基于數字化管道平臺的大中型穿越三維演示模塊化設計

劉瑞凱 劉志田 張 迪

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062550)

為了解決我國經濟持續快速增長和能源供應之間的矛盾，未來幾年將修建長約20 000km的原油和天然氣的輸送管道[1]。隨著計算機和地理信息技術的發展，長輸油氣管道數字化建設逐漸成為現代化管道建設的重要方向[2，3]，數字化管道在確定油氣長輸管道最優路由、資源優化配置及管道風險預測等管道運營與管理工作中將發揮重要作用，而數字化管道平臺的設計使用將成為長輸油氣管道工程建設的重要任務。

數字化管道平臺是基于遙感(RS)、全球定位系統(GPS)、監控和數據采集系統(SCADA)、地理信息系統(GIS)、計算機網絡及多媒體技術等技術[4，5]，對管道資源、環境、社會及經濟等復雜系統的數字化、數字整和及仿真等信息集成的應用系統。數字化管道平臺界面友好，可視化程度高，為管道運營和管理提供決策支持和服務。數字化管道平臺包括管道以及周邊地區資料的數字化、網絡化、智能化和可視化的過程，而大中型穿越工程作為線路設計中重要的控制性工程，對線路的整體走向和工程投資會產生重要的影響。開發基于數字化管道平臺的大中型穿越模塊，可以幫助管道設計人員優化穿越設計方案，同時在各類匯報中提供直觀形象的穿越方案斷面、側面、平面圖和重要穿越方案的穿越過程動畫演示效果。該模塊的設計可以使得各類匯報更加直觀形象，并提高匯報的效率。

1 大中型穿越演示模塊功能簡介①

長輸管線大中型穿越三維可視化模塊的設計需考慮河流、公路及鐵路等大中型油氣管道穿越及其附屬物(包括管道、兩岸穿越處房屋及植被等)三維模型的建立方法，以及系統的各項功能。大中型穿越三維可視化的系統模塊包括但不限于以下功能：

a. 根據管線平面圖快速建立管線的三維實體模型，包括管線的管徑及顏色等信息；

b. 將管線周邊的地形圖和地質測量數據處理后加載到三維系統中進行疊加顯示，顯示管線周邊的精細地形和地層情況；

c. 支持對植被區域及房屋等建筑物占地區域、標志樁、里程樁、警示牌及閥室等地面附著物的標注進行三維可視化管理和屬性信息管理；

d. 穿越模型三維可視化，對河流、鐵路和高速公路穿越效果進行展示，可查看管線經過該區域的穿越斷面圖，圖中包括地層及管線等信息；

e. 隧道模型三維可視化，能對管線經過山區、丘陵和隧道時的效果進行三維可視化展示，用戶可以查看管線經過隧道的斷面圖，圖中包括山坡的信息、地層信息及管線信息等；

f. 導出穿越展示圖片等，并具有對穿越展示圖片編輯及標注等基本功能，該模塊具有錄制并導出演示動畫(AVI及MP4等格式)的功能；

g. 對管系的基本工程量進行計算和統計。

大中型穿越模塊化設計的最終目標是根據建模方法和技術，依據管線平面及縱斷面等基礎數據，快速建立河流、公路及鐵路等大中型穿越與附屬設施的三維實體模型，并通過參數化設計，實現大中型穿越工程模型的三維可視化。成熟的大中型穿越演示模塊化設計系統能在考慮穿越相關規范的前提下，穿越河流、鐵路及高速公路等，根據地面坡度、植被、地質、地區規劃、壓覆礦產情況、環境影響評價、資源整合情況、區域市場競爭及管線分布密度等，對大中型穿越管線進行優化設計(如定向鉆最短最優穿越長度的優化)，對穿越的優、缺點進行對比選擇羅列等。

