付海龍 ，周奎，王光昇，曲超，廉光偉，趙虎川

(天津市測(cè)繪院，天津 300381)

1 引 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市的基礎(chǔ)建設(shè)工作在迅速進(jìn)行。目前城市的地上基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃管理較為完善，但是地下管線的相關(guān)管理工作比較薄弱。而且近年來(lái)國(guó)內(nèi)管線事故的逐漸增多，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)較大損失。因此，國(guó)家對(duì)于管線的管理工作愈發(fā)重視，逐步開(kāi)展了全國(guó)范圍內(nèi)的管線普查工作。這其中最為核心的環(huán)節(jié)就是管線的數(shù)據(jù)采集與入庫(kù)過(guò)程，顯然傳統(tǒng)的CAD 管線錄入與檢查已不能完全滿足建立高精度、高準(zhǔn)確度的管線數(shù)據(jù)庫(kù)需求。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)三維管線制作技術(shù)日益成熟［1～3］，為形象化展示二維管線圖提供了極大便利。因此，本文以輔助管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)為目的，研究了二三維一體化的管線錄入、瀏覽與檢查系統(tǒng)，即用三維模塊來(lái)同步顯示CAD 中的管線數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視圖的同步，數(shù)據(jù)編輯的同步，通過(guò)實(shí)時(shí)顯示三維管線來(lái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入錯(cuò)誤，并且開(kāi)發(fā)了管線碰撞檢測(cè)模塊，對(duì)數(shù)據(jù)中的邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行快速的檢查與顯示。在檢查完成以后，碰撞位置會(huì)以列表的形式輸出，提示錄入人員進(jìn)行相應(yīng)的修改。

整個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù)包括了二維管線繪制與屬性錄入模塊，三維管線的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)，數(shù)據(jù)交互技術(shù)，CAD 與三維顯示模塊的通訊交互技術(shù)以及管線碰撞檢查技術(shù)。這些技術(shù)的結(jié)合，為三維輔助CAD 管線檢查系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。

2 二維CAD 模塊

該系統(tǒng)的核心工作區(qū)是二維的CAD 空間，它沿用了天津市測(cè)繪院的管線采集軟件［4］，并進(jìn)行了三維拓展。因此它能夠充分兼容原有的外業(yè)采集數(shù)據(jù)，符合作業(yè)人員的操作習(xí)慣。該軟件使用LISP 語(yǔ)言，依據(jù)《天津市地下管線信息技術(shù)管理技術(shù)規(guī)程》［5］制作而成，針對(duì)管線類別進(jìn)行繪制和屬性入庫(kù)。

錄入的管線類別分為給水、排水、燃?xì)狻㈦娏?、電信、熱力及工業(yè)管道。錄入的數(shù)據(jù)分為圖形與屬性。圖形包含管點(diǎn)與管線，它的繪制方式與經(jīng)典CAD 相同;管線屬性通過(guò)對(duì)話框輸入，并掛接在CAD 圖形的擴(kuò)展屬性內(nèi)［6］。錄入完成后，二維的圖形和屬性檢查在CAD 中完成，這種操作模式簡(jiǎn)單，但無(wú)法展示和發(fā)現(xiàn)空間錯(cuò)誤，因此必須借助三維輔助模式。

3 三維管線動(dòng)態(tài)建模模塊

3.1 平臺(tái)選擇

三維管線的建模技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)比較成熟，但大都屬于靜態(tài)建模技術(shù)，即通過(guò)管線數(shù)據(jù)庫(kù)文件制作為三維管線模型，存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，然后在三維瀏覽軟件中進(jìn)行瀏覽。但這種模式不能適應(yīng)二三維管線動(dòng)態(tài)錄入與瀏覽的要求，因?yàn)槿S視圖必須能夠?qū)崟r(shí)展示CAD的管線，并同步配合CAD 的實(shí)時(shí)編輯，因此基于數(shù)據(jù)庫(kù)的三維管線動(dòng)態(tài)建模技術(shù)成為關(guān)鍵。

