基于開源OSG引擎開發(fā)三維管線信息系統(tǒng)

尹志永，王濤，周磊，黎慕韓

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

1 引言

城市地下綜合管網(wǎng)是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著信息傳輸、能源輸送等工作，隨著城市化進(jìn)程的加快，目前我國(guó)許多城市已形成大規(guī)模、縱橫交錯(cuò)的地下管網(wǎng)。很多城市因此建立了地下管線信息系統(tǒng)以對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)、信息化管理，但這些系統(tǒng)大多數(shù)是二維的，不能清晰直觀地顯示空間層次復(fù)雜的地下管網(wǎng)。三維管線模型能直觀地描述城市地下管線間縱橫交錯(cuò)、上下起伏的空間關(guān)系，具有較強(qiáng)的立體感和逼真感，有利于真實(shí)全面地反映地下管網(wǎng)的分布狀況，因而城市三維管線信息系統(tǒng)的研制非常必要。城市三維管線信息系統(tǒng)利用三維可視化技術(shù)，將地下管網(wǎng)以三維模型的形式直觀地表現(xiàn)出來，為市政各部門提供準(zhǔn)確的管線信息以輔助分析與決策。

在技術(shù)上，開發(fā)三維管線信息系統(tǒng)一般有數(shù)學(xué)類技術(shù)和基于已有三維GIS平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)兩種途徑。其中，數(shù)學(xué)類技術(shù)主要利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)，結(jié)合OpenGL、DirectX等技術(shù)從底層進(jìn)行管線建模及三維場(chǎng)景管理?；谝延腥SGIS平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)通常存在后期信息處理量大、接口擴(kuò)展困難、開發(fā)成本較高等缺點(diǎn)，因而基于OpenGL或DirectX的數(shù)學(xué)類技術(shù)成為三維管線系統(tǒng)開發(fā)的較佳選擇。OpenSceneGraph(簡(jiǎn)稱OSG)是一套開源、免費(fèi)的三維場(chǎng)景圖形開發(fā)庫，它是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OpenGL的軟件接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OpenGL的完全類封裝，建立了面向?qū)ο蟮目蚣?，使程序員能快速便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的三維交互式圖形程序。隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，OSG已在三維地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、科學(xué)與工業(yè)數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)游戲等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

要建立三維管線信息系統(tǒng)，主要需解決管線三維建模，三維數(shù)據(jù)可視化及管理兩個(gè)難題。本系統(tǒng)建立過程中，三維管線建模利用的是基于3ds Max SDK開發(fā)的自動(dòng)建模插件，采用VC++在MFC框架下基于OSG引擎開發(fā)三維管線信息系統(tǒng)。

2 開發(fā)3ds Max插件用于管網(wǎng)自動(dòng)建模

城市地面建筑的三維數(shù)據(jù)可通過LiDAR技術(shù)直接獲取，而三維形式的地下管線數(shù)據(jù)尚無直接獲取手段，只能從管線屬性數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)的屬性來模擬實(shí)現(xiàn)管線的三維可視化。通常城市地下管線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式為屬性信息與圖形信息并行存儲(chǔ)，即以數(shù)據(jù)庫文件(如Access的MDB文件)存儲(chǔ)屬性信息，以圖形文件(如CAD的DWG文件)存儲(chǔ)圖面信息。

