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)計研究院，河北 石家莊 050011）

在分析當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行了驗證。

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，管線作為一種真實存在的三維地理實體，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)的管線進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進行三維動態(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，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，初步實現(xiàn)了二維管線圖平面直接到三維管線的動態(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注或線扯旗標注來對空間信息進行補充，但依舊會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 二維管線圖表達三維管線實體產(chǎn)生的歧義現(xiàn)象

AutoCAD軟件提供了強大的三維繪圖功能。如果能利用AutoCAD這一通用管線數(shù)據(jù)處理平臺，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)域進行三維動態(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，是將一個二維截面（即管線斷面）沿某個路徑（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坐標系

為適應(yīng)繪圖需要，AutoCAD允許用戶在世界坐標系基礎(chǔ)上定義用戶坐標系（UCS）。UCS的坐標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)庫中的管點信息表、管線信息表（表1、表2）獲取基本數(shù)據(jù)，再對管點空間數(shù)據(jù)文件進行處理，由地面高程、起終點埋深可以求得每個管點的絕對高程z，加上平面坐標（x，y） ,構(gòu)成管線中心線的節(jié)點坐標，該坐標和斷面尺寸作為管線的起算數(shù)據(jù)。

表1 管點信息表數(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坐標系。如圖5，已知首尾相連的兩段管線l1、l2由3個管線點P0、P1、P2組成，以右手定則分別構(gòu)建以管線起點為原點（即P1、P2）、起點切線方向為Z軸矢量（即、）的用戶坐標系統(tǒng)U1、U2。設(shè)P0坐標為（x0, y0, z0），P1坐標為（x1, y1, z1），設(shè)M（x, y, z）為U1坐標系下X、Y軸所構(gòu)成平面內(nèi)的任意一點，其平面方程可表示為，由可求得方程各項系數(shù)，其他各段管線組成的UCS坐標系可依次按此建立。

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的切線方向相同，同時路徑起點位于截面所在的平面上。建立管段的UCS坐標系后，路徑即為坐標系Z軸方向，在該坐標系X軸與Y軸構(gòu)成的平面進行截面輪廓的構(gòu)造。本文重點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系U的原點O為圓心、圓管尺寸為半徑R形成的圓形構(gòu)造，此時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O，需要作一次平移變換，同時由于方溝型管道徑向指向與Z軸存在不一致的情況，需要進行一次旋轉(zhuǎn)變換。如圖6，設(shè)坐標中心 所在的多邊形上任意一點坐標為（x, y, z），經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)變換后對應(yīng)的坐標為（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坐標系統(tǒng)，因此只需將截面按照向量進行指定高度拉伸，即可完成三維管線實體的建立。拉伸實體始于剖面所在的平面，止于在路徑端點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、表面建模和實體建模。其中實體建模具有體的特征，能顯示實體形狀，給人以真實的空間感，并能通過布爾運算來實現(xiàn)兩實體的并交操作。計算機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、計算圖形線條的前后遮擋關(guān)系，消除隱藏線，以便更加真實地顯示圖形。

運用實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、三維實體模式展示了利用實體間的干涉分析計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維的動態(tài)模擬顯示與交互系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．測繪通報，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，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)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)[J]． 武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2002,27(5):534-537

[5] 李清泉，嚴勇，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：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)計技術(shù)研究[J]．機械設(shè)計與制造，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，研究方向為地下管網(wǎng)探測及管網(wǎng)信息化建設(shè)。

2013-06-17。