2 大中型穿越模塊實現的基礎與原理

2.1 基礎原理

2.1.1數字化管道平臺三維可視化基礎介紹

在數字化管道平臺的三維可視化模型研究中，通常以高質量的數字高程模型(DEM)和高逼真度的三維顯示技術為基礎。DEM生成的質量對地形三維可視化效果有著不容忽視的影響；而影響質量的關鍵是生成DEM的算法。在地理信息系統中，DEM主要有3種表示模型：規則格網模型(Grid)、等高線模型和不規則三角網模型(TIN)，常用表示形式為TIN。生成DEM的數據通常由測量和地質專業人員提供矢量化的等高線和其他特征點、線數據或直接以從各類矢量數據庫中取出的等高線矢量數據為主要數據源。對于離散點轉換成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分法，但該模型較為復雜。目前TIN模型的簡化算法——層次細節模型技術(LOD)應用較廣泛[6]。

2.1.2大中型穿越演示模型與地形模型的拼接

在大中型穿越三維可視化模塊中，為了使管道大中型穿越有較好的三維效果，往往把穿越模型與地形模型進行很好的拼合，以提高整個三維場景的視感[7，8]。但高速模型和大中型穿越模型本身與地形模型均為由三角網格構成的面模型，其拼接會出現裂痕，影響視感。

根據高速模型與地形模型拼接的設計，將地形數據加以組織，利用三角形所在的地形拓撲關系，將地形劃分為一定比例的方形網塊，通過所在的位置檢索出相應的所在地形的網塊；提取大中型穿越邊界點后，通過掃描地形內的所有三角形以確定查找點是否在三角形內；以約束邊為起點，查找終點所在的約束邊是否為多邊形的最后一條邊，在三角形網格中嵌入約束多邊形；之后，利用三角形的拓撲結構查找出約束多邊形內的三角形，將約束多邊形內的三角形刪除，這樣即可實現大中型穿越模型與地形模型的無縫拼接。

2.2 場景的三維可視化技術

利用DEM數據、影像數據和三維模型數據，虛擬出大中型管道穿越處場景大中型穿越的系統模型，通過紋理映射到模型上的方式實現三維可視化，為用戶提供直觀逼真的場景顯示效果。

2.3 管道與三維場景的交互編輯技術

管道大中型穿越設計是反復優化的過程，因此需要管道與地面障礙物和地物特征有較強的交互性。三維交互式編輯技術是將三維場景中的模型與其屬性數據庫掛鉤，通過數據庫列表外鍵與管道穿越和穿越場景中的相關模型建立關聯，使用戶在查看三維模型的同時也可以對該模型進行信息查看、編輯及修改等操作，如在修改穿越處的沖刷深度后，系統便可以自動對管道最小埋深進行優化設計。信息編輯可以通過兩個途徑實現：在屬性數據庫中通過修改數據直接修改模型信息，或在平臺中重新載入模型后實現模型信息編輯。

2.4 三維渲染方法

三維渲染方法包括設計獨立渲染引擎和引入3ds Max中進行渲染兩種方法，具體如下：

a. 設計獨立渲染引擎。可以以數字化管道平臺三維模塊化功能為基礎，設計獨立三維渲染引擎，將各個獨立的模型構建加入引擎，確保實時連續的視感。

b. 引入3ds Max中進行渲染。在工程設計領域，3ds Max等非專業地形建模軟件有良好的渲染效果，而專業GIS建模軟件(如MapGIS、ArcGIS及GlobalMapper等)的三維地形精度較高。利用ArcGIS專業軟件制作三維地形模型，并將模型在3ds Max中顯示[9]。實踐證明，這種方法的實現為用戶的工作提供了極大的便利，因此可以考慮在3ds Max中完成大中型穿越演示模塊的場景渲染任務。

3 大中型穿越模塊

3.1 模塊的三維模型結構

基于數字化管道地理信息系統平臺的大中型穿越演示模塊包括：數據管理、數據前處理、三維可視化和虛擬漫游。數據前處理模塊負責接收地質和測量專業反饋的航拍圖和二維斷面圖，并進行必要的柵格化轉換，將數據處理為三維模塊能識別的數據。數據管理主要是對轉換處理完成的數據、管道模型和各類三維模型的屬性數據進行存儲與查詢。各部分的具體功能如圖1所示。