三維管線模型和三維附屬設(shè)施模型統(tǒng)稱三維管網(wǎng)模型。管網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維建模利用專業(yè)的三維建模及渲染軟件3ds Max制作，宜采用自動(dòng)化方式，具體實(shí)現(xiàn)則是利用3ds Max SDK技術(shù)開發(fā)自動(dòng)建模插件。建模插件開發(fā)的原理是:從MDB文件讀取管網(wǎng)數(shù)據(jù)的屬性信息及坐標(biāo)值，包括:管點(diǎn)平面坐標(biāo)及高程，管點(diǎn)特征，附屬設(shè)施的類別，管線尺寸、材質(zhì)、埋設(shè)方式等屬性，再調(diào)用3ds Max函數(shù)庫的相應(yīng)接口自動(dòng)解算出管線的長(zhǎng)度、走向及角度等屬性并生成與實(shí)地相符的管網(wǎng)模型;對(duì)于種類繁多、構(gòu)造各異的附屬設(shè)施，通過在3ds Max中創(chuàng)建設(shè)施模型庫，在批量生成時(shí)從設(shè)施模型庫中調(diào)用即可自動(dòng)完成。本系統(tǒng)包括了自主開發(fā)的管網(wǎng)自動(dòng)建模插件，如圖1所示。在利用插件自動(dòng)制作管網(wǎng)模型的過程中，賦予每個(gè)管網(wǎng)模型唯一的標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符與MDB數(shù)據(jù)庫中管線或附屬設(shè)施的ID號(hào)一一對(duì)應(yīng)，將用于應(yīng)用系統(tǒng)的查詢及統(tǒng)計(jì)功能模塊。

利用與3ds Max版本相匹配的OSG Export for max9插件，將創(chuàng)建的管網(wǎng)模型整體導(dǎo)出為OSG內(nèi)部支持的IVE格式，IVE格式是二進(jìn)制的，具有讀寫快速、易操作的特點(diǎn)，三維模型導(dǎo)出如圖2所示。該OSG Export插件可從網(wǎng)上免費(fèi)下載。

圖1 管網(wǎng)自動(dòng)建模插件

圖2 三維管網(wǎng)模型導(dǎo)出

3 OSG介紹及關(guān)鍵技術(shù)

OSG主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場(chǎng)景管理和圖形渲染優(yōu)化功能，它使用可移植的ANSI C++編寫而成，并使用已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL底層渲染API。OSG作為中間件為應(yīng)用軟件提供了各種高級(jí)渲染特性、IO及空間結(jié)構(gòu)組織函數(shù)。OSG以場(chǎng)景樹結(jié)構(gòu)對(duì)三維模型進(jìn)行組織與管理，場(chǎng)景中的模型、地形、陰影等均以場(chǎng)景樹節(jié)點(diǎn)的形式存在。OSG運(yùn)行時(shí)文件由一系列動(dòng)態(tài)鏈接庫(或共享對(duì)象)及可執(zhí)行文件組成，這些鏈接庫可分為5大類，共同構(gòu)成了OSG的運(yùn)行體系，鏈接庫的功能如表1所示。

OSG鏈接庫功能表 表1

基于OSG引擎開發(fā)三維系統(tǒng)所用到的關(guān)鍵技術(shù)有:

(1)場(chǎng)景裁減。對(duì)一個(gè)龐大的三維系統(tǒng)而言，往往存在大量無助于最終渲染結(jié)果的對(duì)象，把無用的對(duì)象從場(chǎng)景結(jié)構(gòu)中暫時(shí)剔除，將剩余有效的場(chǎng)景對(duì)象發(fā)送到OpenGL渲染管道，即只把最終為終端用戶所看到的對(duì)象發(fā)送到渲染管道。

(2)細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)LOD(level of details)。LOD技術(shù)指，在場(chǎng)景中離視點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域分辨率較低，離視點(diǎn)較近的區(qū)域分辨率較高，而且隨著視點(diǎn)的改變場(chǎng)景的變化具有連續(xù)性。當(dāng)物體僅覆蓋較小區(qū)域時(shí)，可用粗略模型來繪制，既不影響視覺效果，又可提高繪制效率。OSG內(nèi)部采用PagedLOD分頁數(shù)據(jù)庫調(diào)度策略，不一次性將數(shù)據(jù)全部調(diào)入，而是根據(jù)視點(diǎn)需要，實(shí)時(shí)從外存調(diào)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍地形的流暢渲染。

