CN103679804A - 一种地下管线数据三维模型自动构建***及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维地理信息***数据可视化领域，更具体地，涉及一种地下管线数据三维模型自动构建方法，包括：根据DEM数据和DOM数据建立三维虚拟地理环境；对地下管线数据清洗和组织，确立管线节点树结构关系；建立地下管线节点接头和管线三维元模型；根据地下管线结构和节点在虚拟地理场景中的位置，自动构建三维地下管线模型；构建基于LOD的海量地下管线模型绘制机制；加载三维地下管线模型到虚拟地理场景中，进行可视化和查询管理。本发明所具有建模和模型管理灵活方便，地下管线无须手动建模的优点，有利于地下管线数据结构的表达与快速可视化，实现了虚拟地理环境中复杂地下管线模型快速建设和灵活管理。

Description

一种地下管线数据三维模型自动构建***及其构建方法

技术领域

本发明属于三维地理信息***数据可视化技术领域，更具体地，涉及一种地下管线数据三维模型自动构建方法及***。

背景技术

三维地理信息***在传统地理信息***技术的基础上，以真实三维场景虚拟现实，具有直观真实可视和高效等特点已在数字城市等领域得到广泛应用。地下管线被称作是城市的“生命线”，是一个城市健康安全运行的“动脉”，但其具有很大的隐蔽性、复杂性的特点。建立科学、准确、完整、可视、智能的地下管线信息管理，是城市规划、建设和管理的迫切需求。在实际的数字城市管理***的建设中，包括三维地下管线数据在内的海量三维模型建模也成为制约三维数字城市广泛应用的瓶颈。

和普通三维模型不同，地下管线模型一般工作距离较长，覆盖范围广阔，需要灵活地管理方式。目前已有的电力建模技术主要分为两类：电力线路模型的手动建模；电力线路模型的自动建模。

手动建模方法是首先根据实际需求用人工的方式通过建模软件（3DMax、AutoCAD等）建立管线体模型和管线接头模型，将模型互相连通合并为完整的地下管线模型，然后将建立好的模型叠加进三维地理信息***实现可视化的效果，进而可以根据模型的位置叠加相关的业务信息进行地下管线管理。这类方法的流程较为简单，虽然实现了地下管线模型的可视化效果，但是其缺点显而易见主要体现在以下几个方面：首先，人工建模成本较大，要做大量重复性的建模工作，每一部分地下管线模型结构简单，但是地下管线总体上分布广泛，除了要考虑到地形等因素，对建模人员的技术要求不高；第二，模型的重复利用能力较差，如果更换新的应用需要重新建模或人工修改模型。第三，灵活性差，人工建模获得的模型比较固定，不便于管理，三维地下管线地理信息***的功能主要为三维地下管线模型的可视化以及地下管线模型的管理，地下管线线路模型错综复杂随着实际需求的改变或线路建设的更改，三维地下管线往往存在添加、修改和删除的实际管理需求，采用这种手动建模方式则需要返回建模阶段对模型进行修改，然后重新叠加到场景中。

目前已经出现了三维管线模型的自动建模的方法，主要根据管线数据采用不规则三角网进行三维管线建模，基于两个圆管模型断面拟合成管线模型。这种方式实现简单结构的地下管线的自动建模，但是由于采用不规则三角网进行建模这种建模方式计算量较大，不利于大规模管线建模，这种方式进行建模对于二岔管、三岔管、管线与其它构筑物相交等复杂情形的建模实现更为复杂，不具有一般性。

发明内容

本发明的目的是，实现三维虚拟地理环境中复杂地下管线模型快速建设和灵活管理，地下管线数据结构的表达与快速可视化，降低建模成本，克服地下管线手动建模工作量大、重复性工作多、管理复杂的缺陷。

