一種基于AutoCAD的管線三維建模方法研究

張 弓，鄭文青，李玉芳，盧云萍

（1. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 710054；2. 石家莊市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050011）

一種基于AutoCAD的管線三維建模方法研究

張 弓1，鄭文青1，李玉芳1，盧云萍2

（1. 西安煤航信息產(chǎn)業(yè)有限公司，陜西 西安 710054；2. 石家莊市勘察測繪設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050011）

在分析當(dāng)前管線三維可視化方法在管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出一種在AutoCAD下進(jìn)行三維管線建模的方法及流程。以管線工程中的碰撞分析為例，對本研究方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

管線；三維建模；AutoCAD

地下管線普查中內(nèi)業(yè)成圖階段的數(shù)據(jù)處理、編輯、成圖以及作為主要成果資料提交的管線圖數(shù)據(jù)通常是在AtuoCAD的二維平面工作空間完成的[1]。然而，管線作為一種真實(shí)存在的三維地理實(shí)體，表現(xiàn)出的與地面之間的高低層次關(guān)系及與其他管線之間的連接交錯(cuò)關(guān)系，并不是二維平面能完整反映出來的。如果能夠?qū)崿F(xiàn)平面二維數(shù)據(jù)向三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，讓用戶選擇感興趣的平面區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)的管線進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬顯示，將能較好地解決以上問題[2-6]。本文以管線普查中的通用圖形處理軟件AutoCAD為平臺(tái)，對管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的三維可視化方法做了一些嘗試性研究，初步實(shí)現(xiàn)了二維管線圖平面直接到三維管線的動(dòng)態(tài)模擬顯示與交互。

1 問題的提出

二維管線圖（圖1a）在一定程度上能提供直觀的管線走向、分布等平面信息，并能結(jié)合管線表（圖1b）了解到管線的埋深、規(guī)格等高程信息。但埋深、規(guī)格等屬性作為表現(xiàn)管線空間三維信息的重要組成部分，僅依靠文字性描述是不充分的。雖然有的管線圖附加了一定的諸如線屬性標(biāo)注或線扯旗標(biāo)注來對空間信息進(jìn)行補(bǔ)充，但依舊會(huì)造成三維管線信息的不完整。圖2列舉了幾種二維管線圖在表達(dá)三維空間信息中產(chǎn)生的歧義現(xiàn)象，每幅圖左側(cè)表示頂視圖（二維管線圖視角），右側(cè)表示前視圖（三維空間視角），不同顏色表示不同類型管線，虛線表示可能造成的表達(dá)歧義。

圖1 管線普查工程中的管線圖與管線表

圖2 二維管線圖表達(dá)三維管線實(shí)體產(chǎn)生的歧義現(xiàn)象

AutoCAD軟件提供了強(qiáng)大的三維繪圖功能。如果能利用AutoCAD這一通用管線數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，在傳統(tǒng)二維平面管線圖的基礎(chǔ)上，讓用戶對二維圖形無法表現(xiàn)到位的區(qū)域進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬，將能很好地解決上述問題。

2 基于AutoCAD的管線三維建模

AutoCAD下管線三維建模的方式類似沿路徑放樣，是將一個(gè)二維截面（即管線斷面）沿某個(gè)路徑（即管線矢量）掃描形成三維對象的過程，如圖3。

圖3 AutoCAD建立三維管線模型的一般流程

2.1 建立UCS坐標(biāo)系

為適應(yīng)繪圖需要，AutoCAD允許用戶在世界坐標(biāo)系基礎(chǔ)上定義用戶坐標(biāo)系（UCS）。UCS的坐標(biāo)軸方向按照右手法則定義，如圖4。

圖4 UCS中的右手定則

建立UCS坐標(biāo)系的關(guān)鍵是確定管線矢量。首先通過ADO．NET訪問管線成果數(shù)據(jù)庫中的管點(diǎn)信息表、管線信息表（表1、表2）獲取基本數(shù)據(jù)，再對管點(diǎn)空間數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理，由地面高程、起終點(diǎn)埋深可以求得每個(gè)管點(diǎn)的絕對高程z，加上平面坐標(biāo)（x，y） ,構(gòu)成管線中心線的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，該坐標(biāo)和斷面尺寸作為管線的起算數(shù)據(jù)。

表1 管點(diǎn)信息表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 管線信息表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

對于每段管線來說，由于其高低、走向都不盡相同，需要為每段管線建立便于自身建模的UCS坐標(biāo)系。如圖5，已知首尾相連的兩段管線l1、l2由3個(gè)管線點(diǎn)P0、P1、P2組成，以右手定則分別構(gòu)建以管線起點(diǎn)為原點(diǎn)（即P1、P2）、起點(diǎn)切線方向?yàn)閆軸矢量（即、）的用戶坐標(biāo)系統(tǒng)U1、U2。設(shè)P0坐標(biāo)為（x0, y0, z0），P1坐標(biāo)為（x1, y1, z1），設(shè)M（x, y, z）為U1坐標(biāo)系下X、Y軸所構(gòu)成平面內(nèi)的任意一點(diǎn)，其平面方程可表示為，由可求得方程各項(xiàng)系數(shù)，其他各段管線組成的UCS坐標(biāo)系可依次按此建立。