(3)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度。上述兩種技術(shù)都不能從根本上解決在內(nèi)存中可能要存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)這一問題，因此數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度尤為重要，在顯示當(dāng)前視域的同時(shí)，判斷下一步可能要載入的數(shù)據(jù)，做出正確的加載和卸載處理，確保內(nèi)存中始終維持有限的數(shù)據(jù)額度。

4 三維管線信息系統(tǒng)

三維管線信息系統(tǒng)的框架由三部分構(gòu)成:數(shù)據(jù)層、驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維管線信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)包括3類:屬性數(shù)據(jù)MDB文件、三維管網(wǎng)模型和三維地形模型。MDB數(shù)據(jù)庫文件作為屬性文件供系統(tǒng)查詢、統(tǒng)計(jì)等功能使用，而三維管網(wǎng)模型的創(chuàng)建前文已予以論述。三維地形模型也是系統(tǒng)不可缺少的部分，其與作為核心的管網(wǎng)模型共同構(gòu)成了場(chǎng)景數(shù)據(jù)源。三維地形模型由地表DOM與表達(dá)地形起伏的DEM融合而成，其構(gòu)建工具為VPB，下文將對(duì)VPB進(jìn)行闡述。

(2)驅(qū)動(dòng)層。通過OSG三維渲染引擎對(duì)場(chǎng)景數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染和顯示，為用戶提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的、具有空間參考的三維交互式立體環(huán)境。

(3)應(yīng)用層。提供三維管網(wǎng)模型在三維地形環(huán)境下的動(dòng)態(tài)瀏覽、交互式漫游、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)輸出、數(shù)據(jù)管理等功能。

4.1 利用VPB創(chuàng)建三維地形模型

VirtualPlanetBuilder(簡(jiǎn)稱VPB)是基于OSG的三維地形數(shù)據(jù)生成工具，利用VPB工具，輸入影像數(shù)據(jù)及高程數(shù)據(jù)后可高效的構(gòu)建出各種規(guī)模的分塊分頁地形數(shù)據(jù)庫。VPB是開源工具，其與OSG緊密結(jié)合所生成的瓦片數(shù)據(jù)可保存在本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行快速瀏覽，且具備TB級(jí)的數(shù)據(jù)處理能力。VPB以開源的柵格空間數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)讀寫庫GDAL作為支撐，所以其支持的數(shù)據(jù)格式多達(dá)數(shù)十種。VPB支持多數(shù)據(jù)源的自動(dòng)處理，在命令行窗口下使用VPB中的vpbmaster程序制作三維地形數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建的三維地形模型以O(shè)SG內(nèi)部支持的二進(jìn)制IVE格式寫到硬盤，可快速的加載到OSG場(chǎng)景中以供瀏覽和漫游。本系統(tǒng)所用的影像數(shù)據(jù)是2.5 m的SPOT 5彩色影像，高程數(shù)據(jù)分辨率是25 m。

4.2 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

應(yīng)用系統(tǒng)采用VC2010開發(fā)平臺(tái)的MFC框架，結(jié)合OSG引擎開發(fā)。VC2010包含的MFC Feature Pack功能包對(duì)傳統(tǒng)MFC庫進(jìn)行了擴(kuò)展，開發(fā)出的應(yīng)用程序具有類似新版Visual Studio、Microsoft Office或Internet Explorer等流行界面的視覺效果。應(yīng)用系統(tǒng)功能界面如圖4所示。

圖4 三維管線信息系統(tǒng)

系統(tǒng)功能主要包括:動(dòng)態(tài)瀏覽、場(chǎng)景漫游、基本查詢及標(biāo)注、地物定位及收藏、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專題圖表輸出及數(shù)據(jù)管理。

(1)動(dòng)態(tài)瀏覽。具有多視角切換的動(dòng)態(tài)瀏覽功能，場(chǎng)景視窗可自定義放大、縮小。該功能是通過實(shí)時(shí)修改場(chǎng)景照相機(jī)Camera類、觀察矩陣(觀察者的位置和姿態(tài))的方式來實(shí)現(xiàn)平滑的動(dòng)態(tài)瀏覽。

