CN112017287A

CN112017287A - 一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法

Info

Publication number: CN112017287A
Application number: CN202010882307.4A
Authority: CN
Inventors: 梁长青; 李洪助; 郁金宝; 王亚强
Original assignee: Beijing Guoyao Xintiandi Information Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Guoyao Xintiandi Information Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2020-12-01

Abstract

本发明公开了一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，包括以下步骤：构建电网三维基础地理信息数据场景；开展地下电缆资料收集及数据分类整理，并对其参数进行规范和统一；充分调查地下电缆建模规范，分析业务规律，形成自动化建模技术路线；制定三维电缆及通道空间数据的标准规范，构建自动化建模方案，使三维模型数据的制作规范化，在保证模型准确性和精度的前提下，进行海量模型自动化建模，提高建模效率；研究海量三维电缆模型渲染机制，形成海量三维模型的高效渲染方案；优化电缆模型快速加载，实现三维平台可视化集成展示。

Description

一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法

技术领域

本发明涉及三维地理信息***数字地球仿真技术领域，尤其涉及一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法。

背景技术

近年来，基于三维地理信息***数字地球仿真技术，结合电网业务数据，电力企业对地下电缆的可视化应用愈加深入。对地下电缆的管理由二维CAD图形、图纸逐步转向三维数字化管理；电缆三维数字化管理需要在一个虚拟现实的三维可视化环境下，快速生成三维电缆实体模型并进行高效渲染，并保证电缆空间数据的准确性、完整性以及可获得性。目前基于CAD的三维模型建模设计平台基于面向对象技术，将电缆以及通道、附属设备按照工程设计的要求作为一个实物进行全面描述,可以基本反映电缆的真实情况，减少设计过程出错风险，但这种方法也面临着建模工作量大、模型维护成本高、难更新等问题，且无法保障海量电缆模型的渲染效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，包括以下步骤：

1)构建电网三维基础地理信息数据场景；

2)开展地下电缆资料收集及数据分类整理，并对其参数进行规范和统一；

3)充分调查地下电缆建模规范，分析业务规律，形成自动化建模技术路线；

4)制定三维电缆及通道空间数据的标准规范，构建自动化建模方案，使三维模型数据的制作规范化，在保证模型准确性和精度的前提下，进行海量模型自动化建模，提高建模效率；

5)研究海量三维电缆模型渲染机制，形成海量三维模型的高效渲染方案；

6)优化电缆模型快速加载，实现三维平台可视化集成展示。

进一步地，步骤1)包括，集成丰富多源的基础地理信息数据，采用场景图与渲染对象相分离技术构建场景，基于多尺度空间四叉树和八叉树原理形成金字塔，建立高效索引机制，实现对三维场景海量数据的高效加载和展示浏览。

进一步地，步骤2)包括，根据科学、合理的地下管线调查方案，对电缆设施进行分类具体研究，通过规范统一参数，为数据采集、整理及后期计算机三维建模提供数据精度基础。

进一步地，步骤3)包括，对电力设施如隧道、电缆、支架等按其功能和状态进行分类，根据电缆、井室建模需要，设计电缆、通道调查表，将业务过程形成自动建模规则，使得可以程序自动化建立三维管道、管线模型，再现地下通道及电缆三维模型场景。

进一步地，步骤4)包括，对电缆及通道三维模型的建模过程规范标准化，通过构建电缆及通道对象的参数化模型，建立参数驱动机制，实现电缆及通道的自动化建模方案。运用参数化建模技术按照实际尺寸生产的电缆及通道三维模型，包含的信息丰富、直观，很好的表达了电缆的柔性动态特征以及通道模型的连通特性，该新型建模技术工作量小，过程简单便捷，是电缆及通道三维模型批量生产、模型修改及变型设计的需要，也是电缆及通道自动化建模的关键技术。

