城市三维管线可视化技术
——以综合管线数据管理系统为例
付仲良张文元
目录
1 系统需求分析 (2)
1.1 管线三维可视化意义 (2)
1.2 管线系统功能需求 (3)
1.3 管线数据需求 (4)
2 系统总体设计 (5)
2.1 系统的技术路线 (5)
2.2 系统的层次结构 (5)
2.3 系统的软件配置 (6)
3 数据库设计 (8)
3.1 数据库内容 (8)
3.2 概念模型设计 (8)
3.3 逻辑模型设计 (8)
3.4 物理模型设计 (9)
4 系统功能设计 (10)
4.1 系统技术架构 (10)
4.2 系统功能结构 (10)
4.3 系统功能描述 (11)
5 管线三维可视化技术介绍 (13)
5.1 ArcGIS Engine 3D开发简介 (13)
5.2 三维管线几何建模原理 (14)
5.3 三维管线几何建模算法 (16)
5.4 管点三维建模 (22)
5.5 三维管线系统功能界面 (23)
1系统需求分析
系统需求分析是在对用户进行深入细致的调查基础上进行的，它是GIS设计的基础，是通过与系统潜在用户进行书面或口头交流，将收集的信息根据系统软件设计的要求归纳整理后，得到对系统概略的描述和可行性分析的论证文件。全面深入地了解掌握用户需求是进行优良的系统设计的关键，也是系统生命力的保证，需求分析使GIS开发者可以明确地了解用户对GIS内容和行为的期望和需求。
1.1管线三维可视化意义
城市地下管网是由纵横交错的给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业管线组成的错综复杂的空间体系，担负着能源输送、信息传输等工作，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线的资料残缺不全，且有关资料精度不高或与现状不符，造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，造成停水、停气、停暖、通信中断、污水四溢等严重事故。另一方面，我国现有的地下专业管线在地上、地下立体布设，管线繁多、复杂。已有的管线资料都以图纸、图表等形式记录保存，采用人工方式管理效率低下，资料系统性差。对于变化的区域，管线维护困难，各部门也存在为了建设方便重复收集资料、标准不统一、管理混乱等情况。而城市地下管线现状资料作为地下工程规划设计、施工和运行管理的基础数据，必须为合理地开发利用地下空间，加强城市地下空间的统一规划管理提供科学依据。
目前城市管网系统大多停留在二维的管理基础之上，不能生动地表现具有三维特征的客观实体。而且，管线在地下的分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。由于三维直观性强，可从不同方位再现物体，具有较强的立体感、逼真感，通过三维可视化可以直观地看到城市地下纵横交错、上下起伏的实际管线。所以建立城市三维管网系统，有利于全面反映地下管网的分布状况，便于管网的维护、检测，实现管网信息从无序到有序化管理。此外，将管网信息与城市基础地理信息融合在一起，可实现信息共享，为城市的施工建设提供准确、现势的资料，为科学管理提供辅助决策的依据。
1.2管线系统功能需求
需求分析阶段最重要的就是了解系统的功能需求。只有系统功能需求明确，才能给后面的系统开发确定明确的目标。
以综合管线测绘数据管理系统为例，通过多次和用户的沟通交流，确定系统的功能需求如下（以系统用户用例图来表示）：
图1 综合管线测绘数据管理员用例图
图2综合管线测绘数据普通用户用例图
从上面两个用例图可以看出，综合管线数据库系统管理员拥有最高权限，可以对综合管线数据进行入库管理、视图管理、查询统计、编辑、符号库管理、制图输出、三维浏览、二三维视图切换等各种操作；而该系统的一般用户则只能对综合管线数据进行视图管理、查询统计、三维浏览和二三维视图切换等基本操作。
1.3管线数据需求
数据是地理信息系统的核心。数据的状况对系统目标的影响很大。在考虑系统目标时，需要对数据进行评估、分类和登记。在需求阶段，需要对用户单位现有的数据源进行调查，包括能获得哪些数据；这些数据可划分为几个类型；它们之间有何联系；哪些是基础数据，哪些是可以由基础数据生成的合成数据和综合数据。
在综合管线数据管理系统中，为了在三维场景中显示三维管线和三维地形，系统需要用到的数据包括：含有平面坐标和高程值的各类管线数据、以及井等管点附属设施矢量数据、基础矢量数据、三维地形数据（DEM）、遥感影像数据（DOM）。
2系统总体设计
2.1系统的技术路线
（1）考虑到系统对于空间数据交互较为频繁和GIS空间分析要求较强，可采用客户机／服务器（C/S）的体系架构。
（2）数据库管理系统采用当前国际上先进成熟的关系型数据库管理系统Oracle存储海量数据，实现对空间数据的集中统一管理和分布式应用。
(3) 采用美国ESRI公司的ArcGIS系列产品作为GIS平台，空间数据库引擎使用ArcSDE，支持Windows平台和UNIX平台。通过空间数据与属性数据的相互关联，以网络技术、C/S技术为基础，进行系统集成。
(4) 系统建设与开发采用面向对象的软件工程方法，包括面向对象的分析方法、面向对象的建模技术、面向对象的编程技术。严格按照软件工程的要求进行系统建设的规划、管理、开发、风险跟进及规避。
2.2系统的层次结构
系统设计充分考虑业务与功能的紧密结合，并根据应用需求和设计原则，将系统总体结构划分为五层，分别是数据采集层、数据库层、通用组件层、应用层及用户层。
1、数据采集层
主要完成综合管线数据的采集、基础地形数据的获取与处理等。
2、数据库层
数据库层由基础地理信息矢量数据库、栅格数据库、综合管线测绘数据库、三维景观模型数据库和系统维护管理数据库组成。各种数据库可以分布式存储在用户单位的数据交换中心。它为该单位各相关部门的应用提供数据支持。
3、通用组件层
它是所有应用系统的基础。在各个子系统的基础上，抽取类似功能构建通用组件，避免功能重复开发，达到业务变更时组件修改即可满足全部系统修改的要求。
4、应用层
该层主要向政府、企业、社会等提供管线及其相关的空间信息查询、综合决策、三维虚拟浏览及空间分析等支持功能。
5、用户层
用户层由用户单位的局领导、系统管理和维护人员、一般的日常工作人员等组成。
2.3系统的软件配置
1、数据库软件
综合管线测绘数据管理系统采用成熟的商用数据库Oracle 10g进行空间数据的存储和管理。
2、GIS平台软件
GIS平台软件选择世界著名的ESRI公司的ArcGIS 9.2产品。ArcGIS整个软件系列包括：ArcGIS Desktop、ArcObjects、ArcGIS Engine、ArcSDE、ArcGIS Server 等。整个系列软件数据结构全部共享，全面支持工业标准的开发环境，从低端到高端的平台产品均采用共同的、工业标准的体系结构；基于组件对象模型进行构造，其中ArcGIS Engine组件对象库中定义并实现了上千个在GIS应用中涉及到的空间数据对象，因此ArcGIS系列各产品之间以及与其它GIS产品或应用系统之间可以在共同遵守工业标准的前提下，方便而无缝地互连、互嵌和扩展。
ArcGIS可运行于多种平台上，在这些平台上可直接共享数据。其数据管理采用全关系型DBMS，在所有主流工业标准的DBMS中管理空间数据和相关的属性数据，同时提供并发、高效和安全的海量空间数据驱动引擎和丰富的客户端软件。
除核心模块外，ArcGIS还包括若干扩展模块，完成多种分析功能，例如3D 扩展模块为用户提供三维数据的生成、显示、编辑和分析功能，还提供了一个独立的三维景观生成、显示和飞行的应用程序。
由于数据库的强大的数据处理能力加上ArcSDE独特的空间索引机制，每个数据集的数据量不再受到限制，ArcSDE可以处理海量的无缝地理数据。ArcSDE 通过版本管理技术解决了由于空间数据时态性引起的一系列长事务处理的问题。数据库中可以存储多个版本的数据，但并非是简单的数据备份，它们仅仅记录数
据版本的区别。版本之间是树型继承关系，各个版本可以独立编辑和运行。
3、系统开发组件
系统开发基于ArcGIS家族中的ArcGIS Engine组件。ArcGIS Engine是一个创建定制GIS桌面应用程序的嵌入式GIS工具包。使用ArcGIS Engine可以创建独立界面版本的应用程序，也可以对现有的应用程序进行扩展，为GIS和非GIS 用户提供专门的空间解决方案。