为了达到以上目的，本发明提出了种地下管线数据三维模型自动构建方法，包括如下步骤：

步骤一：根据数字高程模型数据、数字正射影像和三维建筑物模型数据建立三维虚拟地理环境；

步骤二：对地下管线数据进行清洗和组织，确立管线节点和/或管线树的结构关系，建立地下管线模型数据库；

步骤三：建立地下管线的三维元模型；

步骤四：根据地下管线节点和/或管线树的结构关系在三维虚拟地理环境中的位置，利用所述三维元模型自动构建三维地下管线模型；

步骤五：根据所述三维地下管线模型，构建基于多细节层次的海量地下管线模型绘制机制；

步骤六：将所述三维地下管线模型加载到三维虚拟地理环境中。

进一步地，所述步骤一包括，首先，由三维虚拟地理环境模块（10）根据处理好的数字高程模型数据、数字正射影像，参考行业标准，通过统一空间编码方法使地形几何与纹理数据按照编码一一对应；然后再根据三维建筑物模型数据的位置添加建筑物模型数据，对数据进行多细节层次划分，使之能够适应场景数据自动调度；最后针对数据采用分布式服务器架构，建立模型数据服务器，建立三维虚拟地理场景。

进一步地，所述步骤二包括，所述管线数据组织模块（20）利用获取到的管线数据作为原始数据，对数据进行清洗，去除错误数据、残缺数据，得到管线节点和/或管线树的结构关系；然后，管线数据组织模块（20）再建立地下管线模型数据库，将清洗后的数据填充到所述地下管线模型数据库中，通过节点数据表中每个节点的位置标识码和/或其父节点存储管线节点之间连接关系。

进一步地，所述步骤三包括：编写程序函数，用开放的图形程序接口绘制球体模型，函数参数设置为球体半径和球心坐标；用开放的图形程序接口绘制圆柱体模型，函数参数设置为圆柱中心点坐标、圆柱半径和圆柱上底到下底之间的距离；用开放的图形程序接口绘制胶囊体模型，函数参数设置为胶囊体的中心点坐标、胶囊体的高度和胶囊体的半径；对于一根管线三维元模型，根据管线两个节点位置计算管线长度，生成原始位置管线的三维元模型；根据管线两个节点位置计算平移矩阵和旋转矩阵，对原始位置的管线三维元模型进行旋转和平移变换，得到正确位置的地下管线三维元模型。

进一步地，所述步骤五包括：首先，管线模型多细节层次绘制模块（50）经过读取地下管线模型数据库，然后根据地下管线节点和/或管线树在所述三维虚拟地理环境中所处的位置，绘制不同精度的模型；当模型精度为0，所述三维元模型和三维地下管线模型均不进行绘制；当精度大于0小于精度最大值时，所述三维元模型根据精度值动态绘制，三维地下管线模型自动构建。

本发明还提供一种地下管线数据三维模型自动构建***，包括：

三维虚拟地理环境模块，用于根据数字高程模型数据、数字正射影像和三维建筑物模型数据建立三维虚拟地理环境；

管线数据组织模块，用于对地下管线数据进行清洗和组织，确立管线节点和/或管线树的结构关系，地下管线模型数据库；

元模型建模模块，用于建立地下管线节点、接头的三维元模型；

三维地下管线模型建模模块，用于根据所述地下管线节点和/或管线树的结构关系在三维虚拟地理环境中的位置，利用所述三维元模型自动构建三维地下管线模型；

管线模型多细节层次绘制模块，用于构建基于多细节层次的海量地下管线模型绘制机制；首先读取地下管线模型数据库数据，然后根据地下管线节点和/或管线树在所述三维虚拟地理环境中所处的位置，绘制不同精度的模型；当模型精度为0，所述三维元模型和三维地下管线模型均不进行绘制；当精度大于0小于精度最大值时，所述三维元模型根据精度值动态绘制，三维地下管线模型自动构建；

地下管线模型管理分析模块，用于加载三维地下管线模型到三维虚拟地理环境中，进行可视化和查询管理。

本发明所提出的地下管线数据三维模型自动构建***及其构建方法，实现三维虚拟地理环境中复杂地下管线模型快速建设和灵活管理，地下管线数据结构的表达与快速可视化，降低建模成本，克服地下管线手动建模工作量大、重复性工作多、管理复杂的缺陷。

