■ 佛山市測繪地理信息研究院 簡漢佳

1.引言

在實(shí)際的地下管線探測工作中，一般不會(huì)發(fā)生管線碰撞的情況，但在管線數(shù)據(jù)庫中這種情況卻普遍存在。造成管線數(shù)據(jù)碰撞的因素有很多，如儀器和人為造成的誤差、采集地點(diǎn)間距過低造成的數(shù)據(jù)上的邏輯錯(cuò)誤等。因此，如何發(fā)現(xiàn)和糾正管線數(shù)據(jù)的碰撞情況，是保證管線數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要手段。

2. AutoCAD.net技術(shù)

從AutoCAD 2006開始，Autodesk為其開發(fā)增加了.NET API。.NET API提供了一系列托管的外包類(Managed Wrapper Class)，開發(fā)人員可以利用Visual Studio開發(fā)平臺(tái)在.NET框架下使用任何支持.NET的語言，如VB.NET、C#.net 和Managed C++等，對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)[1]。

同時(shí)，隨著AuotCAD 2010對(duì)三維建模的進(jìn)一步優(yōu)化，開發(fā)人員可以通過構(gòu)造拉伸實(shí)體、構(gòu)造放樣三維實(shí)體及碰撞檢查等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模和碰撞檢查。

3.地下管線三維建模與碰撞檢測的功能原理及實(shí)現(xiàn)

3.1 地下管線碰撞情況分析

（1） 管線碰撞可能出現(xiàn)的情況

管線碰撞可能出現(xiàn)以下3種情況[2]（圖1）：

（a） 兩管線相交，其高程范圍有相交的情況，則兩管線會(huì)出現(xiàn)碰撞；

圖1 管線碰撞可能出現(xiàn)的情況

（b） 兩管線并行，其空間最短距離小于兩管線的半徑之和，則兩管線會(huì)出現(xiàn)碰撞；

（c） 兩管線共線，若兩管線相交或者平行空間距離小于兩管線的半徑之和，則兩管線會(huì)出現(xiàn)碰撞。

（2） 基于平面幾何與高程的檢測算法及缺點(diǎn)

通過比較兩條管線的高程差或兩管線的空間間距d與兩管線半徑之各R1+R2，如果d＞R1+R2，則兩管線不碰撞，否則兩管線碰撞。（圖2）

圖2 平面與高程檢測

但是，由于管線埋設(shè)的多樣性，個(gè)別特殊的管線碰撞情況仍無法利用以上方法計(jì)算，比如兩管線相交，由于其中一條管線兩端高差較大，即使兩管線相交點(diǎn)的垂直（或水平）間距大于兩管線的半徑之和，兩管線仍然存在碰撞的情況，如圖3所示：

圖3 特殊管線碰撞情況

3.2 基于三維實(shí)體的布爾運(yùn)算

目前,大部分地下管線信息系統(tǒng)都是基于ArcGIS、SkyLine等地理信息系統(tǒng)軟件作為三維平臺(tái)，且都是以參數(shù)化的三維建模技術(shù)為主，無法快速地進(jìn)行大面積的建模。

目前最準(zhǔn)確的碰撞檢測算法，是創(chuàng)建三維實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算。因此，本文提出了一種基于AutoCAD.NET技術(shù)的地下管線三維建模的實(shí)現(xiàn)方法，能夠在AutoCAD環(huán)境下快速地對(duì)地下管線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，同時(shí)通過對(duì)三維模型的布爾運(yùn)算進(jìn)行管線數(shù)據(jù)的碰撞檢測。

3.3 實(shí)現(xiàn)方法

地下管線數(shù)據(jù)庫主要采用Access數(shù)據(jù)庫，每一類管線由點(diǎn)表和線表組成，點(diǎn)表記錄了管線點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)、井底深度、空間位置等信息；線表則記錄了管線段兩端的點(diǎn)號(hào)和埋深、管徑、材質(zhì)、埋設(shè)方式等信息?；贏utoCAD.net技術(shù)的三維建模和碰撞檢測的流程如圖4所示：