ArcGIS Engine可以在没有安装任何ArcGIS桌面软件的环境下提供所有GIS 功能，是一组设定良好的跨平台、跨语言部件。它可以运行在Windows、UNIX 和Linux平台上，并支持C++、VB、.NET、Java等一系列应用软件开发环境。ArcGIS Engine提供各种控件、对象和工具，支持扩展模块GeoDatabase 编辑、Raster和3D分析和可视化功能，提供多种开放的API函数，具有跨平台的特性。
4、系统开发工具
系统的开发工具选用Microsoft Visual Studio 2005中的Visual https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,。Visual https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,是基于.NET框架的完全面向对象的新的开发语言。https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,具有与平台无关性，由于它是基于通用语言运行时(CLR)的，用它写的代码能编译成微软中间语言(MSIL)，可以在它的支持下运行，这使应用程序得以独立于特定的平台。Visual https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,具有语言无关性，可以与其它.NET语言协同工作。
在本系统中，利用Visual https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,结合ArcGIS Engine组件构建出的系统基本架构如下图：
图3 基于.NET的应用程序构架图
3数据库设计
数据库是GIS系统的核心和基础，建立一个良好的数据组织结构和数据库，使整个系统都可以迅速、方便、准确地调用和管理所需的数据，是系统开发的必然要求。因此，数据库设计是系统开发和建设的重要组成部分。
GIS数据库建设分为关系型数据库和空间数据库建设两部分内容。结合系统数据的特点，本系统主要侧重空间数据库的设计。在空间数据库的设计过程中，应分别从数据内容、设计思路、概念模型设计、逻辑模型设计和物理模型设计等方面进行了详细的设计。
3.1数据库内容
数据库内容是指数据库中将要存储和组织的数据。例如建设综合管线数据库，必须有各类管线以及管线附属设施数据，既有管线点类型的数据，如井等，又有管线段的线要素数据，如雨水管线、电力管线、通信管线等；还有一些附属物数据，如出水口、阀门、闸和消防栓等此外，还需要与管线相关的设计图、施工图、竣工图等。在三维管线系统中，管网还必须具有准确的坐标和高程数据。
3.2概念模型设计
把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。数据库需求分析和概念设计阶段需要建立数据库的数据模型。
例如，综合管线数据库的概念模型描述了综合管线数据库中包含的各类实体以及各类实体间的相互关系，包括管点要素实体、管线要素实体、工程数据实体等，每种实体还可以扩展为三种类型的实体：工作实体、现势实体和历史实体。
3.3逻辑模型设计
把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来。逻辑设计又称为数据模型映射，它是直接依赖于概念模型数据库管理系统来选择的。
综合管线数据库的逻辑模型设计根据ArcSDE提供的GeoDatabase数据模型、
参考数据集DataSet、数据类FeatureClass和属性表Table的数据组织特点，把概念模型中的实体和关系映射为ArcSDE实体对象：库中空间数据映射为一个矢量数据集；各类空间数据根据类别不同分别映射到相应要素类（FeatureClass）存放在矢量数据集中；非空间数据映射为一个属性表存放在数据库中。
3.4物理模型设计
数据库的物理设计指数据库存储结构和存储路径的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的物理数据库。数据库物理设计主要解决以下三个问题：恰当的分配存储空间、决定数据的物理表示、确定存储结构。
对于管线数据库，在物理模型设计阶段，需要确定空间数据的存储和组织方式、管线要素的编码规则、图层命名规则、数据的访问方式、数据索引的建立等内容。
4系统功能设计
4.1系统技术架构
综合管线测绘数据管理系统利用ArcGIS Engine组件提供的接口通过空间数据引擎ArcSDE访问后台的空间数据库；非GIS功能采用https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,来开发，并通过https://www.doczj.com/doc/3e11095630.html,来访问属性数据库。
图4 综合管线数据管理系统技术架构
4.2系统功能结构
综合管线测绘数据管理系统主要包括如下功能模块：综合管线数据管理、视图管理、、查询统计、空间分析、符号库管理、制图输出、三维浏览和工程数据管理等功能。
图5 综合管线数据管理系统功能结构
4.3系统功能描述
4.3.1空间分析
1、量算功能：基本的距离量算（管线长度量算）、面积量算等功能；
2、缓冲区分析：根据选定的管线设施与设定的影响范围，生成影响区域；
3、断面分析：通过显示管线的纵横剖面图来分析管线空间位置关系。从图中
显示出地面的高度、管线的埋深、用相应的颜色显示管线的等级、标注管径；
4、连通分析：通过任意选择两根管段，判断它们是否连通；
5、爆管分析：当综合管线在某一位置出现故障时，系统能够通过网络分析查
询到事故点周围需要紧急关闭的各类阀门，确定所影响的用户，能打印相关通知单；
6、追踪分析：对一定范围内单条管线的网络追踪，确定该管线所经过的管点
和管段信息。
4.3.2三维浏览
系统可以根据综合管线数据库中的三维数据，对区域范围内所有管线或部分指定类型的管线进行三维建模，在三维视图下进行各种浏览操作，如导航、缩放、漫游、飞行等。三维浏览具体包括以下功能：
导航：多角度察看三维场景
缩放：系统提供两种类型的缩放，一种是按照固定比例进行放大或缩小；
另一种是拉框缩放
目标居中：整个场景以选择的目标对象为视图中心位置
目标放大：三维视图以选择目标为中心放大到一定程度供用户浏览
设置观察点：改变摄像机的视点
漫游：三维场景平移到新的位置
全图：显示整个三维场景的范围
飞行：三维场景还可以通过飞行的方式浏览
场景旋转：三维场景可以以逆时针或顺时针的方向自动旋转
除了基本的浏览操作外，用户还可以对三维管线进行空间查询，获取三维管线的各种属性信息。
4.3.3二三维切换
系统提供二三维视图切换功能，也就是同一批综合管线数据既可以在二维平面视图中显示，同时又可以对其进行三维建模，在三维视图下显示，两种视图能够实时切换。系统提供视图切换按钮，激活此按钮，用户可以从二维视图转换到三维视图进行三维漫游浏览；三维浏览完毕后，用户点击相应按钮，又可以实时返回二维视图。
5管线三维可视化技术介绍
5.1ArcGIS Engine 3D开发简介
ArcGIS Engine除了提供基本的点、线、面等几何模型外，还提供了3D模型。3D模型可以包括两种：矢量模型和表面模型。其中，表面模型又包括TIN和Raster 两种，主要适用于具有高低起伏的地形数据三维表示；3D矢量模型包括所有含有Z值的几何对象：点、线、面，以及多片（MultiPatch）。其中，多片是由一系列三维表面组合而成，可以分为三角条带（Triangle Strip）、三角扇（Triangle Fan）和环（Ring）等类型。其中，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，其结构如下图所示：
图7 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，因此多片几何对象中的三角条带将非常适合三维管线表面的模拟。本系统的管线三维可视化就是基于多片这种三维矢量数据模型进行组织和管理的。
AE除了合适的三维数据模型外，还提供了几个接口用于三维实体的建模。如IConstructMultiPatch接口，它提供了ConstructExtrude、ConstructExtrudeAbsolute、ConstructExtrudeAlongLine等几种用于构建MultiPatch 对象的方法，可以将点要素构建成垂直的线，线要素构建成墙，而多边形要素构建成块；IV ector3D接口则提供了构造三维向量、获取三维向量基本属性以及对三维向量进行各种元算的方法；计算机图形学中对三维物体或空间坐标系进行旋转、平移等复杂的矩阵运算，在AE中使用三维变换接口ITransform3D提供的RotateV ector3D、Move3D等方法就可以轻松实现。AE提供的接口众多，只要合理利用相应的接口和方法，就能是应用程序的二次开发变得简洁、高效。