(2)場(chǎng)景漫游。本系統(tǒng)中場(chǎng)景漫游方式包括3種:軌跡球方式、步行方式及自定義路徑飛行方式。軌跡球方式為OSG系統(tǒng)自帶的。步行方式和自定義路徑飛行方式的實(shí)現(xiàn)通過對(duì)OSG API中的GUIEventHandler和CameraManipulator類的繼承來實(shí)現(xiàn)。自定義路徑飛行方式可按設(shè)計(jì)路徑進(jìn)行飛行漫游，功能較實(shí)用。

(3)基本查詢及標(biāo)注。打開工程時(shí)，存儲(chǔ)管網(wǎng)對(duì)象屬性的MDB文件也同步加載。三維管網(wǎng)對(duì)象與MDB屬性數(shù)據(jù)庫通過唯一標(biāo)識(shí)符一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)點(diǎn)擊(或捕捉)到某一模型對(duì)象時(shí)，圖形系統(tǒng)返回對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)符，通過該標(biāo)識(shí)符程序從MDB數(shù)據(jù)庫中通過SQL語言檢索出其屬性并顯示出來，并可按用戶的定制要求在視窗中立體標(biāo)注。三維場(chǎng)景中對(duì)象的捕捉通過對(duì)OSG API中的GUIEventHandler的繼承來實(shí)現(xiàn)，文字標(biāo)注則用到了HUD(抬頭顯示)技術(shù)。

(4)地物定位及收藏。三維場(chǎng)景中模型對(duì)象的快速定位是常見而實(shí)用的功能，本系統(tǒng)通過給定對(duì)象的標(biāo)識(shí)符可自動(dòng)定位對(duì)象并使其居中顯示。收藏功能則是將感興趣對(duì)象添加入系統(tǒng)收藏夾，點(diǎn)擊收藏節(jié)點(diǎn)即可自動(dòng)定位到興趣對(duì)象上。

(5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及專題圖表輸出。通過SQL語言從MDB數(shù)據(jù)庫中檢索出符合條件的管網(wǎng)對(duì)象并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，生成各種統(tǒng)計(jì)圖表并輸出。本系統(tǒng)還具有專題斷面圖繪制功能，具有場(chǎng)景截圖功能。

(6)數(shù)據(jù)管理。對(duì)工程中包含的管網(wǎng)模型，三維地形數(shù)據(jù)及MDB屬性文件進(jìn)行維護(hù)及管理。

5 結(jié)語

在目前基于三維GIS平臺(tái)開發(fā)三維管線信息系統(tǒng)存在成本高、不易擴(kuò)展、技術(shù)尚不成熟的情況下，充分利用開源的、開發(fā)難度不高、場(chǎng)景性能優(yōu)越的OSG引擎開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)則具有實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性的意義。通過調(diào)用OSG API實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)渲染和顯示，使該系統(tǒng)具有良好的交互式三維可視化效果。將MDB數(shù)據(jù)庫中對(duì)象屬性與三維管網(wǎng)模型進(jìn)行映射，通過SQL技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型的查詢、統(tǒng)計(jì)及輸出，實(shí)現(xiàn)了三維模型的信息化，使得本系統(tǒng)具有初步的信息系統(tǒng)特點(diǎn)，奠定了三維信息管理的基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)還有許多方面有待進(jìn)一步研究和開發(fā)，主要有:系統(tǒng)數(shù)據(jù)不包含地上建筑、景觀等模型，導(dǎo)致場(chǎng)景內(nèi)容不夠豐富;系統(tǒng)尚不具備嚴(yán)格的GIS功能(如空間查詢，管網(wǎng)對(duì)象的空間分析)，如何將成熟的二維GIS組件技術(shù)引入到系統(tǒng)中來也值得研究。

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