城市地下管線三維快速建模技術(shù)研究及應(yīng)用

羅凌燕，賀軍政，李育東

(深圳市勘察測(cè)繪院有限公司，廣東深圳518028)

城市地下管線三維快速建模技術(shù)研究及應(yīng)用

羅凌燕，賀軍政，李育東

(深圳市勘察測(cè)繪院有限公司，廣東深圳518028)

隨著城市建設(shè)的日新月異，地下管線空間分布越來(lái)越復(fù)雜，地下管線探測(cè)成果的二維圖形已無(wú)法表達(dá)管線之間的復(fù)雜空間關(guān)系，而三維管線的直觀明了正好可以彌補(bǔ)二維成果的不足。在此背景下，提出在AutoCAD平臺(tái)下利用其自身的三維模塊，通過(guò)二次開發(fā)進(jìn)行三維地下管線快速建模研究。并將開發(fā)成果應(yīng)用于地鐵建設(shè)工程，取得較好的實(shí)用效果。

三維快速建模;地下管線;AutoCAD;二次開發(fā)

一、引 言

地下管線是城市地下的重要工程建筑物，是保證城市順暢運(yùn)行的生命線。隨著城市建設(shè)的日新月異，地下管線的空間分布越來(lái)越復(fù)雜，二維地下管線探測(cè)圖形成果已無(wú)法表達(dá)管線之間的復(fù)雜的空間層次關(guān)系，特別是對(duì)于地下空間上下垂直分布管線，在平面圖上只能以一個(gè)點(diǎn)或重疊線或相交線及相應(yīng)注記來(lái)表示，從而失去了其在地下的真實(shí)位置，造成施工設(shè)計(jì)上的錯(cuò)覺。而三維管線的直觀、明了即可以解決這個(gè)問(wèn)題，因此對(duì)地下管線探測(cè)成果的三維顯示研究已勢(shì)在必行。

二、地下管線三維建模研究現(xiàn)狀

三維建模的手段很多，比較成熟的軟件及專業(yè)模塊也較多，如3ds Max，Pro/Engineer、UG、Solidworks、CAXA等，對(duì)于形狀復(fù)雜的實(shí)體構(gòu)建、設(shè)計(jì)效果也非常好，但是成本較高，且不容易掌握，對(duì)地下管線探測(cè)適用性不高。地下管線探測(cè)成果的三維顯示主要用于檢查成果質(zhì)量，以提高作業(yè)精度，對(duì)于細(xì)節(jié)的處理要求不如設(shè)計(jì)高，其主要功能是二維平面結(jié)果的快速轉(zhuǎn)化及復(fù)雜管線的空間立體顯示。針對(duì)地下管線探測(cè)作業(yè)的特殊性，選擇工程技術(shù)人員普遍使用的AutoCAD自身的三維模塊進(jìn)行二次開發(fā)，可以快速實(shí)現(xiàn)管線的三維建模并取得較好的效果。

三、地下管線三維快速建模

1.地下管線三維數(shù)據(jù)建庫(kù)

根據(jù)規(guī)程，管線探測(cè)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)查明各種地下管線的敷設(shè)狀況即管線在地面上的投影位置和埋深，實(shí)地探查的項(xiàng)目如表1所示。

表1 地下管線實(shí)地調(diào)查項(xiàng)目表

圖1 地下管線三維數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)圖

2.地下管線三維實(shí)體簡(jiǎn)化

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)表的分析發(fā)現(xiàn)，地下管線三維建模并不需要太多細(xì)節(jié)，而且模型相對(duì)比較規(guī)則，因此在CAD平臺(tái)下即可實(shí)現(xiàn)地下管線三維實(shí)體簡(jiǎn)化并快速建模。

建模過(guò)程主要包括管點(diǎn)建模和管線建模。

1)管點(diǎn)建模數(shù)據(jù)：管點(diǎn)的三維坐標(biāo)、附屬物、井深、井徑。根據(jù)實(shí)地調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，管點(diǎn)建模主要對(duì)明顯點(diǎn)的圓形井和方形井的建模，相應(yīng)實(shí)體為圓柱體和長(zhǎng)方體。

2)管線建模：管線起點(diǎn)和終點(diǎn)的三維坐標(biāo)和埋深，管段的尺寸大小，管段的埋設(shè)方式。管線建模主要是對(duì)圓形管道、方形管塊、方形管溝的建模，相應(yīng)實(shí)體為圓柱體和長(zhǎng)方體。