5.2三维管线几何建模原理
5.2.1.管线表面微分处理
在管线平面图中，管线对象一般以管线中心线来表示，一段管线在图上显示为一条直线；而在管线三维透视图中，一段管线可以用圆柱面表示，圆柱面的轴心即为管线中心线，圆柱面的截面半径为管线在截面处的半径。管线是弯曲的，不能像简单圆柱体那样处理。但对管线细化时，每条管线可看成由直管及其连接直管的接口两部分组成。已知管径R及空间任意两点P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，为了形成以P1、P2为轴线的起止点，以R为半径的圆柱，有些学者提出采用Grid法建模，即以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，在每个圆周围均匀取n个这样的点，可得到n个这样的矩形，这n个矩形便构成棱柱表面。当n足够大时，在轴线上可以用该棱柱面来逼近圆柱面，如图8所示。
本文对Grid法稍加改进，采用三角形面（非矩形面）来构造类圆柱表面，即三角网建模。具体方法为：以P1点所在断面圆弧的两点（一点）及对应P2点所在断面圆弧的一点（两点）组成三角形，在每个圆周围均匀取n个这样的点，这2n个离散点按照一定的次序可构成2n个相互连接的三角形，形成一个封闭的三角网。当n足够大时，这个三角网就可以模拟圆柱表面，如图9所示。n越大，管线表面等分越细，模拟管线在直观上就越接近真实管线，近似效果越好，但数据的运算量也随之增大，电脑显示速度会降低。反之，模拟管线比较粗糙，电脑显示速度较快。在本文自定义的管线建模函数中，将n作为细化参数，可以动态修改。当数据量较小时，可以将n值增大，以取得更好的逼真效果；当数据量很大时，为了使显示真实性与显示速度能取得较好的平衡，可以将n值取为8。这样处理使得管线的建模具有更大的灵活性。
三角网建模实质上就是将Grid建模中的每个矩形以其中的一条对角线分割为两个三角形。理论和实践证明，在同样将断面圆弧n等分的情况下，用三角网建模比用Grid建模模拟圆柱面的效果要好，而且数据量没有增加。此外，由于三角形在图形可视化的基础地位，使得这种模型能快速、方便地显示。
图8 Grid建模示意图
图9三角网建模示意图
5.2.2.管线衔接处圆滑处理
在管线平面图中，一般以二维折线表示管线段的连接。在三维透视图中，圆柱面的首尾衔接构成虚拟管线段。为使虚拟管线形象逼真，又不影响系统运行速度，将管线衔接处圆滑过渡。其实现方式为:将管线中心线的拐角以圆弧替代，弧线弧度等于相邻线段的夹角弧度，圆弧所在圆的半径等于管径。然后将直管以圆柱面模拟，拐弯处以部分圆环体表面来模拟，圆环体的截面半径由相连的两个圆柱面的截面半径来确定，如图10所示。其计算方法在下节中详细介绍。最后在三维场景中设置光照，则虚拟管线在视觉上与真实管线非常接近。
图10 管线衔接处的圆滑处理示意图
5.3三维管线几何建模算法
5.3.1.直管三维建模
真实的三维管线表面是连续变化的，要想记录所有定义表面的位置是不可能，因而一般都是从真实表面上抽取一些样点，然后用插值的方法来求出样点之间的值，从而构成三维表面模型。
对于直管建模算法，一般都是采用从参考坐标系解算到固定坐标系的正向思维，先求解管线表面各点在参考坐标系中的坐标，再根据参考坐标系与固定坐标系之间的关系，利用空间解析几何知识将这些参考坐标解算到固定坐标系，最后将这些空间点连接成矩形或三角形来模拟圆柱表面，从而构建出三维管线模型。
已知管线中心线的起始点空间坐标P1(X1，Y1，Z1)、终止点空间坐标P2(X2，Y2，Z2)，管径R，为了形成以P1、P2为轴线的起止点，以R为半径的圆柱，采用Delaunay三角网建模算法。如图11所示，三维笛卡儿坐标系O－XYZ称为固定坐标系，参考坐标系o－xyz定义为原点与起始节点P1相重合，z轴与管线中心线相重合，x轴方向规定为与固定坐标系的某个轴平行，由右手螺旋定则可确定y轴。
图 11 管线边缘顶点坐标转换
管线上各顶点的三维坐标得到后，再按顺序依次将起止截面上每相邻三个顶点连接起来构成三角形，所有的三角形拼接起来构成三角网，此三角网便可模拟一段圆柱表面，即三维直管。
本系统实现的管线建模算法则是从逆向思维出发，提出一种新的建模方法，其原理是：首先，以空间坐标系的原点为圆心，在XY平面上以管线的截面半径为圆的半径定义一个圆，将该圆平均分成12等份，求出圆弧截面上12个点的空间坐标，构造出一个十二边形，如图 12(a)所示；其次，求出管线的长度，并以管线的长度为拉伸高度，用AE的接口对XY平面的十二边形沿Z轴进行拉伸，构造出一个十二棱柱表面，该表面可以很好地模拟三维圆柱表面，如图 12(b)所示；再次，求出管线起止点所在向量与Z轴之间的夹角，对坐标原点处的圆柱面对象进行整体的旋转操作，使其与管线向量方向相同，如图 12(c)所示；最后，将该圆柱面进行整体平移操作，移动到实际管线所在的空间位置即可，如图12(d)。
图 12 直管三维建模示意图
基于VB+AE, 构建的三维直管模型如图 13所示：
图 13 三维直管模型
5.3.2.弯管三维建模
在管线的三维可视化过程中，直管的建模一般比较容易实现，而管线之间的光滑衔接处理却比较困难。两段管线之间的连接方式或者是直的，或者是呈现一定的夹角。当呈一定的夹角时，就要对两段管线衔接处进行圆滑处理，即绘制弯管。在三维视图中，弯管一般用一定角度的圆环体来表示。如下图所示，要对两段直管(P1P2，P2P3)之间的弯管建模，则必须确定弯管弧段的起止点(T1、T2)、圆心(O)、半径(R)、圆心角(180°-θ)等参数。具体步骤如下：
图14 弯管建模处理示意图
（1）求点P1到点P2的单位向量
u
T
1
；
1
T= (X2－X1，Y2－Y1，Z2－Z1) （5-1）
（2）求点P2到点P3的单位向量
u
T
2
；
P1
2T = (X 3－X 2，Y 3－Y 2，Z 3－Z 2) （5-2）
（3）求空间弯管所在平面的法矢量u
N 12：
u N 12= u T 1 × u T 2 （5-3）
（4）求垂直于P1指向弧段圆心的向量1C ：
1C = u N 12×u
T 1 （5-4）
（5）求垂直于P2指向弧段圆心的向量2C ：
2C = u N 12×u
T 2 （5-5）
（6）求弯管与直管的切点t1，t2的空间坐标（切点t1，t2到P2的距离都为S ）： t1 = P2 － S * 1T
t2 = P2 + S * 2T （5-6）
（7）求两直管之间的夹角θ：
cos θ = －1T ? 2T （5-7）
（8）求弯管中心线到圆心O 的距离R ：
R = S * tan(θ/2 ) （5-8）
（9）求圆心坐标O ：
O = t1 + R* 1C = t2 + R* 2C （5-9）
上述各参数确定后，接下来需要解决任意角度圆环的绘制问题。
定义参考坐标系o-xyz ，以弯管圆环对应的圆心O 点为原点，以空间弯管所在平面的法矢量u
N 12为z 轴，x 轴方向规定为与固定坐标系的某个轴平行， 由右
手螺旋定则可确定y 轴。
圆环体实际上可以近似的分解为许多规则的三角形，如果知道了这些三角形顶点的坐标，则可以绘制出近似的圆环体，而且可以绘制出任意角度的圆环体。在绘制圆环的过程中，实际上包含两个过程，一个过程是把圆环平均分解成若干份，使得圆环由若干圆台面构成，另一个过程是对每一个圆台面以三角网进行模拟。如下图所示：
图15 圆环体剖分示意图 β角用来分解圆环为多个圆台，而α角用来分解圆台截面圆弧为多个顶点。现已知圆环的截面半径为r1，圆环中轴的半径为R 。圆环体各截面圆弧上顶点的坐标计算公式如下：
x = (R － r1*cos α) * cos β；
y = (R － r1*cos α) * sin β；
z = r1 * sin α；
弯管上各点在参考坐标系中的坐标计算出来后，再按照进行参考坐标到固定坐标的转换，求得弯管上各点的空间坐标，然后利用三角网构建表面模型，即可绘制出任意角度的圆环体。
按弯管建模公式绘制出的圆心角为45度的圆环体如下图所示：
X
(a) 圆环体平面图 (b) 圆环体截面剖分图
(c) 关键参数示意图
