不便，为了解决这些问题，促进学校的现代化，学校必须使用新的技术及三维图形对校园地下管网进行科学的管理。

校园地下管网信息系统（Campus Underground Pipe Network Information System）是利用地理信息系统技术（GIS）和其他专业技术，采集、管理、综合分析和处理校园地下管网信息的一种信息系统[1]。校园地下管网信息系统是建立在数字校园的环境之下，所以，我们需要对它的具体含义进行理性的扩充。地下管网的属性数据和空间数据是校园地下管网信息系统的核心，利用地理信息系统技术（GIS technology）、数据库管理技术（DBMS technology）、信息可视化技术等对校园地下管网进行综合管理，为学校的管理部门和请来的施工部门提供地下管网的精确走向和具体的填埋深度等信息，并最终通过对数据进行空间分析和统计分析，为学校领导部门进行管网的改造、规划等提供有价值的辅助信息，实现校园地下管网管理的智能化和科学化。

二、校园地下管网的数据分析

校园地下管网的空间数据模型在传统的方面看来是空间数据模型的分支，在地下管网的空间数据分析中和地下管网的具体数据表达等方面起着十分重要的作用。

（一）校园地下管网的数据特点。学校硬件设施的生命线就是校园地下管网，它主要包括给供热管网、电信管网、排水管网、水管网、燃气管网、电力管网和排污管网等；因此它有着校园地下神经网络的称号。而对于每一类管网大都有一种分布图如：环状、树状和辐射状等，组成一个独立的系统体系，系统内部的各组成部分之间互相作用，共同起影响。作为一种基层的网络数据，校园地下管网数据具有一般网络的特性，它由节点和弧段组成。其中弧段表示为相邻节点间的管线段；而节点由三类基本特征点和管网基本点状实体共同组成，三类基本特征点为：地下管网的交点、管径的变化点和填埋深度得变化点。

（二）校园地下管网的数据结构。在空间关系数据库中，空间数据的具体表示方法主要有矢量数据结构、栅格数据结构以及栅格矢量一体化结构等[2]。

1.矢量数据结构。矢量数据结构主要用点串序列表示空间关系实体的边界分布和形状[3]。在这种结构中，点状实体表示坐标；而用线上的一系列点的坐标来表示线状实体，用面的边界弧段序列来表示面状实体。

2.栅格数据结构。栅格数据模型由矩形或正方形栅格组成，一个栅格代表1个像元，栅格数据结构就是像元阵列，像元则由行列号确定它的具置。在栅格数据结构中1个像元用点状实体进行表示，而用在一定方向上连接成串的距离为1的像元集合来表示线状实体，用聚合在一起的距离为1的像元集合来表示面状实体。

（三）管网系统的栅矢融合和地图匹配。作为校园地下管网系统的地图，我们想要既要充分利用二维图的优势如：画面无级缩放和精美等，又要充分利用栅格图的特点：能反映校园最新风貌和数据更新快。为了达到这一目标，主要的解决方法是：以学校现有的矢量地图作为基础，从而建立校园地下管网的专业图层，同时应用相应的方法和技术等手段将矢量底图与栅格图进行精确的配准，从而达到将两者的优点合理的结合起来的目的。

三、校园地下管网的可视化分析

校园地下管网的三维可视化就是将大量存入计算机中的数据和信息，通过相应的方式或方法等技术手段变成能看到三维视频界面或三维图片。但是空间数据的具体空间坐标系的含义是可视化GIS（地理信息系统）的基层工作，所以准确分析和确定GIS系统的空间坐标系对校园地下管网三维可视化的目标的实现十分的重要。

（一）GIS坐标系及其具体的投影。GIS中的坐标系定义由地图投影和基准面两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，所以，要想正确定义GIS系统坐标系，就要首先弄清地图投影（Projection）、地球椭球体（Ellipsoid）和大地基准面（Datum）及三者的基本概念及它们之间的关系。我们所谓的基准面，就是通过国际上特别定义的椭球体对特别定义的地区的地理表面的近距离的逼近，所以，地球上的每个有的国家和没有的地区都有它们各自不同的基准面。正如我们通常具体所说的两大坐标系：即西安80坐标系和北京54坐标系，实际上就是指我国的两个比较大的基准面。如今在国际上，WGS1984基准面主要采用的是WGS84椭球体，WGS1984基准面是地心坐标系，就是把地球的球心看作椭球体的中心，现如今很多测量都以WGS1984基准面作为依据，如：GPS测量定位等。

椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，但能定义不同的基准面。而所谓的地图投影就是一种数学变换，即将地图从球面变换到平面，例如北京54坐标系中，某点坐标值为x是4231898，y是21655933，其实际上指的是北京54基准面下坐标系的投影坐标，也就是说，它的经度坐标和纬度坐标是北京54基准面在WGS1984面坐标上的具体投影得出的结果。

眼坐标系或视点坐标系具体就是是进行取景和需要变换所需要第一个坐标系。原点为视点坐标系的视点就是我们眼睛所在的方向，视线方向作为z轴负方向我们眼睛看过去的方向，即正向与眼睛看过去的方向相同。具体如图1所示。

图1、视点坐标系

我们常常使用齐次坐标来具体表示三维图形变换后得到的坐标值。然而齐次坐标的详细表示法就是表示一个n维向量要用n+1维向量，设用四维齐次坐标 来表示三维空间点 ，变换后的空间点为 。具体的变换公式为：