管線的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)需要一款高效、高擴(kuò)展性的三維平臺(tái)，必須同時(shí)支持通過(guò)代碼制作各種復(fù)雜的模型，并同時(shí)具備渲染能力。因此我們采用了OpenScene-Graph(OSG)［7，8］平臺(tái)作為三維管線動(dòng)態(tài)建模與瀏覽的平臺(tái)。它是一款C+ +庫(kù)，并將OpenGL 的C 接口封裝成為C+ +接口，定義了豐富的類庫(kù)，涵蓋了從相機(jī)渲染、消息與偵聽(tīng)器、三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等各種模塊。

3.2 建模技術(shù)

在三維中，需要建模的元素主要包括井、井室、附屬物、管線等。

附屬物包括閥門(mén)、消火栓、變電箱等設(shè)施，它們的建模方式是加載預(yù)定義的模型庫(kù)，復(fù)制模型并擺放在對(duì)應(yīng)的位置，閥門(mén)可根據(jù)管徑縮放比例。這些模型可以預(yù)先在3ds Max 中制作，并且導(dǎo)出成OSG 支持的IVE 數(shù)據(jù)格式，以便使用時(shí)加載。

而井、井室以及管線需要通過(guò)繪制頂點(diǎn)制作而成。它們的基本特征都是中空?qǐng)A管，因此最為核心的一步就是給定面數(shù)，制作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬高、位于原點(diǎn)的圓管。在OSG 中，我們需首先制作頂點(diǎn)坐標(biāo)的數(shù)組，然后使用頂點(diǎn)連接數(shù)組將離散的頂點(diǎn)連成模型，最后需要指定紋理坐標(biāo)，將紋理貼圖賦予圓管的內(nèi)外壁。紋理貼圖的選取可以依據(jù)管線的種類或材質(zhì)。方形的井和管線可以設(shè)置圓管面數(shù)為4。我們僅需將標(biāo)準(zhǔn)圓管移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)并縮放，即可形成井、井室或管線。模型制作完成后需加入OSG 場(chǎng)景根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渲染［9］。

3.3 動(dòng)態(tài)瀏覽

三維管線動(dòng)態(tài)建模的一個(gè)關(guān)鍵因素是內(nèi)存的控制。CAD 中的管線數(shù)據(jù)量往往很大，我們不能選擇一次性將CAD 中的全部管線屬性讀入三維模塊，也不能一次性將所有的管線模型制作并顯示，否則會(huì)給三維模塊造成過(guò)大的資源負(fù)擔(dān)。

因此需要?jiǎng)討B(tài)判斷當(dāng)前三維視點(diǎn)所在的標(biāo)準(zhǔn)圖幅號(hào)，并通過(guò)該圖幅的外包矩形在數(shù)據(jù)庫(kù)中動(dòng)態(tài)請(qǐng)求范圍內(nèi)的所有管點(diǎn)、管線數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)建模。當(dāng)視點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，在視點(diǎn)范圍之外的模型則會(huì)被刪除，范圍內(nèi)的管線會(huì)動(dòng)態(tài)生成。每一個(gè)圖幅內(nèi)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求與動(dòng)態(tài)建模都會(huì)在一個(gè)獨(dú)立的線程內(nèi)執(zhí)行，并在建模完成后釋放，因此不會(huì)影響三維主渲染線程的瀏覽速度。

圖1 動(dòng)態(tài)瀏覽示意圖

4 數(shù)據(jù)交互技術(shù)

在該系統(tǒng)中，二三維模塊是相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)程，數(shù)據(jù)的交互是連接兩個(gè)模塊的關(guān)鍵。在三維的動(dòng)態(tài)瀏覽過(guò)程中，需不斷地向CAD 請(qǐng)求管線屬性數(shù)據(jù)，這些請(qǐng)求是大量的、并發(fā)的。直接讀取CAD 的DWG 文件會(huì)破壞CAD 的穩(wěn)定性，所以必須使用數(shù)據(jù)庫(kù)作為中間數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層可以選擇各種輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，例如Access或者Sqlite，另外也可使用shp 數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。CAD 中繪制的圖形和屬性應(yīng)同步的更新至數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通知三維模塊讀取數(shù)據(jù)庫(kù)。