第31卷第3期2008年5月 现 代 测 绘 Modern Surveying and Mapping Vol.31,No.3 May.2008 城市三维可视化快速建模与浏览系统的研究 李 明1,刘桂生1,李 楠2 (1镇江市勘察测绘研究院,江苏镇江212001;2广东南方数码科技有限公司,广州广东510665) 摘 要 随着信息时代的到来,虚拟现实做为信息技术发展重要驱动力越来越多地应用到城市建设领域中来。本文分析了虚拟现实技术如何在城市尺度上进行快速建模和浏览,并通过具体案例对该技术进行了详细的阐述。 关键词 虚拟现实 VR GIS 快速建模 中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-4097(2008)04-0013-03 1 引 言 虚拟现实(Virt ual Reality,以下简称VR),是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,虚拟现实的技术的核心是模拟和仿真。由相对传统的GIS与VR有机结合的数字地球或者数字城市试图在全球范围内建立一个基于地理位置将各领域信息组织、融合其来的复杂虚拟现实系统,使人们沉浸在交互式浏览信息的场景之中:包括地形、建筑、森林、水体等。基于以上认识,本文深入探讨面向数字城市的虚拟现实技术,以及如何快速地将4D数据真实地在计算机上展示出来。 2 虚拟现实技术概述 数字地球涉及大规模计算、海量存储、卫星遥感、宽带网络、互操作、元数据(Meta data)等技术来支撑,虚拟现实(VR)、地理信息系统(GIS)和互联网(Internet)是数字地球的三大基础。V R系统中可以将4D数据(DEM、DOM、DL G、DR G)真实地在计算机中再现成为真实的场景,观看新规划的建筑,欣赏风景的变化,可以进行各种形式的漫游和查询,使用户沉浸在VR的环境中,更加直观地进行分析或者决策。 从美国Brimson实验室和Minnesota大学自然资源研究所结合科学计算可视化和地理信息系统设计了第一个浏览地形的虚拟现实系统,到21世纪Skyline和G oogle在推出了基于Internet的三维地图浏览系统,这些系统均完成了将DEM与DOM结合进行大范围的三维虚拟场景的展示。 但是,怎么决定多学科实现VR的整体均衡?和很多多学科处理过程一样,VR同样面临着处理均衡问题,特别是针对城市规划,关系城市的未来发展,规划分析、视觉效果、方案对比都无不要求到最好,在效率和视觉之间寻找最佳结合点,将决定VR在城市规划中应用的效果。城市三维可视化快速建模与浏览系统很好地解决了多源数据快速综合利用的问题, 3 快速浏览系统的关键技术 城市三维可视化快速建模与浏览系统是根据城市规划中的应用特点进行开发的。该辅助决策平台结合GIS、CAD、RS、建模等多学科数据基础,充分利用城市规划行业中的多种数据基础;考虑系统运行效率和展示效果的平衡,实现城市尺度上进行数据渲染,局部实现精细建模;利用多学科技术,进行规划参数的分析统计;结合不同方案的场景比较,直观表现各种方案之间的优劣;结合GIS技术,实现在虚拟现实的基础上叠加矢量GIS数据,并且实现了地上建模与地下三维管线与地质的三维一体化。 城市三维可视化快速建模与浏览系统涉及到多种关键技术,实现了跨平台的开发、数据格式以及交换等完全遵照了O GC的规范、三十多种4D数据的支持等,本文集中讨论多层场景引擎、视点相关动态多分辨率地形模型等,具体包括高分辨率D EM与DOM合成建模、建筑物建模和纹理贴面、三维植被、路网建模以及三维管线建模等。笔者和开发团队开发了可编辑的、能够接受多种数据和工作方式的、交互式的软件平台,从数据上兼容测绘、GIS、建模等工作方式,让操作人员能够根据自己习惯的数据,交互式的进行规划决策。 311 多层场景引擎 虚拟现实系统的核心是将多源数据(4D数据)的导入、格式转换、管理、绘制和交互。 3.3.1 数据集成 场景引擎通过数据连接器(Data Connector)访问不同来源、不同格式、不同维数的多元数据。 3.3.2 场景绘制 场景引擎负责存储和管理场景,将数据提交图
医学图像的三维重建与可视化技术的进展随着20世纪七十年代计算机断层技术（Computerized Tomography, CT）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等医学影像技术的应用，可以得到病人病变部位的一组二维断层图像，通过这些二维断层图像医生可以对病变部位进行分析，从而使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。 但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像，二维断层图像只是表达某一界面的解剖信息，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，这就给治疗带来了困难。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，也不能给出准确的三维影像，造成病变定位的失真和畸变。 三维重建与可视化技术利用一系列的二维图像重建为具有直观、立体效果三维图像模型，并进行定性、定量分析。该技术不仅给医生提供了具有真实感的三维图形，并让医生从任意角度观察图像，还可以从二维图像中获取三维结构信息，提供很多用传统手段无法获得的解剖结构信息，帮助医生对病变体和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时，三维重建与可视化技术还在矫形手术、放射治疗、手术规划与模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用。 本文首先介绍了医学图像三维重建的几种经典方法，以对该技术有个总体性的大致的了解；然后结合相关文献，深入研究了一个改进的MC（Marching Cubes）算法以及基于寰椎的X线图像的三维形态重建。 一、医学图像的三维重建的几种常见方法 目前，医学图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为基于表面的面绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法，又称直接体绘制方法。其中面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取，并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。近来，产生了结合面绘制和体绘制两者特点的混合绘制方
城市三维地下管线管理系统 一、城市地下管线 城市管网是城市最重要的公共基础设施之一，与城市的发展和居民的日常生活息息相关。根据不同的市政建设，管网分为供水、排水、通信、电力等多种类别，其分布也遍及地下、空中、水下等。城市地下管线是城市建设的重要内容和城市生存和发展的生命线。具有规模大、范围广、管线种类繁多、空间分布复杂、变化大、增长速度快、形成时间长等特点。触及城市的各个角落，与人民生活息息相关。 当今的城市中布满了各种各样的管线，类似于以前手工的管理模式和管理手段已无法满足“合理规划、科学管理、优质服务”的要求。对于突发事故的应变能力和处理效率难以适应企业集团高速发展的需求，各级管线管理单位需要一种更为方便、及时的方式，来管理自来水、供暖、排污、燃气、电信信号等管线资源——管线系统，要求科学管理管网资源及相关的管网信息，实现整个管网的协调与统一。同时各种综合信息，如工程报表、维修维护信息等也需要以管网信息为依据，要做到科学化管理。 传统的二维GIS方式管理管网，总是受到平面显示范围的限制，无法从纵深上直观反映管网间真实的空间位置，难以对大量的管线信息进行有效的描述和表达。管线三维模型能直观地描述管线的三维特征及管线间的空间关系，能真实地反映地下管线的空间分布状况。 城市三维地下管线管理系统是以计算机网络为载体，GIS软件为平台的应用型技术系统，整合城市地下综合管线数据资源，实现了地下管线的三维可视化管理、存储、查询、分析、定位等功能，形成了一套完善的城市地下综合管线数据资源管理数字化、可视化的三维管线系统。管线采用二三维一体化的设计方式，平面视图管线表现为二维方式，转换视角，管线表现为三维方式，可以直观查看管线与周围地形、地物、建构筑物的关系。由于其精确性、真实性和无限的可操作性，可以大大提高对管线信息的理解、认识、定位、判断、利用。可以提供包含基本的空间查询、属性查询、空间统计服务，基于管线数据的空间分析服务。三维管线是普通管线系统平台的高端形式，更直观、更立体地展现管线现状。可快速导入三维模型数据，包括基础底图的三维模型和管线三维模型，显示叠加后的效果；导入二维矢量图层，系统可自动将二维渲染成三维模型。三维效果让管线显示更加直观，实现对地下管线不同角度的查看。 目前，许多科技型企业着力研究最新的三维GIS技术，拓展其在管网行业中应用。不仅实现了将三维可视化技术应用到管网的展示