进一步地，步骤5)包括，主要在满足海量三维电缆模型的渲染，确定海量三维电缆模型及通道的高效渲染技术方案，通过对电缆以及附属设备进行分层管理，设置模型八叉树空间划分，采用资源异步调度机制以及渲染控制技术，达到模型的高效查询、流畅渲染的目的。

进一步地，步骤6)包括，运用八叉树空间数据结构和LOD技术进一步优化改进模型加载效率，结合EV-Globe平台，对各个功能进行集成，最终实现电缆、通道模型的快速加载与可视化展示，满足电缆深化应用功能。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明规范了电缆三维模型几何参数，实现对电缆模型进行参数化建模，大大减少手工建模工作量，减少了用户对手工建模资金的投入；

2、海量电缆模型高效可视化调度与渲染方案降低了用户硬件设备的配置要求，提升了场景渲染的流畅度；

3、具有柔性特征的海量电缆三维模型的自动化建模方式满足对电缆设备模型的编辑、更新，降低了电网用户的维护成本；

4、运用在三维地理信息***平台软件EV-Globe界面上，可高效、高质量地对电缆及通道模型进行了三维可视化仿真显示。

附图说明

图1为本发明实现过程的流程图；

图2为本发明的电缆及通道自动化建模流程图；

图3为本发明的电缆及通道模型自动化建模与高效可视化渲染技术方案；

图4为本发明的海量电缆及通道模型数据管理与渲染方案；

图5为本发明的三维地理信息场景集成。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-5，一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，包括以下步骤：1)构建电网三维基础地理信息数据场景；2)开展地下电缆资料收集及数据分类整理，并对其参数进行规范和统一；3)充分调查地下电缆建模规范，分析业务规律，形成自动化建模技术路线；4)制定三维电缆及通道空间数据的标准规范，构建自动化建模方案，使三维模型数据的制作规范化，在保证模型准确性和精度的前提下，进行海量模型自动化建模，提高建模效率；5)研究海量三维电缆模型渲染机制，形成海量三维模型的高效渲染方案；6)优化电缆模型快速加载，实现三维平台可视化集成展示。

具体实施步骤如下：

步骤1)，本发明实例收集省行政区划、路网、高清航拍影像、DEM、矢量交叉跨越、专题图等丰富的多源基础地理数据，为保证数据的加载和展示效率，采用场景图与渲染对象相分离技术构建场景，运用四叉树、八叉树、硬件封闭查询、Instancing等多种技术对场景进行效率优化。多源数据的多尺度组织基于空间四叉树和八叉树原理进行数据金字塔构建，并建立高效索引机制，以瓦片文件形式进行存储，通过OGC、WMS、WMTS等服务进行管理与发布。三维场景中通过不同显示分辨率的实时请求、访问、调度、刷新来达到数据资源的高效显示和浏览。

步骤2)，开展资源收集及数据分类整理，对包括电缆数据、电缆通道数据信息、必要的环网柜相关数据信息、地理信息数据及其他资料进行收集和分类整理。资源来源不限于已有竣工图纸、已有***导出、收集补充、外业测绘、部分地理信息数据采购等。将电缆、电缆头、附属设施、排管、通风口、防火墙等一系列数据进行收集整理。

步骤3)，规范电缆建模技术过程，形成自动化建模技术路线。将收集完成的材料按照《国家电网公司生产管理******设备代码》、《国家电网公司生产管理***设备参数规范》、《国家电网公司生产管理***数据编码规范》、《国家电网公司》、《国家电网公司城市电力电缆通道规划与使用管理规范》、国家行业地理信息数据使用管理相关规定等规范标准文档对收集的数据资料进行分类整理，对设备、设施类型进行编码。规范中已经规定的，沿用其标准，未规定的根据本次技术需要进行分类编码，以便为数据采集、整理及后期计算机三维建模提供数据精度基础。

