一种基于AutoCAD的管线三维建模方法研究

2014-04-18郑文青李玉芳卢云萍

地理空间信息 2014年6期

关键词：坐标系可视化管线

张弓，郑文青，李玉芳，卢云萍

（1. 西安煤航信息产业有限公司，陕西西安 710054；2. 石家庄市勘察测绘设计研究院，河北石家庄 050011）

一种基于AutoCAD的管线三维建模方法研究

张弓1，郑文青1，李玉芳1，卢云萍2

（1. 西安煤航信息产业有限公司，陕西西安 710054；2. 石家庄市勘察测绘设计研究院，河北石家庄 050011）

在分析当前管线三维可视化方法在管线数据生产中应用现状的基础上，提出一种在AutoCAD下进行三维管线建模的方法及流程。以管线工程中的碰撞分析为例，对本研究方法的有效性进行了验证。

管线；三维建模；AutoCAD

地下管线普查中内业成图阶段的数据处理、编辑、成图以及作为主要成果资料提交的管线图数据通常是在AtuoCAD的二维平面工作空间完成的[1]。然而，管线作为一种真实存在的三维地理实体，表现出的与地面之间的高低层次关系及与其他管线之间的连接交错关系，并不是二维平面能完整反映出来的。如果能够实现平面二维数据向三维数据的转换，让用户选择感兴趣的平面区域，对区域内的管线进行数据转换，进行三维动态模拟显示，将能较好地解决以上问题[2-6]。本文以管线普查中的通用图形处理软件AutoCAD为平台，对管线数据生产过程中的三维可视化方法做了一些尝试性研究，初步实现了二维管线图平面直接到三维管线的动态模拟显示与交互。

1 问题的提出

二维管线图（图1a）在一定程度上能提供直观的管线走向、分布等平面信息，并能结合管线表（图1b）了解到管线的埋深、规格等高程信息。但埋深、规格等属性作为表现管线空间三维信息的重要组成部分，仅依靠文字性描述是不充分的。虽然有的管线图附加了一定的诸如线属性标注或线扯旗标注来对空间信息进行补充，但依旧会造成三维管线信息的不完整。图2列举了几种二维管线图在表达三维空间信息中产生的歧义现象，每幅图左侧表示顶视图（二维管线图视角），右侧表示前视图（三维空间视角），不同颜色表示不同类型管线，虚线表示可能造成的表达歧义。

图1 管线普查工程中的管线图与管线表

图2 二维管线图表达三维管线实体产生的歧义现象

AutoCAD软件提供了强大的三维绘图功能。如果能利用AutoCAD这一通用管线数据处理平台，在传统二维平面管线图的基础上，让用户对二维图形无法表现到位的区域进行三维动态模拟，将能很好地解决上述问题。

2 基于AutoCAD的管线三维建模

AutoCAD下管线三维建模的方式类似沿路径放样，是将一个二维截面（即管线断面）沿某个路径（即管线矢量）扫描形成三维对象的过程，如图3。

图3 AutoCAD建立三维管线模型的一般流程

2.1 建立UCS坐标系

为适应绘图需要，AutoCAD允许用户在世界坐标系基础上定义用户坐标系（UCS）。UCS的坐标轴方向按照右手法则定义，如图4。

图4 UCS中的右手定则

建立UCS坐标系的关键是确定管线矢量。首先通过ADO．NET访问管线成果数据库中的管点信息表、管线信息表（表1、表2）获取基本数据，再对管点空间数据文件进行处理，由地面高程、起终点埋深可以求得每个管点的绝对高程z，加上平面坐标（x，y） ,构成管线中心线的节点坐标，该坐标和断面尺寸作为管线的起算数据。

表1 管点信息表数据结构

表2 管线信息表数据结构

对于每段管线来说，由于其高低、走向都不尽相同，需要为每段管线建立便于自身建模的UCS坐标系。如图5，已知首尾相连的两段管线l1、l2由3个管线点P0、P1、P2组成，以右手定则分别构建以管线起点为原点（即P1、P2）、起点切线方向为Z轴矢量（即、）的用户坐标系统U1、U2。设P0坐标为（x0, y0, z0），P1坐标为（x1, y1, z1），设M（x, y, z）为U1坐标系下X、Y轴所构成平面内的任意一点，其平面方程可表示为，由可求得方程各项系数，其他各段管线组成的UCS坐标系可依次按此建立。

图5 利用右手定则建立的UCS

2.2 构造管线截面

由截面沿路径建模最基本的要求是截面的法线方向与路径起点的切线方向相同，同时路径起点位于截面所在的平面上。建立管段的UCS坐标系后，路径即为坐标系Z轴方向，在该坐标系X轴与Y轴构成的平面进行截面轮廓的构造。本文重点考虑地下管线工程中常见的圆管型管道和方沟型管道两种情况。

圆管型截面是以用户坐标系U的原点O为圆心、圆管尺寸为半径R形成的圆形构造，此时O与O’重合；方沟型管道是以长边平行Y轴、短边平行X轴形成的矩形构造，由于矩形截面中心O’未对齐原点O，需要作一次平移变换，同时由于方沟型管道径向指向与Z轴存在不一致的情况，需要进行一次旋转变换。如图6，设坐标中心所在的多边形上任意一点坐标为（x, y, z），经平移、旋转变换后对应的坐标为（X, Y, Z），其关系可用式（1）描述，其中cosXx表示X轴与x轴之间的方向余弦，其他依次类推，平移量（x0, y0,z0）就是中心点O’到O的偏移量。

图6 构造圆形管道及方沟的截面

2.3 拉伸建模

拉伸建模是通过拉伸现有二维截面来创建三维实体原型，其中要拉伸的二维截面可以是封闭多段线、多边形、圆、封闭样条曲线等，而拉伸过程可以按一定高度拉伸为实体模型，也可以基于指定曲线对象的拉伸路径。由于2．2节中构造的截面已经统一于管段方向所在的UCS坐标系统，因此只需将截面按照向量进行指定高度拉伸，即可完成三维管线实体的建立。拉伸实体始于剖面所在的平面，止于在路径端点处与路径垂直的平面。如图7所示，可以把选定的二维对象如图7a按一定高度拉伸成如图7b所示的三维实体模型，最终三维管线模型如图8所示。

图7 不同截面的拉伸建模效果

图8 AutoCAD下最终的三维管线模型

2.4 消隐控制及碰撞分析

AutoCAD构造三维模型的方法有3种，即线框建模、表面建模和实体建模。其中实体建模具有体的特征，能显示实体形状，给人以真实的空间感，并能通过布尔运算来实现两实体的并交操作。计算机中的三维模型总是以线条来显示的，物体不同部分的线条实际是有前后关系的。消隐就是根据三维图形对象的显示位置、计算图形线条的前后遮挡关系，消除隐藏线，以便更加真实地显示图形。

运用实体建模的这一特性并结合消隐控制后，便可解决第1节所提到的4类问题。图9分别以三维线框模式、三维实体模式展示了利用实体间的干涉分析计算管线工程中的碰撞问题，图9a中红色部分即为管线冲突碰撞部分。