三维可视化机房智能监控系统 随着计算机技术的迅速发展，数字交换技术的日新月异，计算机通信已经深入到社会生活并对社会经济的发展起着决定性的作用，而在这其中计算机机房数据中心作为载体更是整体生态链中的重中之重。尤其是近年来，云技术的突飞猛进，计算机机房数据中心所承受的压力越来越大：机房计算机系统的数量与日俱增，其环境设备也日益增多，机房环境设备（如供配电系统、UPS 电源、空调、消防系统、保安系统等），由于各类设备各自独立，如果没有统一的监控系统进行管理，主要是依靠值班人员的定时巡检来进行系统监控，由于值班人员知识面和安全管理的问题，值班人员不可能详细地检查每套系统，所以存在较大的安全生产隐患。 为满足工作需要，提高机房维护和管理的安全性，北京金视和科技股份有限公司建立一套“可视化、智能化、远程化”的监控系统，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。 三维可视化机房智能监控系统对机房实现远程集中监控管理，实时动态呈现设备告警信息及设备参数，快速定位出故障设备，使维护和管理从人工被动看守的方式向计算机集中控制和管理的模式转变。突破性的三维仿真技术是智能可视化数据中心建设的一个重要的组成部分，机房设备具有数量大、种类多、价值高、使用周期长、使用地点分散、缺少实时性管理、管理难度大等特点。全三维可视化监控平台，形象化的虚拟场景和真实数据相结合，增强机房设备、设施数据的直观可视性、提高其利用率。 系统特点 三维虚拟可视化平台 在现有资源管理系统数据库的基础上，以三维虚拟现实的形式展现数据中心的运行情况。实现可视化管理和服务器设备物理位置的精确定位。三维虚拟现实方式对机房楼层、设备区、设备安装部署情况及动力环境等附属设施的直观展示，实时展现监控和报警数据。可实现360度视角调整。 IT资产可视化管理 在三维环境中通过鼠标点击实现楼层、机房、机房子区域、机柜、设备的分级直接浏览。实现机房可用性动态统计，包括空间可用性、用电量分布、温湿度分布情况和机房承重分布情况统计。当上架设备物理位置发生变化时，设备位置根据数据库变化自动变更。用户也可通过维护工具自行调整。
基于Skyline校园三维可视化的技术发展本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！ 0 引言 三维数字校园是运用Sketchup、WebGIS等三维技术构建校园三维虚拟场景。传统的校园宣传工作主要是依赖于照片，文字介绍等，满足不了全方位展现校园特色的需求。以数字化、网络化为特征的信息科学技术成为推动社会可持续发展的强大动力。在这种背景下，数字校园系统将成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将给予定位并与空间数据联系起来[1]。 三维虚拟校园系统逐步兴起，逐渐成为各大高校宣传校园文化，展示校园风貌的平台。并且三维校园的建立使得我们对校园的观察方式有了很大的改变。逼真的模型和校园场景可以让我们从各个角度欣赏校园的景色。三维数字校园系统还可为参观者提供便利的条件，且对于学校自身的管理和办公效率也有很大的帮助。目前，我国多所大学均已完成数字化校园信息系统建设，使得校园信息化服务水平空前提高。 本文以太原师范学院校园为例，探讨采用
Sketchup建模软件以及Skyline可视化软件实现校园的三维可视化，为后续的三维数字校园做准备。 1 Skyline 简介 Skyline是由美国Skyline公司推出的一套优秀的三维数字地球平台软件。主要包含TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate三个子系统。其中Terraexplore 是一个桌面应用程序，使得用户可以浏览、分析空间数据，并对其进行编辑，添加二维或者是三维的物体、路径、场所以及地理信息文件。Terraexplore与TerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以在网络上直接加入GIS层。在三维GIS与虚拟现实等方面，Skyline系列软件可为用户提供各种解决三维空间应用的决策方案[2]。 2 数据获取 地形图数据的获取建模时需要高精度的地形图作为底图，如DWG格式的地形图数据作为模型构建的基础，如只在影像上画出建筑物的二维平面图，精度不是很高，对于建模精度要求较高的建筑物建模需要地形图作为底图，导入到SketchUp下进行三维建模。 建筑物高度信息获取高度信息是三维模型的一个重要参数，当前主要通过以下几种方式获得建筑物
基于ArcScene的三维可视化技术的实现 摘要：三维可视化是运用计算机图形学和图像处理技研究数字地形模型显示、简化、仿真的学科,它涉及到计算机科学与技术、信号与信息处理、通信与信息系统、控制科学与工程、摄影测量与遥感、空间信息科学与技术等诸多学科，广泛应用于计算机视景仿真、虚拟现实、图形图像生成、遥感信息处理和数字地球等领域。本文主要介绍基于ArcScene平台的三维可视化技术的内容，以及三维可视化的实现过程。 关键字：ArcScene，三维可视化 1引言 近年来随着计算机技术的迅速发展，一门新颖的技术在不断涌出。三维可视化技术作为当今世界的一门主流技术它能够利用大量数据，检查资料的连续性，辨认资料真伪，发现和提出有用异常，为分析、理解及重复数据提供了有用工具，对多学科的交流协作起到桥梁作用。与以往的二维技术相比，它能跟直观、可视、形象、多视角、多层次的模拟三维场景，可提供一些平面上无法直接获得或表示的信息。还可以直观的对区域地形起伏的形态及沟、谷、鞍部等基本地形形态进行判读，比二维图形（如等高线）更容易为大部分读者所接受。 2ArcScene简介 ArcScene是美国ESRI公司开发的ArcGIS软件桌面系统3D分析扩展模块中的一部分，是一个适合于展示三维透视场景的平台，可以
在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互，适用于数据量比较小的场景3D分析显示。ArcScene是基于OpenGl的，支持TIN数据的显示。显示场景时，ArcScene会将所有数据加载到场景中，矢量数据以矢量形式显示。它可以更加高效的管理三维GIS数据、进行三位分析、创建三位要素以及建立具有三维场景属性的图层。例如，可以把平面二维图形突出显示为三维结构。与常规的可视化系统如 3dsMAX、Maya等相比ArcScene克服了3DMAX、MAYA难以克服的困难，为诸多问题提供了很好的解决方法。 3三维可视化过程 3.1要素的三维显示 ArcScene提供了要素图层在三维场景中的三种显示方式： （1）通过属性设置基准高程 在要素属性对话框中，选择基本高程选项卡，设置以常量或表达式作为基准高程，填写或点击按钮生成提供Z值的字段或表达式即可，如图1。 （2）使用表面设置基本高程 在设置基准高程时选择由表面获取要素图层的高程，选中Obtain heights for layer from surface单选框，选择所需表面即 可。要素将会以表面所提供的高程在场景中显示。如图2 （3）要素的突出显示 在图层属性对话框的突出标签中，选中对图层中的要素进行突出复选框。并且在文本框中填写或点击按钮打开突出表达式
城市三维地下管线管理系统
年系统运行良好，网上报批、网上发布功能也逐步实现。 市地下管线信息管理系统的海量地下管线数据能在系统中稳定正确地进行二维和三维操作，系统具有网上Web发布和网上报批自动化管理功能，功能齐全；系统针对不同用户具有良好的适用性，人机界面友好；系统软件具有多种建模能力和方便的二次开发能力，可扩展性强；系统的软硬件配置合理，运行稳定，满足当前和未来的发展需要。 市石景山区三维城市 地下管线信息系统基于三维地学信息系统GeoView软件平台开发的三维城市地下管线信息系统 市滨海高新区城市地 下管线信息系统基于三维地学信息系统GeoView软件平台开发的三维城市地下管线信息系统 二、三维管网系统的特点及建设的意义（1）系统框架结构 （2）系统技术的特点 ①管网建模自动化
管线的竣工资料或者探测的结果大多是二维矢量线数据，系统根据二维数据的平面坐标、埋深、管径等数据批量生成三维管线模型、关联属性数据库，并且提取管线之间的拓扑关系，自动生成弯头。 ②三维管网模型的编辑与维护 在三维场景中编辑管线模型（添加、移动、废弃），编辑管线模型的节点坐标，维护管线属性数据（类型、覆土深度、埋深、管径、材质等），为管网的数据更新提供了便捷的方法。 ③三维管网模型上的拓扑分析 完全摆脱对二维管网数据的依赖，直接在三维管网模型上进行拓扑分析，彻底解决三维数据模型无法进行拓扑分析的技术难题。为爆管分析、开挖分析、覆土深度分析等提供技术支撑。 ④丰富、规的管件模型库 系统提供标准尺寸和规格的模型库（例如法兰、流量计、弯头、蝶阀、止水阀等），方便用户在指定位置添加管件，节省建模时间。 ⑤整合业务数据更便捷 管网业务数据包括：属性信息、实时监测数据和历史数据等，主要以关系型数据库的形式存储。该管网系统能够迅速的自动关联三维管线模型和业务数据库，大幅度降低数据处理的时间成本，使得项目实施更方便、快捷，成本更低。