附图说明

图1为本发明地下管线数据三维模型自动构建***的结构示意图。

图2为本发明元模型生成地下管线节点平面示意图。

图3为本发明地下管线数据三维模型自动构建方法流程图。

具体实施方式

下面，将结合附图，对本发明的具体实施例作详细介绍。

本发明提供的地下管线数据三维模型自动构建***，如图1所示，其包括相互连通的三维虚拟地理环境模块10、管线数据组织模块20、元模型建模模块30、三维地下管线模型建模模块40、管线模型多细节层次绘制模块50和地下管线模型管理分析模块60。

下面介绍这种地下管线数据三维模型自动构建方法的具体步骤，结合图3所示：

步骤一：利用三维虚拟地理环境模块10，根据数字高程模型数据、数字正射影像和三维建筑物模型数据建立三维虚拟地理环境。

其中，数字高程模型数据（Digital Elevation Model，简称DEM）：是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集。

数字正射影像（Digital Orthophoto Map，简称DOM)）是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空像片/遥感影像（单色/彩色），经逐个象元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。

具体操作是：首先，三维虚拟地理环境模块10根据处理好的数字高程模型数据（DEM）、数字正射影像（DOM），参考行业标准，通过统一空间编码方法使地形几何与纹理数据按照编码一一对应。然后再根据三维建筑物模型数据的位置添加建筑物模型数据，对数据进行多细节层次划分，使之能够适应大规模场景数据自动调度，在数据量较大的情况下提高三维场景的显示效率。进一步地，针对大数据采用分布式服务器架构，建立模型数据服务器，最后建立三维虚拟地理场景，实现三维场景展示、漫游和其它基本的交互操作。

步骤二：利用管线数据组织模块20对地下管线数据进行清洗和组织，确立管线节点和/或管线树的结构关系。

具体操作是：管线数据组织模块20采用从其他业务***或软件（例如各种行业用于存储地线管线线路设计图、线路数据、地理信息等的数据存储软件/***或应用软件/***）获取的管线数据作为原始数据，对数据进行清洗，去除错误数据、残缺数据，得到管线节点和/或管线树的结构关系。然后，管线数据组织模块20再建立地下管线模型数据库，将清洗后的数据填充到所述地下管线模型数据库中，通过节点数据表中每个节点的位置标识码（ID）和/或其父节点ID存储管线节点之间连接关系。

步骤三：利用元模型建模模块30，建立地下管线节点接头以及管线三维元模型。

具体操作为：利用元模型建模模块30编写程序函数及其参数，采用球体、圆柱体、胶囊体作为元模型将被合成为三维地下管线模型：如图2（a）（b）所示，即，用开放的图形程序接口（OpenGL）绘制球体模型，函数参数设置为球体半径和球心坐标，其中，球体；用OpenGL绘制圆柱体模型，函数参数设置为圆柱中心点坐标、圆柱半径和圆柱上底到下底之间的距离；用OpenGL绘制胶囊体模型，函数参数设置为胶囊体的中心点坐标、胶囊体的高度和胶囊体的半径。对于一根管线三维元模型，根据管线两个节点位置计算管线长度，生成原始位置的管线的三维元模型；根据管线两个节点位置计算平移矩阵和旋转矩阵；对原始位置的管线三维元模型进行旋转和平移变换，得到正确位置的地下管线三维元模型，如图2（c）所示。

步骤四：利用三维地下管线模型建模模块40，根据地下管线节点和/或管线树的结构关系在三维虚拟地理环境中的位置，自动构建三维地下管线模型。

步骤五：利用管线模型多细节层次（LOD）绘制模块50，构建基于LOD的海量地下管线模型绘制机制；首先经过读取地下管线模型数据库数据，然后根据地下管线节点和/或管线树在所述三维虚拟地理环境中所处的位置，绘制不同精度的模型；当模型精度为0，所述三维元模型和三维地下管线模型均不进行绘制；当精度大于0小于精度最大值时，所述三维元模型根据精度值动态绘制，三维地下管线模型自动构建。该精度最大值取决于三维元模型构件时的原始精度。

步骤六：利用地下管线模型管理分析模块60，计算空间坐标到虚拟地理场景经纬度坐标的变换矩阵，将地下管线模型进行模型变换添加到虚拟地理环境中；可以根据鼠标和键盘等交互设备，进行点选、查询和管理功能，实现可视化的三维管线信息的输出及管理。

Claims (6)