圖5 利用右手定則建立的UCS

2.2 構(gòu)造管線截面

由截面沿路徑建模最基本的要求是截面的法線方向與路徑起點(diǎn)的切線方向相同，同時(shí)路徑起點(diǎn)位于截面所在的平面上。建立管段的UCS坐標(biāo)系后，路徑即為坐標(biāo)系Z軸方向，在該坐標(biāo)系X軸與Y軸構(gòu)成的平面進(jìn)行截面輪廓的構(gòu)造。本文重點(diǎn)考慮地下管線工程中常見的圓管型管道和方溝型管道兩種情況。

圓管型截面是以用戶坐標(biāo)系U的原點(diǎn)O為圓心、圓管尺寸為半徑R形成的圓形構(gòu)造，此時(shí)O與O’重合；方溝型管道是以長邊平行Y軸、短邊平行X軸形成的矩形構(gòu)造，由于矩形截面中心O’未對齊原點(diǎn)O，需要作一次平移變換，同時(shí)由于方溝型管道徑向指向與Z軸存在不一致的情況，需要進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)變換。如圖6，設(shè)坐標(biāo)中心 所在的多邊形上任意一點(diǎn)坐標(biāo)為（x, y, z），經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)變換后對應(yīng)的坐標(biāo)為（X, Y, Z），其關(guān)系可用式（1）描述，其中cosXx表示X軸與x軸之間的方向余弦，其他依次類推，平移量（x0, y0,z0）就是中心點(diǎn)O’到O的偏移量。

圖6 構(gòu)造圓形管道及方溝的截面

2.3 拉伸建模

拉伸建模是通過拉伸現(xiàn)有二維截面來創(chuàng)建三維實(shí)體原型，其中要拉伸的二維截面可以是封閉多段線、多邊形、圓、封閉樣條曲線等，而拉伸過程可以按一定高度拉伸為實(shí)體模型，也可以基于指定曲線對象的拉伸路徑。由于2．2節(jié)中構(gòu)造的截面已經(jīng)統(tǒng)一于管段方向所在的UCS坐標(biāo)系統(tǒng)，因此只需將截面按照向量進(jìn)行指定高度拉伸，即可完成三維管線實(shí)體的建立。拉伸實(shí)體始于剖面所在的平面，止于在路徑端點(diǎn)處與路徑垂直的平面。如圖7所示，可以把選定的二維對象如圖7a按一定高度拉伸成如圖7b所示的三維實(shí)體模型，最終三維管線模型如圖8所示。

圖7 不同截面的拉伸建模效果

圖8 AutoCAD下最終的三維管線模型

2.4 消隱控制及碰撞分析

AutoCAD構(gòu)造三維模型的方法有3種，即線框建模、表面建模和實(shí)體建模。其中實(shí)體建模具有體的特征，能顯示實(shí)體形狀，給人以真實(shí)的空間感，并能通過布爾運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)兩實(shí)體的并交操作。計(jì)算機(jī)中的三維模型總是以線條來顯示的，物體不同部分的線條實(shí)際是有前后關(guān)系的。消隱就是根據(jù)三維圖形對象的顯示位置、計(jì)算圖形線條的前后遮擋關(guān)系，消除隱藏線，以便更加真實(shí)地顯示圖形。

運(yùn)用實(shí)體建模的這一特性并結(jié)合消隱控制后，便可解決第1節(jié)所提到的4類問題。圖9分別以三維線框模式、三維實(shí)體模式展示了利用實(shí)體間的干涉分析計(jì)算管線工程中的碰撞問題，圖9a中紅色部分即為管線沖突碰撞部分。

圖9 AutoCAD下的三維管線碰撞檢測

[1] 李學(xué)軍． 我國城市地下管線信息化發(fā)展與展望[J]．城市勘測，2008(1)：5-10

[2] 劉濤，王偉，劉洋． 地下管線2維到3維的動(dòng)態(tài)模擬顯示與交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．測繪通報(bào)，2005(8)：49-52

[3] 朱合華，吳江斌． 管線三維可視化建模[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005,1(1)：30-33

[4] 杜國明，龔健雅，熊漢江，等． 城市三維管網(wǎng)的可視化及其系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)[J]． 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2002,27(5):534-537

[5] 李清泉，嚴(yán)勇，楊必勝，等． 地下管線的三維可視化研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003,28(3):277-281

[6] 王琦，宋春鳳，董春華． 基于OpenGL的3維彎管線的銜接方法[J]．測繪科學(xué)，2008,33(4)：151-153

[7] 吳春燕，陳兵． AutoCAD的三維設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(7)：79-80

P208

B

1672-4623（2014）06-0153-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.06.054

張弓，碩士，研究方向?yàn)榈叵鹿芫W(wǎng)探測及管網(wǎng)信息化建設(shè)。

2013-06-17。