三维可视化智能安防系统 重点： 数字三维技术、门禁系统、监控系统、陌生人智能分析报警四大系统全方位保护。防止暴力、盗窃和安全事故的综合性安防解决方案。 一、概述 三维可视化智能安防系统，是一套集三维景观漫游、三维场景仿真、视频监控、视频分析于一体的三维可视化安保系统。该系统以虚拟现实技术研发的三维数字模型数据为基础平台，提供给用户直观的三维交互界面，所有操作针对三维实体模型进行数据交互。包括：监控摄像机、报警设备、门禁等系统设备的基础数据、状态控制数据等。所有数据交互到三维实体模型系统中后，由三维实体模型系统进行状态展现，并反馈用户所进行的操作给各系统。
二、功能特点 三维场景交互式操作 系统可完成真实景观快速建模，亦可导入三维模型，形成由大量三维模型组成的三维场景。在场景中可以轻松地对模型进行移动、旋转、复制、缩放等操作。 三维摄像头的操作 主要包括查找、查看、编辑、布局分析等功能。针对摄像头查找功能，系统提供多个检索选项，包括：坐标点检索，按名称检索，摄像头型号检索和模型位置检索等。检索完成后，用户可以选择检索出的某摄像头进入监控画面（画中画）。 属性数据管理 系统可对三维模型进行查询、浏览、统计等操作，支持载入语音、文字、图片等多媒体信息；系统完善的层管理机制可实现对不同层的数据进行各种属性管理操作，支持ODBC数据库接口，可链接各种商用数据库。 门禁显示 门禁开关的动作，非法卡刷卡时报警提示刷卡情况和报警周边的情况，报警状态在三维场景中提醒显示，同时通过信息提示。
视频监控及管理 用户可实时浏览监控点，报警点，查询监控点、报警点的相关属性信息。当发生报警时能自动切换到事发地点，显示报警效果，弹出相关视频。结合在办公楼内部署的红外探测等报警设备，实现对人员通过被检测区域时的报警提示，并在三维场景中表示出来，提供管理员直观了解布防区域的情况。 视频分析 视频行为分析技术——对校园内的相关运动目标（人或物体）进行检测、分类及轨迹追踪，并根据制定的分析（触发）规则，由系统自动分析、判断运动目标的行为信息，并将信息输出到三维可视化系统中。 三、功能阐述： 传统以人来监视的监控系统中越来越多的视频通道变得非常困难，因此，视频分析迅速成为安防应用中的一个关键元素。使用以智能视频分析和传感器输入为中心的数字产品和以虚拟现实技术研发的三维数字模型为平台的系统，可实现系统功能与操作可视化要求的最佳协调。这对于具有不同安防需要的广泛而复杂的地点来说变得日益重要。 门禁控制产品包括： 门控器
1 三维可视化在城市规划的应用 三维可视化以其强大的功能和应用的广泛改变了城市规划和建筑设计表现形式从传统效果图、沙盘模型、三维动画的设计模式提升到数字技术发展的变革。更重要的是实现了对城市环境从过去到未来变化状态及趋势进行科学的仿真、模拟和预测。利用城市空间数据建立一个逼真的、立体的、可交互的虚拟城市环境，可实现城市规划的全方位、自动化设计理念；并且利用三维可视化技术构建的虚拟城市景观可以从众多的规划方案中选择具有最佳效益的一个。 1.1研究现状 目前，许多国外学者己经开发了三维GIS原型系统，使三维可视化技术在建筑、交通、城市规划等许多领域得到应用。德国Rostock大学、Stuttgart大学等研究机构联合研究了三维GIS在数字城市模型中的应用，他们对城市的空间对象进行了分类和表示，建立了数字城市模拟系统，对城市基础设施(包括房屋、道路、绿地等)可方便地进行查询、分析和显示。一些商用GIS系统中，也加入了三维GIS模块，如ArcINFO的ArcScene、IMAGINE的Virtual GIS模块，能在实时三维环境下，提供GIS分析和实时三维飞行方式的访问和漫游。还有许多其它一些模拟实验系统，其研究集中于三维可视化和虚拟现实功能方面，以及与计算机网络的结合上。目前，国际上成立了许多专门机构进行三维GIS的基础研究，大量有关三维GIS的学术论文开始涌现。20世纪90年代后，三维GIS研究得到了极大的发展。由于GIS 的容涉及很广，包括天文、地理、地质、城镇建设、环境评估等，同时GIS又是一门新兴的边缘学科，它涉及到图形学、管理学、计算机科学、测绘科学等众多的学科，各专业领域的专家都有人在根据自身学科的特点对真三维GIS进行研究。 在国，关于城市三维可视化软件较典型的有灵图软件技术的VRMap和适普软件的IMAGIS。VRMap是三维地理信息系统平台，可以在三维地理信息系统与虚拟现实领域提供从底层引擎到专业应用的全面解决方案，（如图 1－1为 VRMap 的界面）;IMAGIs三维可视地理信息系统，是一套以数字正射影像(DOM)。数字地面模型(DEM)、数字线划图(DLG)和数字栅格图(DRG)作为处理对象的GIS系统。该系统结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，完全再现管理环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的“所见即所得”。（图1－ 2 为IMAGIS 电力系统解决方案）
数据中心三维可视化管理平台严格按照数据中心机房建设有关技术的标准和规范来建设实施，采用高标准的三维可视化系统设计原则，达到“国内领先、国际先进”的总体设计目标，并提 供强大的向上/向下接口。 一.三维可视化平台遵循的原则如下： 1.先进性原则：采用国际最新、最先进的三维可视化技术，软硬件均为模块化设计，各模块 间互相独立，互不干扰。对建有冗余热备功能的系统，在系统维护或更换时不影响整个系统 的正常工作，保障系统全天候正常运行，符合国际最新潮流。 2.集中性原则：采用合理的系统体系结构，建立对IT环境各种对象的集中管理，即需要覆盖 眼前需要管理的物理对象，也需要考虑未来的逻辑对象。 3.实时性原则：系统采用先进的API、SNMP等数据通信接口技术，通过内部网络可以实现 与各类机房动环监控系统、资产管理系统、网管系统和IT运维系统的实时数据交互、展示和控制，及时反应各类系统及设备的运行参数和状态，发生故障预警和报警时能第一时间发出 告警通知管理人员查看并解决问题。 4.实用性和高效性原则：系统为管理人员提供直观、易用的图形化操作界面和策略定义工具，支持采用各类WEB浏览器通过互联网络从任意地点管理三维可视化系统，保持各种功能操 作方式的一致性。 5.安全性和稳定性原则：系统必须要达到单位级的安全标准，提供良好的安全可靠性策略， 支持多种安全可靠性技术手段，可充分利用现有的诸如防火墙、入侵检测系统、漏洞扫描、 防病毒系统等基本安全防御系统与外网隔离，保证安全；同时制定严格的安全可靠性管理措施，拥有完善的身份认证和授权，使各类功能具有完善的访问授权安全机制；支持各组件之 间的信息安全传输；设计数据备份、应急处理与灾难恢复等技术措施，防止和恢复由内在因 素和危机环境造成的错误和灾难性故障，确保系统数据的可靠性，实现整个系统的稳定运行。 6.开放性原则：系统预留了南向、北向等多种对外数据通信接口，能向上级IT综合运维平台 提供所有监控数据、报警信息和展示页面，也可以从下级各类监控或管理系统中获取需要展 示和控制的数据，其中数据接口包括API接口、SNMP协议接口、OPC接口以及xmxxxxl接 口等相关的国际标准或行业标准。。 7.灵活性和可扩展性原则：系统的建设采用模块化结构，具有灵活的多级组网功能，模块化 结构有利于扩容与扩展，配置具备可伸缩及动态平滑扩展能力，通过系统框架和相应服务单 元的配置，适应监控范围和内容的变化，即可整合现有其他系统、扩建的新系统、集成新增 的第三方应用等，使得系统具有良好的可扩充性。 8.经济性原则：采用模块化设计，有良好的可扩展性和可伸缩性，系统的安装简单、省时、 安全、可靠，易学习、易管理维护，以获得良好的性能价格比，便于今后的扩展和分步实施，并充分考虑系统的运行成本，并使之达到最小化。
