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浅析地下管网虚拟现实系统的构建_5151doc

浅析地下管网虚拟现实系统的构建
作者:未知 文章来源:网络 点击数: 更新时间:2010-2-12

论文关键词 :地下管网  空间数据模型  三维可视化
  论文摘要:为了实现对地下管线的数字化与可视化管理 ,结合虚拟现实技术对地下管网进行研究。系统根据分层概念和管网数据的特点 ,设计城市地下管网的概念模型,着重介绍栅格矢量一体化数据结构的形式,利用空间数据库将地下管网的相关信息存储在计算机上并做相应处理,最终运用 GIS和 LOD模型的建立实现管网系统的可视化和实时漫游 功能。 
  城市地下各类管网是一个城市重要的基础设施,担负着信息传输、能源输送等工作,也是城市赖以生存和发展的物质基础。但由于多方面的原因,我国现有地下各类专业管网的资料残缺不全,且有关资料精度不高或与现状不符,在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管网,造成停气、停水、停暖、通信中断、污水 四溢等严重事故。另一方面,我国现有地下专业管网的资料都以图纸、图表等形式记录保存,采用人工方式管理,效率低下。为了解决这个问题 ,必须使用新的技术手段对地下管网进行管理。 
  城市地下管网虚拟现实系统属于处理地下管网专题数据的一种信息系统,是以地下管网空间信息和属性信息为核心,利用计算机地理信息系统技术、计算机图形学技术、数据库管理技术和信息可视化技术对城市地下管网进行综合管理,为施工部门和管理部门提供地下管网准确的走向和埋深等有关信息,通过进行各种分析,为领导部门进行管网规划、管网改造等提供辅助决策功能。地下管线虚拟现实系统一是可以实现传统手工处理方式向现代化信息管理转型,以保证数据的实时更新、有效管理,避免重复收集数据信息;二是可为市政建设提供规划、设计、决策服务;三是可为应对突发事件提供支撑。 
  1  管网数据模型与数据结构 
  空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互问联系的概念,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。管网空间数据模型是空间数据模型的一种,在管网数据的表达和管网空间分析等方面起着极其关键的作用。 
  1.1 城市地下管网数据特点 
  城市地下管网是城市基础设施中的生命线,有地下神经之称,包括给水管网、燃气管网、供热管网、排水管网、电力管网、排污管网和电信管网等。每一类管网都由管线段和附属设施组成,呈树状、环状或辐射状,形成一个系统,系统的各组成元件相互影响,共同发挥作用 。 
  首先,地下管 网数据是一种基本网络数据,满足网络的一般特性 ,其基本构成包括弧段和节点。节点包括管网点状实体和三类特征点,即管径变化点、埋深变化点和管网交点,弧段表示相邻节点问的管线段 。其次 ,地下管网数据有区别于一般网络数据的特殊性。地下管网数据包括两种基本类型:树状管网和环状管 网。树状管网大多是重力管网,其弧段都是单向弧段,方向取决于起始节点的高程值,如排水管网就属于这类管网。而燃气、给水等压力管线在设计时为了尽可能减少事故造成的影响,大多采用环状设计,同时大、中城市的燃气、给水等管网都采用多个源头,使得这些管线呈多源环状分布。 
  1.2 系统概念模型设计 
  概念模型反映了城市地下管网所包含的各部分数据之间的关系。根据分层概念和管网数据的特点,设计了城市地下管网的概念模型,如图1所示。
  
  在该模型中,首先将城市分成多个城区,每个城区的信息又分成基本框架信息和管网信息两部分。管网信息包含给水管网层、燃气管网层、供热管网层、排水管网层、电力管网层、排污管网层和电信管网层等 7个层。每层包含点状实体和特征点、线状实体两类数据。实体和特征点由节点和指明节点特征的标记组成,点由几何坐标定位;线状实体类由弧段和指明弧段特征的标记组成,弧段由一系列坐标点描述。基本框架信息反映了城市基本面貌,由点状、线状和面状三类实体组成。该模型中所有实体都有区别于其他实体的属性特征。 
  1.3 地下管网数据存储结构 
  在空间数据库中,空间数据的表达方法主要有栅格数据结构、矢量数据结构和栅格矢量一体化结构等。 
  1.3.1 栅格数据结构 
  栅格模型由规则的正方形或矩形栅格组成,每个栅格代表 1个像元。栅格数据结构实际上就是像元阵列,像元由行列号确定它的位置。点状实体在栅格数据结构中表示为 1个像元;线状实体则由在一定方向上连接成串的相邻像元集合;面状实体表示为聚合在一起的相邻像元集合。栅格数据有数据结构简单、空间数据的叠加和组合方便、各类空间分析易于进行以及模拟方便等优点,但同时存在着图形数据量大、数据精度低、地图输出不精美以及难以建立网络连接关系等缺点。 
  1.3.2 矢量数据结构 
  矢量数据结构用点串序列来表示空间实体的边界形状和分布。点状实体在矢量数据结构中表示为坐标;线状实体则由线上的一系列点的坐标表示;面状实体由面的边界弧段序列表示。矢量数据的优点是数据精度高、数据量小、完整的描述拓扑关系、图形美观以及图形数据的恢复、更新、综合容易实现等,但也有数据结构复杂、矢量多边形叠置算法和数学模拟困难的缺点。 
  1.3.3 栅矢融合与地图配准 
  作为管网系统的基础底图,考虑能充分利用矢量图画面精美、无级缩放的优势,同时利用栅格图更新速度快、能反映城市最新风貌的特点。解决方法是:将手头现有的矢量地图作为建立管网专题图层(矢量图)的基础,并设法将栅格图与矢量底图进行配准,从而有效结合两者的优点。 
  管网系统的专题数据建立在矢量电子地图基础上,而矢量图的修改相当困难。当城市风貌发生变化时,为反映管网相对于新的参照物的位置,设想利用栅格图与当前管网进行比较;而比较的前提则是首先将栅格图与矢量图进行配准。 
  栅格图配准时存在 3个问题:比例尺的配准、投影的配准、坐标的配准。考虑到本系统中匹配要求不太严格,经多次实验发现,如果选择的栅格图所包含的实际区域越小.那么矢量和栅格叠加的越精确。由此得到启发,是否可以将整个栅格图分成小块(不妨将分得的每 1块栅格图称为栅格图块)去配准,配准后将其作为 1个图层保存,当所有的栅格图块都配准后,在显示栅格图时,选择所有的栅格图块,那么就得到了一幅完整的、能够和矢量图准确匹配的栅格图。具体步骤如下: 
  1)在制图软件 中将栅格图平均分割成 M 块(实际上 M 的大小代表 了配准的精度,M 越大,则精度越高),并分别保存 ; 
  2)对每一栅格图块在

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