在对电缆及通道数据整理归纳后，发现影响这些物体形状和走向的要素主要包括：①轴线和拐角控制这些地物的走向；②断面形状控制其截面大小。通过对该地物特性的归纳，结合现实需求，采用并改进了基于特征断面的管状地物多精度建模技术。特征断面指控制地物走向或形状编号的各种断面和拐角；而多精度建模指模型可适应不同精度的变化，在缩放到大比例尺场景时，电缆以三维实景对象进行建模显示，并展示通道外部的贴面、内部的管线、支架等细节；在小比例尺显示时，管道则简化为线状地物，在展示其在空间的大致走向的同时，加快图像计算和图形显示的速度。因此，对管道进行建模主要分为直通管道建模、拐点管道建模、表层贴图等主要步骤。首先，在3DMAX中建立一个长度固定的矩形单位模型，并利用贴图技术进行贴图显示，把单位模型导入EV-Globe中。之后，构建直通模型，根据数据库的管道的属性信息，选取管道的起点、中点、终点以及截面形状，对单位模型进行放大、拉伸等操作，最后生成管道模型。

步骤4)，制定三维电缆及通道空间数据的标准规范，构建自动化建模方案。依据《国家电网公司城市电力电缆通道规划与使用管理规范》的相关规范，进一步细化明确电缆及电缆通道各设备要素准确空间位置信息、施工竣工日期、原始图纸资料、相互拓扑关系等准确性、精细化数据信息，将所有结构化数据信息数字化、所有非结构化数据信息电力化，形成适合本技术的管理要求，如编制《城市配网电缆井及井盖编号规则》、《电缆通道中排管、支架编号规则》、《电缆及电网设备基础数据管理规范》。如确定运行电缆的各项参数，包括电缆的电压等级、回路编号、敷设方式、埋深、实际经纬度、敷设剖面图、电缆型号、规格、长度等一系列参数。制定标准化图例符号，图层规范，提交格式等规范。根据电缆及通道特点，将不同电缆设备的建模技术路线形成规范化管理。以附件及金具三维建模为例，利用统一三维模型驱动引擎，将不同格式三维模型的结构解析、位置解析、渲染方法进行统一，将标准的三维模型文件(.ifc格式文件)，基于GIS平台的三维电缆引擎对接头设备.ifc文件格式进行解析，输出该平台所识别的模型文件(.mesh文件格式)以及内置参数信息，构建电缆金具模型数据库。基于GIS平台中局部场景中，对已有的接头三维模型文件进行解析、导入、管理并在局部场景中构建并显示出电缆附件的三维模型。

步骤5)，研究海量三维电缆模型渲染机制，形成海量三维模型的高效渲染方案，海量电缆三维模型高效管理与渲染主要是通过对电缆以及附属设备进行分层管理，并设置模型八叉树空间划分，采用资源异步调度机制，达到模型的高效查询、流畅渲染的目的。八叉树是三维空间数据划分的数据结构之一，也是大型三维游戏场景管理和虚拟现实地理场景数据管理与渲染的主流技术。在满足约束条件的前提下，把指定范围空间作为一个立方体，将其划分为八个小立方体，递归地分割小立方体。这种场景管理渲染技术的优势体现在以下几个方面：①加速局部场景在视域和当前窗体中的可见性查询过程，以便快速剔除不在视域的场景；②加速场景渲染实体的射线查询过程，避免射线与每一个实体以及三角面进行判断。通过八叉树可以有效管理海量模型数据离散分布、局部空间内数据密集等问题。运用LOD(细节层次模型技术)渲染将原始的多面体建立面片模型，根据视景远近不同，对原始的面片几何模型按不同的逼近程度进行简化，以减少面片结构中的拓扑边和结构面的数量，从而达到在不影响视觉效果的情况下降低数据复杂程度和IO吞吐量的目的，进而提高多面体数据的访问和渲染效率。