7 三维可视化技术 三维可视化(3D Visualization)技术是20世纪80年代中期诞生的一门集计算机数据处理、图像显示的综合性前缘技术。它是利用三维地震数据体显示、描述和解释地下地质现象和特征的一种图像显示工具。它可使地球物理学家和地质学家“钻入”到数据体中，更深刻地理解各种地质现象的发生、发展和相互之间的联系。 7.1 三维可视化技术概述 可视化技术是把描述物理现象的数据转化为图形、图像，并运用颜色、透视、动画和观察视点的实时改变等视觉表现形式，使人们能够观察到不可见的对象，洞察事物的内部结构。 可视化技术有两种基本类型：基于平面图的可视化(Surface Visualization)和基于数据体的可视化(Volume Visualization)，也称为层面可视化和体可视化。 层面可视化指的是地质层位、断层和地震剖面在三维空间的立体显示，其主要用于解释成果的检验和显示。 体可视化是通过对数据体(可以是常规地震振幅数据体，也可以是地震属性数据体，如波阻抗体或相干体)作透明度等调整，从而使数据体呈透明显示，其主要用于数据体的显示和全三维解释。 在体可视化解释中，常用技术有5种：体元自动追踪技术、锁定层位可视化技术、锁定时窗可视化技术、垂直剖面叠合可视化技术和多属性可视化技术。 (1) 体元自动追踪技术 追踪过程是从解释人员定义种子体元(Seed Voxel)开始的，体元追踪是沿着真正的三维路径追踪数据体，因此追踪结果是数据体而不是层位。图7—1给出利用体元自动追踪技术解释某油田含油砂体的过程，即从油层标定、种子点拾取、体元追踪到三维显示。 (2) 锁定层位可视化技术 利用已有的层位数据(或者层位数据做定量时移)作为约束条件，将目的层段的数据从整个数据体中提取出来，然后针对层段内部数据体调整颜色、透明度和光照参数，可以更有效地圈定地质体的分布范围，更准确地判断断层的延展方向
城市基础设施三维可视化管理系统（简介） 随着全球信息化的变革，科技的不断进步，三维模拟技术的适用领域也越来越广泛。基础设施三维可视化管理系统（以下简称为可视化管理系统）是就对当前基础设施资源基础数据三维模拟的综合应用。通过可视化管理系统的建立，模拟整全城的市貌，动态生成管网三维，并通过对基础设施的管理、分析，为基础设施建设、维护、指挥决策等各方面的应用提供依据。 可视化管理系统是将基础设施平面数据的三维可视化展现，通过将平面数据以及三维数据动态的联动，增强了“所见即所得”的用户体验。可以通过属性查询来获取当前的三维信息，也可以通过三维图形获取对应的属性信息，达到真正的图文联动，“三维”和“属性”的互查；可以通过动态生产管网三维，展示当前管网的三维模拟效果，并在此基础上进行日常的测量、浏览、查询、分析等，加强了基础设施的数字化建设，为基础设施的建设、指挥决策提供了更加明了、更加形象的可视化依据。 可视化管理系统的建立是符合当前社会新潮、满足当前社会需要的新型产业软件，是三维模拟技术与数字化基础设施结合的产物，具有蓬勃的发展潜力。 一、系统目标 建立可视化管理系统时，应在基础平台选择、数据规范、应用系统的可维护性和可扩充性等方面给予全面的考虑和留有充分的余地，使之能随着前期目标的实现，有计划有步骤地开展数据搜集和建库工作，不断完善系统功能、扩大应用范围，使系统逐步演进成一个更高层次的可视化管理系统。 结合市当前规划管理的业务特征，遵循求实可行的方针，以实用性、先进性、开放性、可靠性为原则，在统一的软硬件平台上，建立起可视化管理系统，具体目标主要有：建立各种建筑物、纹理材质以及管网附属设施模型库，是动态生成三维场景必不可少的一部分；建立三维的基础地形数据库；实现动态生成管网三维并建立对应的管网数据库；建立可视化管理系统，实现对城市管网属性的查询、
淮南矿业集团顾桥矿 矿井安全生产三维可视化系统 技术协议 二零零六年七月
由顾桥矿信息管理中心牵头，矿地质测量部门、上海宝信软件股份公司及北京富力通能源软件技术有限公司参与，在顾桥矿就三维可视化与综合自动化系统集成进行了充分协商，形成如下技术协议：1.协议内容 1.地测信息系统作为三维可视化系统的有机组成部分和必需的数据 来源，三维可视化系统与地测信息系统软件通过数据库表互相共享数据库，并开放数据表格供自动化集成平台及信息系统平台使用，矿地质测量部门通过北京富力通能源软件技术有限公司的演示，认为北京富力通能源软件技术有限公司在三维可视化系统中提供的地测信息系统达不到专业化的地测信息系统的功能，建议北京富力通能源软件技术有限公司外购专业化的由北京龙软科技发展公司开发的地测信息管理系统，并负责有机的集成；北京龙软科技发展公司负责地测信息管理系统的功能实施、软件维护及系统升级，以满足顾桥矿地测部门日常地测信息管理的需求。2.上海宝信软件股份公司承包的综合自动化系统与三维可视化系统 的具体数据接口交换原则与系统调用原则：集成软件平台可以直接启动三维软件应用程序。三维显示、展示方案由三维软件负责完成，三维软件也可以独立运行；集成平台将采集的集成数据信息通过数据库的记录集（提供字段说明）共享给三维软件，三维软件负责在相应的子系统终端上显示对应的场景和数据。综合信息平台保证发送给三维软件的消息的正确性和及时性，三维软件系统保证显示和定位的准确性和时效性。三维软件需要获取的实
时监控数据，可以采用通过发送TCP/IP请求（数据包大小上限定为1024个数据）给集成平台获取数据（备选方案：三维软件需要显示实时参数时，采用分布式访问方式，直接从OPCServer中获取实时数据），数据显示和表达方式的组织工作由三维软件完成。 3.数据录入：三维可视化系统作为地测信息系统软件和集成化平台 的数据使用者，应充分有效使用地测信息系统软件和集成化平台提供的数据，测量数据库与地测数据库建立的原始数据的录入由地测信息系统软件负责，有效避免用户单一数据多次录入，具体为： ●三维可视化系统负责以下数据录入: 1)主副井、风井、巷道、硐室的数字摄像资料。 2)井巷工程造价信息。 3)各种生产与安全设备的类型、功率、工艺参数等资料。 4)安全监测系统、自动控制系统的监测点的位置、类型、报 警上下限、单位、状态、实时数据等（通过软件接口获取） ●地测信息管理系统负责以下数据录入: 1)煤层边界数据、断层数据、陷落柱、熔岩侵入、古河床冲 刷等煤层缺失数据。 2)回采工作面的资料。 3)主副井、风井、巷道、硐室的断面类型、参数等资料。 4)地质勘探的钻孔、测井资料、柱状图、各主副井、风井、 巷道、硐室的测量资料。
三维可视化技术都有哪些运用 伴随着数据在当前互联网技术迅速发展壮大下变的层面更广，总数更大、构造愈来愈繁杂，大家如果想要更加清楚，迅速的认识和了解一份数据，传统化的二维平面图数据图表现已不能够满足需求，三维可视化技术越融合多媒体技术、互联网技术及其三维镜像技术完成了数据处理的虚拟化，根据对物体展开多方位的监管，搭建根据现实的3D虚拟现实技术实际效果，让数据呈现更加直观和易于了解，现已短时间变成信息内容智能化管理的关键构成部分，被广泛运用到各制造行业中。 一、什么叫数据可视化 简便的来讲数据可视化便是依据数据的特点、特性等属性，根据图像处理等适合的方法，将数据形象化的有概念性的展现出，作用大伙儿更强的、更清楚的了解数据，把握数据中的有效信息内容。 1.数据可视化的发展壮大与运用 数据可视化并不是什么新型技术，其发展历程发源能够上溯二十世纪50年代电子计算机图形学的初期。那时候，大家就可以利用软件建立出了第一批图形图表。伴随着互联网技术、电子计算机技术和优秀人才层面的短时间发展壮大，各种各样的数据可视化呈现在大家
的眼下。伴随着近几年来大数据备受关注，互联网端数据剖析产品盛行。企业历经前些年IT 系统基本建设后累积了很多数据，包含业务流程数据、客户数据、以及他第三方数据。这种数据对公司很有使用价值，探寻和剖析的意向明显，其才被更广泛运用到每个制造行业中。 （1）数据可视化运用可分成三类： ①宏观环境形势可视化：宏观环境形势可视化就是指在特殊环境中对随时间流逝而持续转变的总体目标实体展开觉察，能够直观、灵活、真实地展现宏观环境形势，能够迅速把握某一行业的总体形势、特点。 ②机器设备模拟仿真运作可视化：根据图像、三维动漫及其电子计算机程序控制技术与三维建模相结合，完成对机器设备的可视化表述，使管理者对其所管理的机器设备有品牌形象实际的定义，对机器设备所在的部位、外观设计及全部主要参数一目了然，会大大减少管理者的劳动效率，提升管理高效率和管理水准。 ③数据分析可视化：是现阶段谈及较多的运用，广泛运用于商务智能、政府部门管理决策、公众服务、网络营销这些行业。凭借可视化的数据数据图表，能够很清楚合理的传递与沟通交流信息内容。 2.数据可视化的发展趋向