1.一种地下管线数据三维模型自动构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据数字高程模型数据、数字正射影像和三维建筑物模型数据建立三维虚拟地理环境；

步骤二：对地下管线数据进行清洗和组织，确立管线节点和/或管线树的结构关系，建立地下管线模型数据库；

步骤三：建立地下管线的三维元模型；

步骤四：根据地下管线节点和/或管线树的结构关系在三维虚拟地理环境中的位置，利用所述三维元模型自动构建三维地下管线模型；

步骤五：根据所述三维地下管线模型，构建基于多细节层次的海量地下管线模型绘制机制；

步骤六：将所述三维地下管线模型加载到三维虚拟地理环境中。

2.根据权利要求1所述自动构建方法，其特征在于，所述步骤一包括，首先，由三维虚拟地理环境模块（10）根据处理好的数字高程模型数据、数字正射影像，参考行业标准，通过统一空间编码方法使地形几何与纹理数据按照编码一一对应；然后再根据三维建筑物模型数据的位置添加建筑物模型数据，对数据进行多细节层次划分，使之能够适应场景数据自动调度；最后针对数据采用分布式服务器架构，建立模型数据服务器，建立三维虚拟地理场景。

3.根据权利要求1所述自动构建方法，其特征在于，所述步骤二包括，所述管线数据组织模块（20）利用获取到的管线数据作为原始数据，对数据进行清洗，去除错误数据、残缺数据，得到管线节点和/或管线树的结构关系；然后，管线数据组织模块（20）再建立地下管线模型数据库，将清洗后的数据填充到所述地下管线模型数据库中，通过节点数据表中每个节点的位置标识码和/或其父节点存储管线节点之间连接关系。

4.根据权利要求1所述自动构建方法，其特征在于，所述步骤三包括：编写程序函数，用开放的图形程序接口绘制球体模型，函数参数设置为球体半径和球心坐标；用开放的图形程序接口绘制圆柱体模型，函数参数设置为圆柱中心点坐标、圆柱半径和圆柱上底到下底之间的距离；用开放的图形程序接口绘制胶囊体模型，函数参数设置为胶囊体的中心点坐标、胶囊体的高度和胶囊体的半径；对于一根管线三维元模型，根据管线两个节点位置计算管线长度，生成原始位置管线的三维元模型；根据管线两个节点位置计算平移矩阵和旋转矩阵，对原始位置的管线三维元模型进行旋转和平移变换，得到正确位置的地下管线三维元模型。

5.根据权利要求1所述自动构建方法，其特征在于，所述步骤五包括：首先，管线模型多细节层次绘制模块（50）经过读取地下管线模型数据库，然后根据地下管线节点和/或管线树在所述三维虚拟地理环境中所处的位置，绘制不同精度的模型；当模型精度为0，所述三维元模型和三维地下管线模型均不进行绘制；当精度大于0小于精度最大值时，所述三维元模型根据精度值动态绘制，三维地下管线模型自动构建。

6.一种地下管线数据三维模型自动构建***，包括

三维虚拟地理环境模块（10），用于根据数字高程模型数据、数字正射影像和三维建筑物模型数据建立三维虚拟地理环境；

管线数据组织模块（20），用于对地下管线数据进行清洗和组织，确立管线节点和/或管线树的结构关系，地下管线模型数据库；

元模型建模模块（30），用于建立地下管线节点、接头的三维元模型；

三维地下管线模型建模模块（40），用于根据所述地下管线节点和/或管线树的结构关系在三维虚拟地理环境中的位置，利用所述三维元模型自动构建三维地下管线模型；

管线模型多细节层次绘制模块（50），用于构建基于多细节层次的海量地下管线模型绘制机制；首先读取地下管线模型数据库数据，然后根据地下管线节点和/或管线树在所述三维虚拟地理环境中所处的位置，绘制不同精度的模型；当模型精度为0，所述三维元模型和三维地下管线模型均不进行绘制；当精度大于0小于精度最大值时，所述三维元模型根据精度值动态绘制，三维地下管线模型自动构建；

地下管线模型管理分析模块（60），用于加载三维地下管线模型到三维虚拟地理环境中，进行可视化和查询管理。

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