步骤6)优化电缆模型快速加载，实现三维平台可视化集成展示。根据三维建模过程中的实际情况，对模型可采取的优化方法较多。如去除多余多边形方法：去除处于场景浏览时实体模型之外的不可见部分多边形，这样能降低建模耗时并且不会影响整体浏览效果；纹理替代策略：在三维建模时，若过分强调物体细节，不但工作量较大，而且模型复杂度也较大，进而影响整体建模实时性。合理采用纹理不仅能增强场景中物体真实感，而且还能降低建模复杂度；实例化策略：在数据库领域，实例化就是对库中现存模型的引用，表面上相同模型的复用。但是，实例并非库中真实的实体，而是众多模型的一个影子，此时实物其实仅有一个，其他同类实物均可通过一系列变换而得到。

接下来，电缆及电缆通道数据与EV-Globe平台进行集成对接，将数字化、电子化的电缆及电缆通道数据信息进行三维化、可视化展示，对其结构化数据采用数据库的方式集中管理，非结构化数据资料采用硬盘集中存储，其目录索引及与设备设施等实体对象的关系存储到数据库中，所有基础性数据、***数据采用服务器端集中部署的方式，不同角色控制使用人员权限，将访问、修改权限严格控制，保障数据安全。

综上所述，本发明经过试验表明，达到了基于三维GIS对地下电缆设施进行参数化建模并实现高效渲染展示效果；以上这种基于三维GIS的地下电缆设施参数化建模及高效渲染方法在地下电缆参数化建模领域是一种创新，并能在大型地理信息数字地球三维界面中得到了很好的应用，可以加快电缆三维模型渲染速度，提升场景渲染的流畅度；降低电缆建模工作量及投资成本，提高过程运维使用率，电缆参数化建模效率高，渲染可视化展示效果逼真。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变。

Claims

1.一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，包括以下步骤：

1)构建电网三维基础地理信息数据场景；

6)优化电缆模型快速加载，实现三维平台可视化集成展示。

2.根据权利要求1所述的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，步骤1)其特征在于，集成丰富多源的基础地理信息数据，采用场景图与渲染对象相分离技术构建场景，基于多尺度空间四叉树和八叉树原理形成金字塔，建立高效索引机制，实现对三维场景海量数据的高效加载和展示浏览。

3.根据权利要求1所述的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，步骤2)其特征在于，根据科学、合理的地下管线调查方案，对电缆设施进行分类具体研究，通过规范统一参数，为数据采集、整理及后期计算机三维建模提供数据精度基础。

4.根据权利要求1所述的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，步骤3)其特征在于，对电力设施如隧道、电缆、支架等按其功能和状态进行分类，根据电缆、井室建模需要，设计电缆、通道调查表，将业务过程形成自动建模规则，使得可以程序自动化建立三维管道、管线模型，再现地下通道及电缆三维模型场景。

5.根据权利要求1所述的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，步骤4)其特征在于，对电缆及通道三维模型的建模过程规范标准化，通过构建电缆及通道对象的参数化模型，建立参数驱动机制，实现电缆及通道的自动化建模方案；运用参数化建模技术按照实际尺寸生产的电缆及通道三维模型，包含的信息丰富、直观，很好的表达了电缆的柔性动态特征以及通道模型的连通特性，该新型建模技术工作量小，过程简单便捷，是电缆及通道三维模型批量生产、模型修改及变型设计的需要，也是电缆及通道自动化建模的关键技术。

6.根据权利要求1所述的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，步骤5)其特征在于，主要在满足海量三维电缆模型的渲染，确定海量三维电缆模型及通道的高效渲染技术方案，通过对电缆以及附属设备进行分层管理，设置模型八叉树空间划分，采用资源异步调度机制以及渲染控制技术，达到模型的高效查询、流畅渲染的目的。

7.根据权利要求1所述的一种地下电缆设施三维参数化建模及高效渲染方法，步骤6)其特征在于，运用八叉树空间数据结构和LOD技术进一步优化改进模型加载效率，结合EV-Globe平台，对各个功能进行集成，最终实现电缆、通道模型的快速加载与可视化展示，满足电缆深化应用功能。