其中 为几何变换矩阵：

纵向刨面分析：在表示坐标系时，纵向刨面坐标系的纵坐标用沿着管线走向、投影到路面的长度进行表示，横坐标用管线的所埋的深度进行表示（如图2所示）。

横向刨面分析：跟纵断面图相似，横向刨面分析的横坐标轴为横断面线，原点为横断面线的起点，纵坐标为管线的埋深（如图3所示）。

图2纵向刨面的分析图 图3横向刨面的分析图

（二）三维信息的可视化和LOD模型的建立。三维显示通常采用立体块状图、多层平面、截面图和等距平面等多种表现形式，大多数三维显示技术局限于绘图纸和CRT屏幕的二维表现形式，虽然人们可以观察到三维形状的地理现象，但却不能将它们作为离散的实体进行分析，如立体不能被改变形状、测量、拉伸或组合。为了实现实时的数据信息的具体交互，就要提高场景具体的显示速度，而人们在实际的三维可视化显示中通常使用降低地下场景的相对复杂度等方法，为了减少图元数据对象的具体数目在每帧中的绘制，大都是从计算机硬件绘制的角度进行考虑。

人们所称的LOD模型具体是指采用精度各部相同、根据不同的可视化显示的方式对相同的对象的几何描述方法，如果物体的具体描述程度很低的话，则它的数据量就会变得很小，对它描述也会显得很粗糙；反之，则信息数据量就会变得很大，对其描述也会很精细。

LOD模型：即是针对原来的几何模型，按照特定的算法和技术进行简化后得到的具体模型的总称。在空间代数数量上，因为简化后的具体模型比原来的几何模型，在数据量上减少了很多，从而降低了对各种设配硬软件的需求，进而大大缩短了人机交互操作的所用的时间，提高了操纵数据的速度，所以，会使图像在渲染速度上得到巨大的提高。在几何结构上，LOD模型的种类可以分为3种类型即：几何结构自身的LOD模型、不连续的LOD模型和连续的LOD模型。

（三）数据在漫游中的实时处理分析。在三维可视化管网研究领域，使用地形R-Tree空间索引技术和LOD模型对大量的三维数据进行实时漫游研究，取得一定进展。但是同时还存在一定的问题，如在：空间索引的技术、数据状态互助交换和内存高速交换机制上等还有继续提高和研究的可能。传统的看来，校园地下管网的数据量比较大，导致了很难实现实时的漫游。所以，当前的一个主要瓶颈就是实时绘制出相应的结果。我们针对地下管网地理信息系统（Underground Pipe Network Information System of GIS）可以在漫游过程中实现绘制的特点，而主要通过使用改进的相邻帧间的连贯性关系、平行投影技术和空间跳跃重采样三种方法来实现实时加速方法。

在数据或信息漫游时，依据距离为1的两个视点在视线的方向和位置上变化比较小，同时距离为1的帧的场景只有小一部分不一样，很大一部分都是相同的，故而，实现实时处理就要通过利用相邻帧的这些连贯性特点。同时使用光线投射这种先进的技术，我们对沿视点即横剖面的-Z方向投射出的光线进行具体采样的时候，会产生很多空体素即没有数据的空间点，但是利用改进的Space―Leaping（空问跳跃技术）就可以跳过这些无用的数据空间点，从而加快绘制图像的速度。

依据距离为1的帧的连贯性特点，我们提出了一个分两个步骤进行数据两步的技术方案；就是将当前取到的帧的处理分成解成两个步骤：近景的处理和远景的处理。近景在处理时，主要是使用改进了的比较先进的两阶段光线段投射技术，远景的处理上面，则是主要使用改进了的比较先进的加速对象投影技术，不仅要处理远方位视点区域，同时还要考虑到距离为1的帧的连贯性特点，距离为1的帧的场景发生变化将会局限在一定范围内，我们根据近视点场景重新进行具体的计算就可以得出结果，剩下的部分利用前一帧的具体场景处理的结果进行处理，然后再将两部分重新合成。

双缓存技术是OpenGI中有部分漫游功能的技术。双缓存技术在绘制画面时使用两个缓存和两个前后台。该技术在工作的时候，具体工作原理为：前台缓存显示画面信息数据的时候，其后台缓存却在绘制下一个的具体画面信息数据；如果后台缓存绘制完毕画面数据的时候，后台缓存便会把图片数据显示到屏幕上，而前台缓存又要开始绘画下一个画面信息的具体内容，如此一直循环下去，使得我们的屏幕上总会显示己经绘制好的图片，从而使我们看起来所有的图片都是连续的、跟视频一样。

四、结束语

校园地下管网信息系统采用GIS技术和三维图像处理技术实现了校园地下管网多媒体显示等功能。在GIS这种相对比较成熟的技术支持下，三维可视化技术使得传统二维的地图向三维的场景方向发展，同时再加上空间关系数据库的支撑，使用现代化的技术手段不仅可对空间的数据信息进行多方位的交互影响，同时还可以对其中的数据信息等进行深度得挖掘，以探索出它们之中所具有的逻辑关系，最终实现对未来状况的预测，以得出可行、合理的解决方案。

参考文献：

[1]李培君.基于gis的地下管网可视化研究[D].信息工程大学硕士学位论文集,2006,3

[2]李鸿雁.依托信息技术创建长治市综合地下管线动态管理模式的成功实践[J].城建档案,2006,4:26-27

[3]田湘平.城市地下管线档案动态管理的设想[J].黑龙江科技信息,2008,2:22-23