圖4 碰撞檢測流程圖

（1）讀取管線、點(diǎn)信息

根據(jù)管線兩端平面坐標(biāo)、管頂（或管底）高程、斷面類型、管徑等信息，計(jì)算管線中軸線的空間位置、起點(diǎn)的橫截面及管線向量。

（2）利用AutoCAD.net建立Solid3d類型的模型

使用CreateBox方法建立長方體管線模型，圓柱體管線模型可以使用Create Frustum的方法建立，也可以利用Create Extruded Solid和Extrude方法，對(duì)計(jì)算得出的管線起點(diǎn)的橫截面及向量進(jìn)行拉伸來建立管線模型。

在AutoCAD 2010發(fā)布之前，受技術(shù)的限制，在根據(jù)管線的形狀繪制圓柱體、長方體后，每個(gè)管線、點(diǎn)模型在坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0)創(chuàng)建，且垂直于XY平面，實(shí)際地下管線處于不同的位置、管線坡度不一,需將創(chuàng)建的管線、點(diǎn)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)等進(jìn)行一系列的三維幾何變換、算法十分復(fù)雜[3]。但在AutoCAD 2010中，只需要根據(jù)管線的起點(diǎn)高程和截面形狀繪制一個(gè)面域，再根據(jù)管線兩端三維坐標(biāo)計(jì)算出管線的拉伸向量，通過對(duì)面域的拉伸，就可以構(gòu)建出一個(gè)位置和形狀準(zhǔn)確地地下管線三維模型。

（3）三維碰撞檢測在三維模型建立后，可以利用Solid3d.CheckIn-terference()函數(shù)進(jìn)行三維模型的碰撞檢查。只要兩管線的三維模型產(chǎn)生了交疊，該函數(shù)就能通過布爾運(yùn)算計(jì)算出來。（圖5）

圖5 布爾運(yùn)算

（4）提取碰撞管線信息

當(dāng)檢測到管線存在碰撞時(shí)，我們可讀取兩管線的屬性信息，同時(shí)，通過Solid3d對(duì)象的Boolean Operation方法計(jì)算兩個(gè)三維對(duì)象的交集，從而獲取兩管線的碰撞位置、空間凈距、侵占比例等信息。

3.4 算法對(duì)比

在同一臺(tái)電腦上，分別使用基于平面幾何與高程的檢測算法和基于三維實(shí)體的布爾運(yùn)算的檢測算法，對(duì)某一區(qū)域的34公里地下管線進(jìn)行碰撞分析。結(jié)果顯示，基于平面幾何與高程的檢測算法用時(shí)320秒，發(fā)現(xiàn)碰撞位置152處；基于三維實(shí)體的布爾運(yùn)算的檢測算法用時(shí)150秒，發(fā)現(xiàn)碰撞位置195處。從分析對(duì)比的結(jié)果來看，基于三維實(shí)體的布爾運(yùn)算的檢測算法無論是在從速度上還是在準(zhǔn)確率上，都明顯優(yōu)于基于平面幾何與高程的檢測算法。

4.結(jié)語

本文介紹了基于AutoCAD.NET技術(shù)開發(fā)的三維建模和碰撞檢測功能，不需要借助其他三維建模軟件，可有效幫助生產(chǎn)單位在管線數(shù)據(jù)處理階段對(duì)地下管線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化操作、提高生產(chǎn)效率，同時(shí)可以減少在管線普查和管線竣工測量數(shù)據(jù)處理過程中，由于探測誤差或數(shù)據(jù)處理中的人為錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致管線數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而出現(xiàn)的管線碰撞，保證了管線測量成果的質(zhì)量。本技術(shù)經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)基于平面幾何和高程碰撞檢測算法無法發(fā)現(xiàn)的管線數(shù)據(jù)碰撞情況，具有較高的使用價(jià)值。