為了兼容各種數(shù)據(jù)庫(kù)，三維中讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的子模塊應(yīng)獨(dú)立于三維程序本身，并使用設(shè)計(jì)模式中的接口與插件的模式。在程序最終發(fā)布時(shí)，系統(tǒng)支持一種數(shù)據(jù)庫(kù)即可。

圖2 二三維數(shù)據(jù)交互

5 二三維場(chǎng)景交互技術(shù)

5.1 進(jìn)程通訊技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是二三維場(chǎng)景的交互過(guò)程，它直接面向用戶。然而二三維作為兩個(gè)獨(dú)立的程序，并不能直接通訊，因此我們使用了．NET庫(kù)中的命名管道完成了進(jìn)程間的通訊。我們將CAD 作為服務(wù)器并創(chuàng)建服務(wù)器端的命名管道，該管道需設(shè)置成監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。將三維模塊作為客戶端并創(chuàng)建客戶端命名管道，該管道需連接服務(wù)器端的命名管道。連接成功后，客戶端可以向服務(wù)端發(fā)送消息或請(qǐng)求，服務(wù)端也可以向客戶端發(fā)送廣播。

在該系統(tǒng)中，我們將所有的操作封裝成為帶有相應(yīng)參數(shù)的消息，因此僅需要一個(gè)發(fā)送與接收消息的接口，并通過(guò)封包或解譯消息，即可完成相互的操控。

圖3 進(jìn)程通訊

5.2 視圖同步

該系統(tǒng)支持二三維模塊的同步操作，即拖動(dòng)CAD時(shí)三維場(chǎng)景也跟隨移動(dòng)，反之亦然。CAD 中沒(méi)有深度，在CAD 請(qǐng)求三維同步時(shí)，需要假設(shè)場(chǎng)景的深度，可使用屏幕對(duì)角線的長(zhǎng)度。當(dāng)三維模塊接收到同步請(qǐng)求后，會(huì)更改場(chǎng)景位置，并且動(dòng)態(tài)生成新范圍內(nèi)的管線。在同步的過(guò)程中，通訊消息的發(fā)送和接收均是異步調(diào)用的，二三維模塊不會(huì)因相互拖拽而卡頓。另外，當(dāng)點(diǎn)擊某根管線或管線模型時(shí)，可通過(guò)消息把管線的名稱發(fā)送給另一個(gè)模塊，通過(guò)搜索和縮放實(shí)現(xiàn)圖元的選擇同步。

5.3 數(shù)據(jù)編輯同步

該系統(tǒng)的重要功能是數(shù)據(jù)編輯的同步。即在CAD 中修改管線數(shù)據(jù)后，修改的信息可以實(shí)時(shí)的添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通知三維進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。這種更新包含了模型的更新和視圖的同步，它確保了三維管線模型的實(shí)時(shí)性。因此作業(yè)員繪制完后可立即瀏覽三維管線，通過(guò)將模型與外業(yè)實(shí)測(cè)管線對(duì)比，可迅速發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。埋深錄入錯(cuò)誤在CAD 中無(wú)法檢測(cè)，但在三維中管線的埋深突變可以被迅速發(fā)現(xiàn)。同理管徑的錯(cuò)誤也可因管線的粗細(xì)突變而覺(jué)察。因此這種實(shí)時(shí)性是該系統(tǒng)的主要特色。

