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基于OpenGL的三维地下管线信息系统的设计与实现
2014年12月8日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:简季 吴剑 杨武年 曾涛 戴晓爱
    单位:成都理工大学地球科学学院空间信息技术系

    摘要:在三维管线的显示、查询以及分析方面进行了研究和开发 ,并对三维管线信息系统的建立提供了一个应用实例。

    1  国内外研究应用现状

    1.1 AM/ FM/ GIS技术的发展和应用

    地下管网信息系统是近年来 AM (Automated Mapping) / FM (Facility Management) / GIS 技术的重要应用之一。AM/ FM/ GIS 是指在 GIS 技术的基础上 ,采用先进的计算机图形学技术、数据库技术和计算机网络技术 ,建立满足公共设施管理企业行业技术规范、生产流程和管理制度的自动制图与设备设施管理系统。AM/ FM/ GIS 区别于 CAD 系统的一个重要特征就是具有数据综合、地理模拟和空间分析能力.

    国外在 AM/ FM/ GIS 技术的研究及应用方面已经相对成熟 ,其中尤以 ESRI(美国环境资源研究所) 为代表 ,在它的带领下 ,北美及欧洲相继有了成熟的电力、地下管网、煤气等 AM/ FM/ GIS 系统 ,其三维表现也正在逐步实现。

    国内在 AM/ FM/ GIS 技术的研究及应用方面也有很多成熟的系统 ,如广州城市信息研究所有限公司的地下管网系统就是这些系统里面的佼佼者 ,其成熟的地下管网解决方案使其拥有了很多客户 ;上海四通摩天的电力企业系统也是一个相当不错的AM/ FM/ GIS 系统。但是 ,这些系统在三维表现上都不能与其二维的成熟表现相提并论。

    1.2 Open GL 简介

    计算机图形学的迅速发展已经把我们带入了一个三维真实感的图形时代 ,准确地模拟和再现三维世界 ,以一种直接的、易于理解的形式来表示三维信息 ,是我们需要解决的一个重要问题。Open GL是A T &T 公司 UNIX 软件实验室、IBM 公司、DEC 公司、SUN 公司、HP 公司、Microsoft 公司和 SGI 公司在 GL ( Graphics Library) 的基础上联合推出的三维图形标准 ,它实际上是一种图形与硬件的接口 ;它独立于硬件设备、窗口系统和操作系统。

    作为一种开放的图形标准 ,用 OpenGL 编写的软件可以在 UN IX系统和 Windows 95/ N T 间实现移植。Open GL 共包括 100 多个功能强大的图形函数 ,开发人员可以用这些函数来建立三维模型并进行三维实时交互。这些函数分属于三个基本图形库 :基础库、实用库和辅助库。Open GL 的基本功能包括 :模型绘制、模型观察、颜色模式的指定、光照应用、图像效果增强、位图及图像处理、纹理映射、多缓存应用、实时动画、交互技术等。

    正是基于 OpenGL 的这些特点 ,本文采用 OpenGL来实现地下管网的三维表现。

    2 基于 OpenGL 的地下管线三维表现的设计

    在利用Open GL 实现三维管线系统时 ,考虑与二维管线系统的结合 ,本文采用 VB 作为开发工具 ,以 Microsoft 的 Access 作为后台数据库。

    2.1 子系统设计

    根据三维管线系统的功能需要 ,本文将系统分为三维管线显示、三维管线查询、三维管线分析等三个子系统。

    三维管线显示子系统应包括不同类型管线的三维表现、管线空间的位置表示、管线与地面的关系、二维和三维的切换、三维观察参数的设置 (背景、浏览参数 ,飞行参数、视点参数)。

    三维管线查询子系统应包括图查属性 ,即在三维表现状态下 ,对管线和管点进行属性查询(支持直接点击对管线和管点属性数据进行查询)。

    三维管线分析子系统应包括管线分析的基本功能 :任意管线的纵剖面生成 ,任意横断面的生成。

    2.2 三维数据模型的设计

    三维数据模型的设计[6 ,7 ]是三维显示和操作的基础 ,一个好的三维数据模型对于实现一个好的三维系统是非常必要的。本文系统采用面向对象的设计方法 ,将每条管线或每个管点看作为一个对象 ,一个数据对象应包括标识号 (在系统中是惟一标识一条管线或一个管点) 、名称、类型、颜色标识、旋转角度、所在位置、……,其数据模型图如图1所示。

图 1  三维数据模型图

  为与二维管线系统结合 ,在进行数据模型的设计时 ,本文着重考虑了与二维数据模型的衔接 ,对管线和管点进行了分类处理。

    2.3  地面模型的设计

    在地面模型的设计[8 ]上 ,考虑到三维显示的数据处理量较大 , 故只对显示范围的地面模型进行模拟1由于使用等高线或数字高程模型 (DigitalEvaluation Model , DEM) 数据生成的地面模型是对整个地区的 ,本文采用显示范围内管点的地面高程生成当前范围的地面模型。采用的是 Delaunay 三角剖分算法.