三维管线管理系统 三维管线管理系统(CGPMS)是基于CG-CUBEGIS平台上开发的一个专门针对三维 地下管线的管理系统软件，帮助用户对综合管线以标准化的方式进行管理，并提 供丰富强大的各类查询、统计和辅助分析等功能。 ??西戈三维管线管理系统(CGPMS) 西戈三维管线管理系统(CGPMS)是基于CG-CUBEGIS平台上开发的一个专门针对三维地下综合管线的管理系统软件，结合地理信息系统（GIS）技术、数据库技术和三维技术，直观显示地下管线的空间层次和位置，以仿真方式形象展现地下管线的埋深、材质、形状、走向以及工井结构和周边环境。 与以往的管线平面图相比，极大地方便了排管、工井占用情况、位置等信息的查找，帮助用户对综合管线以标准化的方式进行管理，并提供丰富强大的各类查询、统计和辅助分析等功能。为今后地下管线资源的统筹利用和科学布局、管线占用审批等工作提供了准确、直观、高效的参考。 可支持《城市地下管线探测技术规程CJJ61-2003》标准管线探测成果数据导入并自动生成三维管线模型； 可支持SHP等矢量管线数据导入并自动生成三维管线模型； 可实现各种大地平面坐标系与WGS84经纬度坐标系的投影转换，并可随意切换各种坐标系进行查询定位等操作； 提供CJJ61-2003标准中的近百种附属物管线点的三维化符号库； 支持管道类型分图层管理和可视化选择查询； 支持任意位置的横纵断、剖面查询； 可在任意位置进行地形开挖、场景剪切等特殊展示； 可对管线对象的所在区域、管径、埋深、长度、及各种属性与空间信息进行查询； 可对管线对象以管径信息、埋深信息及各类属性信息进行统计并形成汇总报表； 可支持断面分析、净距分析，碰撞分析、联通性分析、爆管分析等各种分析功能； 可支持以所见即所得的可视化方式对管线对象进行新增、修改删除等编辑操作； 支持各种测量和扯旗标注等功能； 对用户的各种管线数据维护等操作的日志记录进行查询和管理； 可支持二三维风格切换显示； 可支持CS和 BS两种模式的部署和使用；
三维可视化应急预案系统 三维可视化应急预案系统是针对传统文本式预案的不足而研发的一款可视化的应急预案系统。传统文本式预案，注重的是各部门职责范围的描述，以及应急资源的信息，缺少一种有效的手段可以描述事故发生时，各部门如何履行各自的职责。三维可视化预案系统就是针对这种问题，对预案的执行过程进行可视化制作，既可以对预案相关人员进行培训，也可以更好的检验预案的可行性。 传统文本预案的缺陷 ?预案中信息量小、无法包含明确的应急处置环境信息。 ?预案中缺乏事件、时间、角色间关系的明确逻辑定义。 ?应急处置过程某些细节环节可行性无法验证。 ?预案内容不容易传递和推广。 ?由于环境条件限制、很难开展有效的模拟演练。 三维可视化应急预案的优势 ?预案中包含了明确的二、三维应急处置空间环境及场景信息。 ?清晰的组织结构、岗位责任逻辑关系及时间事件演变关系。 ?直观的处置细节可视化描述。 ?可以推演、容易传播、方便理解，可以直接用于模拟演练。 系统功能 文本预案智能提取
系统可以从原有标准化文本式预案中自动提取应急资源、装备工具、组织机构等信息，作为预案的辅助查询内容。 预案流程编制 通过以事件为驱动的各种环节配置，以流程图的方式把预案进行细部分解，制定有针对性的预案应急响应逻辑结构。 预案细节可视化编辑 提供可视化预案细节编辑工具，以时间轴为基础，添加各种元素，形成可视化的预案展现。推演评估 制作完成的预案，可以随时进行可行性推演与播放，并支持对每个环节的执行情况进行评估和总结。 三维可视化应急预案系统是大连伟岸纵横为安监、消防、公安、危化企业应急部门提供的可靠有效的三维可视化预案系统。
医学图像的三维重建及可视化技术的进展随着20世纪七十年代计算机断层技术（Computerized Tomography, CT）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等医学影像技术的应用，可以得到病人病变部位的一组二维断层图像，通过这些二维断层图像医生可以对病变部位进行分析，从而使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。 但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像，二维断层图像只是表达某一界面的解剖信息，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶及其周围组织的三维几何关系，这就给治疗带来了困难。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，也不能给出准确的三维影像，造成病变定位的失真和畸变。 三维重建及可视化技术利用一系列的二维图像重建为具有直观、立体效果三维图像模型，并进行定性、定量分析。该技术不仅给医生提供了具有真实感的三维图形，并让医生从任意角度观察图像，还可以从二维图像中获取三维结构信息，提供很多用传统手段无法获得的解剖结构信息，帮助医生对病变体和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时，三维重建及可视化技术还在矫形手术、放射治疗、手术规划及模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用。 本文首先介绍了医学图像三维重建的几种经典方法，以对该技术有个总体性的大致的了解；然后结合相关文献，深入研究了一个改进的MC（Marching Cubes）算法以及基于寰椎的X线图像的三维形态重建。 一、医学图像的三维重建的几种常见方法 目前，医学图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为基于表面的面绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法，又称直接体绘制方法。其中面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取，并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。近来，产生了结合面绘制和体绘制两者特点的混合绘制方法，可以称为第三类三维重建方法。
城市三维地下管线 管理系统
城市三维地下管线管理系统 一、城市地下管线 城市管网是城市最重要的公共基础设施之一，与城市的发展和居民的日常生活息息相关。根据不同的市政建设，管网分为供水、排水、通信、电力等多种类别，其分布也遍及地下、空中、水下等。城市地下管线是城市建设的重要内容和城市生存和发展的生命线。具有规模大、范围广、管线种类繁多、空间分布复杂、变化大、增长速度快、形成时间长等特点。触及城市的各个角落，与人民生活息息相关。 当今的城市中布满了各种各样的管线，类似于以前手工的管理模式和管理手段已无法满足“合理规划、科学管理、优质服务”的要求。对于突发事故的应变能力和处理效率难以适应企业集团高速发展的需求，各级管线管理单位需要一种更为方便、及时的方式，来管理自来水、供暖、排污、燃气、电信信号等管线资源——管线系统，要求科学管理管网资源及相关的管网信息，实现整个管网的协调与统一。同时各种综合信息，如工程报表、维修维护信息等也需要以管网信息为依据，要做到科学化管理。 传统的二维GIS方式管理管网，总是受到平面显示范围的限制，无法从纵深上直观反映管网间真实的空间位置，难以对大量的管线信息进行有效的描述和表示。管线三维模型能直观地描述管线的三维特征及管线间的空间关系，能真实地反映地下管线的空间分布状况。
城市三维地下管线管理系统是以计算机网络为载体，GIS软件为平台的应用型技术系统，整合城市地下综合管线数据资源，实现了地下管线的三维可视化管理、存储、查询、分析、定位等功能，形成了一套完善的城市地下综合管线数据资源管理数字化、可视化的三维管线系统。管线采用二三维一体化的设计方式，平面视图管线表现为二维方式，转换视角，管线表现为三维方式，能够直观查看管线与周围地形、地物、建构筑物的关系。由于其精确性、真实性和无限的可操作性，能够大大提高对管线信息的理解、认识、定位、判断、利用。能够提供包含基本的空间查询、属性查询、空间统计服务，基于管线数据的空间分析服务。三维管线是普通管线系统平台的高端形式，更直观、更立体地展现管线现状。可快速导入三维模型数据，包括基础底图的三维模型和管线三维模型，显示叠加后的效果；导入二维矢量图层，系统可自动将二维渲染成三维模型。三维效果让管线显示更加直观，实现对地下管线不同角度的查看。 当前，许多科技型企业着力研究最新的三维GIS技术，拓展其在管网行业中应用。不但实现了将三维可视化技术应用到管网的展示中，更以创新的思维和手段实现了二维与三维联动展示与编辑的应用，真正满足了对管网真实高效地管理和直观便捷地维护的要求。三维GIS技术已在自来水、通信行业中应用到具体的业务部门中，为管网的管理应用提供了很好的案例。 表.1国内应用城市三维地下管线管理系统的城市信息表