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(cè)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(cè)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(duì)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(lái)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(duì)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(wèn)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(duì)管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)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。
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(lái)對(duì)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(lèi)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(duì)二維圖形無(wú)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(wèn)題。
AutoCAD下管線三維建模的方式類(lèi)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(duì)象的過(guò)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(guò)ADO.NET訪問(wèn)管線成果數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(duì)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(duì)于每段管線來(lái)說(shuō),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(jiàn)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(lèi)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(guò)拉伸現(xiàn)有二維截面來(lái)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)布爾運(yùn)算來(lái)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(lái)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(duì)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(lèi)問(wèn)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(wèn)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(cè)
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P208
B
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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(cè)及管網(wǎng)信息化建設(shè)。
2013-06-17。