基于GIS的管道三维可视化技术研究.doc

基于GIS的管道可视化技术研究 赵本福王光振 摘 要：作为城市的基础设施，系统对其进行合理的有效的管理规划，节约管道建设成本管网维修使用效率管网系统的建立依赖于管道可视化，管道三维可视化技术研究显得十分必要。GIS平台，介绍了管道三维可视化技术，管道的几何特征，GIS探讨了三维可视化技术，并了直管和弯管模型后续的可视化。 关键词：；； 引言 地下管道网络作为城市重要的基础设施，担负着能源输送，信息传输等功能，是城市赖以生存和发展的重要通道。很多城市利用计算机技术建立了自己的管网系统，这些管网信息系统多数是结合国内外大型基础地理信息系统软件与可视化开发语言（VB、VC、Delphi等）进行的集成式二次开发，这些系统除了满足GIS基本功能外，还具有管线管理的专业功能， 如断面分析、爆管分析等，但大多数系统是2维或2.5维。 尽管MapInfo和ArcGIS提供了简单的地面三维展示功能，但对于现实世界复杂的三维关系的描述与分析很少与地下管道方面几乎没有，更没有提供面向三维管线的建模工具。迄今为止，国内阐述三维管线建模和相关空间分析的文章很少[1],随着城市的高速发展，地下管线建设越来越庞杂，建立合理而有效的管线管理数据库是管线系统高效和稳定运行的重要保障因此生成有效的三维管道管线管理数据库十分必要。 地下管线分布纵横交错，图不能表现管线之间的空间关系，有些管线上下起伏，与地面垂直的管线只能在图上只能以一个点或标注来表示，视觉效果不直观。 可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，要实现管线的三维可视化，至少需要解决管线的三维建模以及利用合理的数据模型来管理管线模型数据这两个难题。 在技术上，一般有数学类技术和组件类技术，其中数学类技术主要利用计算机图形学和数学知识，结合OpenGL或Direct3D等从底层进行管线建模，组件类技术则是在成熟GIS组件的基础上进行二次开发，实现管线的三维可视化。 组件类技术将所需数学知识封装在函数库里，开发者只需应用组件提供的接口和函数即可实现复杂的三维可视化及分析功能。由于现有的很多二维管线系统都是基于组件开发的，如果在此基础上再利用组件进行三维功能的扩展，不仅能够减小开发难度、缩短开发周期，而且开发的三维相关功能能够与已有基本功能相互兼容，既能够充分利用GIS软件成熟的数据编辑、空间分析等功能，又能发挥三维直观性强、表现力丰富等优点，达到优势互补的效果。 技术简介 GIS软件的组件式开发技术 ArcGIS Engine（AE） 2]。 ArcGIS Engine作为ArcGIS的二次开发语言，它不仅具有丰富的GIS分析功能，而且还具有强大的3D渲染和显示功能，加上该组件具有良好的跨平台、跨语言等特点，开发者可快速定制出满足用户需求的三维应用系统[3-4]。 ArcGIS Engine除了提供基本的点、线、面等几何模型外，还提供了三维矢量模型。三维矢量模型包括所有含Z值的几何对象：点、线、面及多片（MultiPatch）。其中，多片是一系列三维表面的集合，这些三维表面在几何上主要有三角条带（Triangle-Strip）、三角扇（Triangle-Fan）和环（Ring）。三角条带是指一系列相互连接的三角形构成的三维几何形状，其结构如图1所示。 图1 三角条带结构 三维管线的表面可以按一定规则分解为多个相互连接的三角形，因此，三角条带对象用于三维管线表面的模拟，本文研究的管线三维可视化就是基于这种多片三维矢量数据模型进行组织和管理的。除了合适的三维数据模型外，AE还提供了众多接口用于三维实体的建模如IConstruetMulti-Patch接口提供了几种用于构建MultiPatch对象的方法；IVector3D接口提供了对三维向量进行各种运算的方法；ITransform3D接口则提供了对三维物体或空间坐标系进行旋转、平移等变换的方法。在三维显示方面，AE也提供了相应的ActiveX控件，如适合精细三维场景的刻画的Scene Control。并且AE还提供了导航、飞行、缩放、漫游等三维浏览工具可以很方便地与三维场景进行交互。 的三维建模 为方便三维建模管理，将管线按类型几何特征进行分类与分层管线主要由和连接直管的弯管组成，本文主要弯管来进行介绍。 建模 依据 关于三维圆管的建模，杜国明和李清泉[5-6]采用了Grid算法，其原理是：已知管线的起点P1(X1，Y1，Z1)、终点P2：(X2，Y2，Z2)以及管径R，为了形成以P1，P2为轴线起止点，以R为半径的圆柱面，可以以P1点所在断面圆弧的两点及对应P2点所在断面圆弧的两点构成一个矩形；在每个圆周边均匀取n个这样的点，可得到n个这样的矩形