3.地下管線三維實(shí)體實(shí)現(xiàn)

地下管線三維建模的核心是要真實(shí)反映地下管線在空間的位置，在AutoCAD中繪制二維管線圖非常方便，若在AutoCAD里繪制三維管道，則只能在XOY平面上繪制管道的斷面圖，然后進(jìn)行拉伸。這也是AutoCAD三維建模的局限性，但并不影響對(duì)地下管線三維圖形的開發(fā)。若要得到與XOY平面成任意角度的結(jié)果，可先拉伸出管道，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移等3步將管道旋轉(zhuǎn)到實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)二維到三維的快速轉(zhuǎn)化。

1)繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(θ－π/2)至ZOY平面(如圖2所示)。

探測(cè)完成后應(yīng)對(duì)地下管線數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫(kù)，以便管理和應(yīng)用。根據(jù)筆者所在公司自行研發(fā)的易管網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括管點(diǎn)和管線兩張表，設(shè)計(jì)視圖如圖1所示。

圖2

2)繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ至與原位置平行(如圖3所示)。

圖3

3)從原點(diǎn)平移至原位置(如圖4所示)。

圖4

通過(guò)3步變換即可將垂直于XOY平面的三維實(shí)體還原到三維空間的實(shí)際位置。

設(shè)P1、P2兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)，則

四、地下管線三維快速建模技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)地下管線三維建模原理，通過(guò)C#對(duì)Auto-CAD的二次開發(fā)即可快速實(shí)現(xiàn)二維地下管線成果到三維的轉(zhuǎn)化。運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 地下管線三維快速建模程序應(yīng)用界面

通過(guò)對(duì)深圳市軌道交通6號(hào)線地下管線探測(cè)工程約80 km綜合管線的應(yīng)用，二維圖與三維圖的生成時(shí)間對(duì)比如圖6所示。圖6(a)為三維管線，形成時(shí)間54 s;圖6(b)為二維平面管線，形成時(shí)間44 s，與二維管線形成時(shí)間相差僅10 s，效果令人滿意，真正實(shí)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)換。

圖6 二維與三維圖形生成時(shí)間對(duì)比圖

通過(guò)二維與三維對(duì)比檢查(如圖7所示)可以發(fā)現(xiàn)，野外作業(yè)中管線是否碰觸，空間分布是否合理，都影響著野外作業(yè)和成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖7 二維與三維對(duì)比檢查圖

五、結(jié)束語(yǔ)

本文以AutoCAD為圖形處理平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言對(duì)CAD自身的三維模塊進(jìn)行二次開發(fā)，得到三維管線快速建模程序。使綜合管線探測(cè)的二維和三維成果在CAD系統(tǒng)里得到了充分的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從二維成果到三維成果的快速轉(zhuǎn)化，兩者相得益彰，使地下管線探測(cè)成果更真實(shí)準(zhǔn)確地反映地下管線的空間和平面分布，從而給管道鋪設(shè)在設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了很大的方便。本研究成果不僅對(duì)管線成果檢查具有普遍意義，而且還是對(duì)探測(cè)成果的有效補(bǔ)充。目前，本研究的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在地鐵建設(shè)工程管線詳查中得到了應(yīng)用，并取得了較好的實(shí)用效果。

地下管線三維建模的手段很多，本文只是在工程領(lǐng)域普遍熟悉的AutoCAD平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)，簡(jiǎn)單、易用，對(duì)硬件要求低，大大提高了所建模型在工程案例中的實(shí)用性。由于AutoCAD平臺(tái)自身三維功能的限制，在畫面的細(xì)節(jié)及美觀性方面有所不足，有待在以后的研究中作進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ 61—2003/J 271—2003城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］ 李清泉，嚴(yán)勇，楊必勝，等.地下管線三維管線的可視化研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003，28(3)：277-282.

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［5］ 張文元，付仲良.基于 ArcGIS Engine的綜合管線三維可視化研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(8)：28-31.

［6］ 朱國(guó)敏，馬照亭，孫隆祥，等.城市三維地理信息系統(tǒng)中三維模型的快速構(gòu)建方法［J］.地理與地理信息科學(xué)，2007，23(4)：29-32.

Research and Application of 3D Fast Modeling Technology for Underground Pipeline in City

LUO Lingyan，HE Junzheng，LI Yudong

0494-0911(2012)09-0087-03

P208

B

2011-09-05

羅凌燕(1982—)，女，湖南祁東人，工程師，主要從事工程測(cè)量、地下管線及GIS開發(fā)等工作。