    3 基于 Open GL 的地下管线三维表现的实现

    3.1  管线管点三维表现的实现

    根据管线的特点及分类 ,本文对每类管线和管点分别用不同的材质表示 ,并根据其实际管径(或半径) 及管长(或深度) ,用相近的形状 (圆柱体或长方体等) 、以及其放置的位置或角度进行相应的处理 ,如图 2 所示。图中的细格为坐标网格线。

图 2 管线和管点的三维表现

    3.2 子系统功能实现

    (1) 三维管线显示子系统功能的实现

    三维管线显示子系统功能包括 :背景颜色的改变 ,浏览参数的改变 ,视点参数的改变 ,飞行参数的设置等。

    (2) 三维管线查询子系统的实现

    为便于三维管线属性数据的存储和修改 ,在系统实现中 ,我们采用数据文件与数据库结合的方式。

    在系统中 ,图形数据与属性数据库通过标识符惟一地标识一个图形对象 ,当查到某一对象时 ,图形系统返回对象的惟一标识符 ;然后系统通过该惟一标识符查询属性数据库中的属性 ,并显示出来1 图 3 所示为查询结果。

图 3  属性查询结果

    (3) 三维管线分析子系统的实现

    三维管线分析子系统主要包括管线纵剖面和管线横断面的生成 ,在实现时使用二维来表现 ,图 4 所示为一管线纵剖面图1 图中黑线表示对应管点的高程。

图 4  管线纵剖图

    

    3.3 地面模型的实现

    为减少三维系统的数据处理量 ,在实现地面模型时 ,本文选取显示范围内的所有管点的高程作为地面模型的高程点 ,采用 Delaunay 三角剖分算法对这些点进行 TIN 模型的处理 ,处理效果能够较好地反映地面状况 ,图 5 所示为显示地面模型后的三维效果图1 图中黑线表示对应管点的高程

图 5  显示地面模型后的三维效果

    4 结语

    本文利用 Open GL 提供的丰富的三维变换、光照、纹理及特殊效果函数等来建立三维管线模型 ,开发出了效果理想的三维管线信息系统 ,在实践中取得了较好的效果 ,能够满足管线用户对三维管线显示、查询和分析方面的要求。在下一步的工作中 ,我们拟在此基础上从三维管线的虚拟现实方面进行研究与开发 ,在管线信息系统的应用方面进行更深入的探索。

    参考文献

    [1] Tian Yingzhong , et al1 Under2Ground Pipeline Survey and In2ormation2Management [ M ]1 Beijing : Survey Press , 1997 (inChinese)(田应中 , 等1 地下管线网探测与信息管理[ M ]1 北京 : 测绘出版社 , 1997)

    [2] Liao Duoduo , et al1 3D Graphics Programming with Open GL[ M ]1 Beijing : Xingqiu Mapping Press , 1996 (in Chinese)(廖朵朵 , 等1 Open GL 三维图形程序设计[ M ]1 北京 : 星球地图出版社 , 1996 年)

    [3] Wang Chengwei , Gao Wen , Wang Xingren1 The Theory , Real2izing and Application of VR Technology [ M ]1 Beijing : TsinghuaUniversity Press , 1996 (in Chinese)(汪成为 , 高  文 , 王行仁1 灵境 (虚拟现实) 技术的理论、实现及应用[ M ]1 北京 : 清华大学出版社 , 1996)
    
    [4] Yang Wunian , et al1 Project of digital campus —Digital Cheng2du university of technology [ A]1 In : Proceedings of Survey in2002 Science and Technology Annual Conference [ C]1 Cheng2du : Chengdu Mapping Press , 20021 393~396 (in Chinese)(杨武年 , 等1 数字化校园工程 ———数字成都理工大学[ A]1见 : 2002 年科技年会测绘分会论文集[ C]1 成都 : 成都地图出版社 , 20021 393~396)

    [5] Jian Ji1 The computer graphics image imitation and evaluatingfor man2machine working efficiency about high2speed train run2ning and controlling [D]1 Beijing : Beijing University of Astro2nautics and Aeronautics , 1998 (in Chinese)(简  季1 高速列车运行与控制的计算机图形、图像仿真及其人机工效评估[硕士学位论文]1 北京 : 北京航空航天大学 ,1998)

    [6] Michael Zeiler1 Modeling Our World [ M ]1 Redlands : ESRIPress , 1999[ 7 ] ESRI1 MapObjects specification [ OL ]1 http :/ / www. esri.com , 2003[ 8 ] WSI2GRIS1 Delaunay triangulation in two and three dimensions[ OL ]1 http :/ / www. gris. uni2tuebingen. de/ gris/ proj/ dt/ dteng.html , 1995

标签:OpenGL地下管线
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