6 管線檢查

管線數(shù)據(jù)質(zhì)量的內(nèi)容一般包括:數(shù)據(jù)完整性、邏輯一致性、位置精度、屬性精度等。

6.1 二維圖形和屬性檢查

本系統(tǒng)對(duì)二維圖形和屬性的檢查主要是依據(jù)《天津市地下管線信息技術(shù)管理技術(shù)規(guī)程》，通過(guò)LISP 語(yǔ)言在AutoCAD 中進(jìn)行選擇、遍歷、讀取擴(kuò)展屬性，然后進(jìn)行邏輯判斷，并將檢查結(jié)果輸出到定位列表框中，使用戶能夠快速定位、修改錯(cuò)誤。常見(jiàn)的錯(cuò)誤包括物探點(diǎn)號(hào)不唯一、點(diǎn)號(hào)為空、重疊管點(diǎn)管線、特征點(diǎn)與關(guān)聯(lián)管線條數(shù)不一致、管點(diǎn)兩邊屬性矛盾、連續(xù)管線高程突變等錯(cuò)誤。這些錯(cuò)誤通常由于錄入操作失誤所致，檢查算法簡(jiǎn)單，可在CAD 下有效提示，因不是本文重點(diǎn)，故不詳細(xì)介紹其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大的時(shí)候，在AutoCAD 中頻繁地進(jìn)行選擇、遍歷操作速度非常慢。這時(shí)，我們首先將管線數(shù)據(jù)輸出到Spatialite 空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢分析［10］，最后將檢查的結(jié)果在AutoCAD 中顯示輸出。這種方法極大地提高了大數(shù)據(jù)量的檢查效率。

6.2 三維空間關(guān)系檢查

對(duì)于三維空間關(guān)系的檢查本文主要考慮了管線碰撞的檢測(cè)。埋深錯(cuò)誤、管徑錯(cuò)誤也屬于空間關(guān)系錯(cuò)誤，但因沒(méi)有真實(shí)參考標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法精確提示，只能通過(guò)瀏覽三維模型，依靠外業(yè)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潛在的可能錯(cuò)誤。

在現(xiàn)實(shí)中管線碰撞一般并不存在，但在管線數(shù)據(jù)庫(kù)中卻很常見(jiàn)。造成管線數(shù)據(jù)碰撞的原因較多，例如實(shí)測(cè)的精度較低，或采集的點(diǎn)間距過(guò)低，造成數(shù)據(jù)上的邏輯錯(cuò)誤。管線的碰撞率是評(píng)價(jià)管線數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此管線的碰撞檢測(cè)和三維展示也是該系統(tǒng)的核心功能。該功能的實(shí)現(xiàn)可基于如下算法。

(1)基于平面幾何與高程的檢測(cè)

假設(shè)將管線抽象為寬度為0 的線，那么發(fā)生碰撞的管線一定在正投影面上發(fā)生交叉，這是此種算法的前提。在平面上檢測(cè)出發(fā)現(xiàn)交叉的管線后，可在交叉點(diǎn)處計(jì)算在上管線的管底高和在下管線的管頂高，通過(guò)它們的比較可判斷管線是否發(fā)生碰撞。

圖4 平面與高程檢測(cè)

H 為管中高程，R 為管徑。如果d 為正，則沒(méi)有發(fā)生碰撞，否則管線發(fā)生碰撞。這種算法有一個(gè)明顯的缺陷，即相互平行的管線即使在管徑處發(fā)生碰撞，也無(wú)法有效檢測(cè)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用了某區(qū)域內(nèi)58 km的管線，在普通PC 上檢測(cè)用了31″，檢測(cè)速度較快。

(2)基于三維實(shí)體的布爾運(yùn)算

另一種真實(shí)的碰撞檢測(cè)算法，是創(chuàng)建三維實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算。這種運(yùn)算的結(jié)果是準(zhǔn)確的，然而由于是模擬算法，速度較慢。OSG 庫(kù)不支持布爾運(yùn)算，因此可使用REALDWG 開(kāi)發(fā)庫(kù)在內(nèi)存中制作管線粗模，并進(jìn)行粗模的布爾運(yùn)算，檢測(cè)完畢后可將碰撞的位置發(fā)送給三維模塊進(jìn)行標(biāo)注顯示。RealDWG 集成了ACIS 三維幾何造型引擎，ACIS 是用C + +寫(xiě)的模型類庫(kù)，采用BREP 邊界表示法，支持實(shí)體的布爾運(yùn)算、曲面裁減、曲面過(guò)渡等多種編輯功能。在RealDWG 中的三維建模操作都是通過(guò)ACIS 來(lái)完成的。在RealDWG 中進(jìn)行碰撞檢測(cè)的步驟包括:

第一，根據(jù)管線的平面位置、管頂(或管底)高程、管徑、埋設(shè)方式等信息計(jì)算管線中軸線的空間位置;

第二，利用ACIS，根據(jù)管徑、埋設(shè)方式在中軸線位置建立Solid3d 類型的模型。建立圓柱體模型的方法是根據(jù)起止點(diǎn)和半徑通過(guò)CreateFrustum 方法建立。建立長(zhǎng)方體管線的方法是根據(jù)起止點(diǎn)、長(zhǎng)和寬通過(guò)CreateBox 方法建立。

第三、檢測(cè)碰撞。通過(guò)ACIS 建立了Solid3d 類型的三維管經(jīng)模型之后，用Solid3d 對(duì)象的CheckInterference 方法可以確定兩個(gè)對(duì)象之間是否交疊，即是否存在碰撞。

第四、計(jì)算碰撞位置當(dāng)檢測(cè)到管線存在碰撞時(shí)，我們需要獲取碰撞的空間位置。通過(guò)Solid3d 對(duì)象的BooleanOperation 方法對(duì)兩個(gè)對(duì)象進(jìn)行布爾操作，計(jì)算兩個(gè)三維對(duì)象交集，方法如下:

圖5 布爾運(yùn)算

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用了同區(qū)域內(nèi)58 km的管線，在普通PC 上檢測(cè)用了100″，因此速度數(shù)倍慢于平面幾何法，但仍足以滿足實(shí)際應(yīng)用。

7 系統(tǒng)展示

該系統(tǒng)的基本界面包括二維CAD 環(huán)境和三維環(huán)境，適合在雙屏幕上進(jìn)行操作。管線的繪制和錄入在CAD 中完成，三維模塊負(fù)責(zé)管線的瀏覽和碰撞檢測(cè)展示。在數(shù)據(jù)制作過(guò)程中，兩個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)視圖和模型編輯的同步(如圖6所示)，便于用戶快速的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖6 系統(tǒng)界面與視圖同步

如圖7，在碰撞檢測(cè)完成后，三維模塊中會(huì)生成碰撞位置的列表，同時(shí)配以動(dòng)畫(huà)箭頭指示碰撞的位置。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，基于布爾運(yùn)算的碰撞檢測(cè)算法精度可靠，為數(shù)據(jù)的邏輯錯(cuò)誤檢查提供便捷。

圖7 碰撞檢測(cè)結(jié)果

8 結(jié) 論

城市管線日益成為城市建設(shè)的重要組成部分，但經(jīng)典的CAD 管線錄入檢查模式已不能滿足高質(zhì)量管線數(shù)據(jù)的要求。在此背景下，本文實(shí)現(xiàn)了二三維一體化的管線錄入、瀏覽及檢查系統(tǒng)。首先在CAD 中進(jìn)行管線錄入，屬性數(shù)據(jù)會(huì)同步更新到管線數(shù)據(jù)庫(kù);三維模塊接收到更新請(qǐng)求后，會(huì)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)并動(dòng)態(tài)生成管線模型。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了二三維視圖的同步以及數(shù)據(jù)編輯的同步，方便用戶實(shí)時(shí)瀏覽，并通過(guò)觀察模型發(fā)現(xiàn)埋深、材質(zhì)、管徑等錄入錯(cuò)誤。另外，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于布爾運(yùn)算的管線碰撞檢測(cè)，將碰撞位置的列表輸出，并用箭頭提示碰撞位置，提醒用戶更改數(shù)據(jù)中的邏輯錯(cuò)誤。該系統(tǒng)解決了經(jīng)典CAD 管線圖不直觀、難以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的瓶頸，并已經(jīng)運(yùn)用于實(shí)際的管線數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作，提高了管線數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

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