圖1 大中型穿越模塊層次結構及其功能

3.2 三維模型效果

大中型穿越三維可視化系統模塊的設計，旨在把管道穿越位置的結構和空間展布直觀清楚地顯示出來，對其進行旋轉及虛擬漫游等操作，動態地研究穿越內部的細節。它能夠提供逼真的三維動態顯示效果，使不熟悉本工程細節和地質結構的評審專家對管道與地質和地理環境空間關系有直觀的認識。同時能夠幫助設計者對穿越方案進行完善。大中型穿越三維可視化模塊不僅要實現三維建模的目的，還要對植被區域及房屋等建筑物占地區域、標志樁、里程樁、警示牌及閥室等地面附著物等標注進行三維可視化管理和屬性信息管理；對河流、鐵路、高速公路和隧道的穿越效果進行展示(圖2)，可以查看管線經過該區域的穿越斷面圖，同時具有對穿越展示圖片的編輯及標注等基本功能。

3.3 模型的建立步驟

大中型穿越三維模型的構建包括：數據讀取、建立組成部分的模型和可視化貼圖過程，具體步驟如下：

a. 讀取穿越平面和縱斷面的設計數據。系統能夠識別通過測量出圖軟件和線路縱斷面軟件輸出的數據，數據包括穿越設計平面和縱斷面的數據。

b. 建立各層次結構的三維模型。需分別建立模型的組成部分，穿越河流時的管道、河流、河流兩岸地貌、房屋、植被及其他地面附著物等；穿越高等級公路時的管道、道路路肩、路邊溝、路基面、路堤及邊坡路兩側典型地面附著物等；穿越鐵路時的路邊溝、路肩、鐵路軌道及鐵路兩側地面的附著物等；隧道方式穿越三維模擬模型需先建立地形、洞口及洞身等的實體模型，實現洞口與洞身的開挖過程可建立上述所需的隧道洞口及洞身等主體結構的三維實體模型[10]。

c. 紋理貼圖與渲染。每一部分的模型構建好之后，采用紋理映射方式進一步完善。通過紋理貼圖技術為用戶提供更加真實的三維場景。

3.4 管道環境模型的建立和三維可視化

管道工程中，環境模型設計主要包括附屬設施(如警示牌、里程樁及標志樁等)，房屋和植被，穿越位置斷面兩側的景觀及天空紋理等的設計。

河流兩岸地表上的房屋與植被對大中型穿越線路的局部走向和三維場景的設計影響比較大。房屋可用連續幾何體模擬其尺寸，但樹木和花草的靜態形體較為復雜，在需要模擬植被比較密的地區需要繪制的三角形數量龐大，這需要較強的硬件條件支持并利用公告板等新技術進行繪制。

河流、公路和鐵路穿越斷面景觀設計是大中型穿越三維模塊化設計系統的重要部分，在完成地形和管道模型的創建后，通過對河流兩岸、公路和鐵路兩側景觀的設計，模擬出穿越斷面兩側的視景整體效果，且利于工程建設的環境影響評價。

圖2 穿越動畫演示效果

為使三維場景更加真實，在設計大中型穿越模塊時，還考慮了天空環境的渲染，利用不同的天空紋理圖片來表達不同的天空背景。

4 結束語

以LOD地形數據簡化理論為主的基礎理論，探討包括管道大中型穿越模型、隧道模型、房屋和植被模型以及三樁模型等具體模型的創建方法與三維可視化的實現，對圖像的場景環境的渲染方法進行說明。通過對大中型管道穿越演示模塊三維模型結構的探討和大中型穿越模型的重要附屬設施房屋植被和環境設計的研究，實現了大中型穿越演示模塊的設計。測試結果表明，大中型穿越模塊化設計是可行的，建立基于數字化管道平臺的大中型穿越演示模塊將為各類匯報提供直觀形象的穿越方案，提高匯報效率，改善匯報效果。