管线三维建模及可视化分析刘红艳

刘红艳

新疆地矿测绘院830017

摘要：管线作为城市的基础设施，一个完善的管线信息系统不仅可以清楚的展现出城市的管线分布情况还有利于管线的管理和维护，但传统的管线建模已不适用于现如今海量的管线信息，为了满足管线的信息需求，建立完善有效的城市管线信息系统，本文将对管线的三维建模与可视化进行简要的分析。

关键词：管线；三维建模；三维可视化

现如今随着管线数量的剧增，传统的二维管线管理模式已不能够对满足管线的管理需求，为了更好的管理管线，管线的管理模式已从传统的二维模式提升到三维模式，三维模式对于大量的管线不仅能够准确有效的描述对于管线的空间关系也能够直观的体现出来，为了现如今数字城市的可持续发展，对于管线实施三维建模与可视化是必然的，本文就地下管线的三维建模与可视化进行浅析。

一、管线的三维建模

管线的三维建模主要分为弯曲管线建模、三连通管线建模和管件三维建模三部分，不管是哪种建模都需要获取断面的数据信息，再选取数据信息利用断面三角剖分拟合与体面三角剖分拟合建立三维模型，接下来我将对弯曲管线、三连通管线和管件的建模一一进行分析。

1.1.弯曲管线的建模

弯曲管线模型由起点、终点两点的断面以及中间断面组成，建立弯曲管线模型时首先是三维中心线插值的确定，为了让弯曲管线模型在拐点处更为平滑，所以依据管线断面的数据信息和中心线的数据信息进行三维建模时，对于中心线的数据要进行插值拟合处理，用圆弧来替代中心线的拐点，达到预期的效果。其次获取断面的数据信息，利用体面三角剖分拟合的方法构建弯曲管线的三维模型，建立弯曲管线模型所需要的断面数据信息是断面上一系列连续的离散点聚合而成，体面三角剖分拟合技术是针对两个相邻的断面来说的，彼此相邻的两个断面圆上的离散点都是一一对应的，在两个相邻的断面圆上取有限个相对应的离散点构成一个类似直管线的三维模型，在相邻的两个断面上分别取两个对应的离散点，顺时针方向或者逆时针方向将其顺次连接，就可以在轴线上构造一个空间四边形，按照相应的规则将此空间四边形剖分成两个三角形，按照此方法就可以获取断面上的数据信息，因此相邻的两个断面可以使用体面三角剖分拟合，最终准确的构建出弯曲管线的三维模型。

1.2.三连通管线模型的构建

1.2.1.建立局部坐标系

三连通管线三维建模在构建局部坐标系时与直管线和弯曲管线建模时构建局部坐标系时有所差异，在三连通管线建模构造局部坐标系时，选取任意的支管口到三个支管的交叉点作为边，边的向量可表示为：PPi=（x-xi，y-yi，z-zi），边PPi的法向量用ni表示，不同情侣下的局部坐标系都可以用PPi与ni来表示

1.2.2.交叉口断面信息的获取

三连通交叉口处断面位置的确定不同于直管线与弯曲管线断面的确定，对于三连通交叉点处确定断面的位置以及获取断面信息的方法首先是根据公式：|PPi|=（xi-x）2+（yi-y）2+（zi-z）2（i=0，1，2）算出管口到管线交叉点的距离，再根据公式：cosαi=（PP2i+PP2i+1）/2＊PPi＊PPi+1，（i=0，1，2）算出每两个相邻支管夹角的余弦值，为了避免连通管线交叉点处断面交叉，对于αi的计算值进行比较，取αi的最小值αmin，交叉点域值L=R/tan（αmin/2）。改变交叉点域值L和局部坐标系，再通过计算就很容易确定连通交叉点每个断面的中心点的空间位置。对于每个断面交叉点的空间位置确定以后，相应的局部坐标系就可以建立了，连通交叉点断面的数据信息可以依照弯曲管线的断面数据信息获取的方法来获得。

1.2.3.三连通管线建模

三连通管线建模不同于直管线和弯曲管线的建模，连通管线建模相对来说比较复杂，首先要建立各个支管的模型，支管的三维建模只要找到相应的断面数据信息，利用断面的数据信息采用体面三角剖分拟合方法就可以建立起支管的三维模型，在构建连通管线交叉口的三维模型时，准确的找到交叉口的断面数据信息后，将交叉口所有的断面按顺时针方向或者逆时针方向进行排列，再在每两个相邻的断面之间必用体面三角剖分拟合的方法构造出连通交叉口的三维模型。在处理连通交叉口顶面与底面时，要找到连通交叉口每个断面数据的顶点和低点，连同交叉口中心点，对顶面与底面进行三角形拟合剖分。

1.3.管件三维模型的建立

管线是官网的基础，管件是管线构成官网的不可或缺的一部分，城市复杂的管线系统就是由各个类型的管件连接着管线组成的，管体三维模型的构建在整个管线三维建模的构建中起着至关重要的作用，所有的管体都可以看作是主、辅管以及相应的数据参数构成的，管件的三维模型由管线的主、辅管经过差、交、并等运算就可以得到，最终保存为3DS的格式，由于管线的管径不尽相同，所以用管体连接管线时要选取与之相对应的数据信息。

二、管线三维的可视化

在三维管线建模的过程中不同管线的数据会有所不同，相同的管线在不同的位置使用的方法也会有所不同，这都会影响管线三维的可视化效果，为了使管线三维的可视化效果达到最好，对于数据的获取与处理以及不同位置所采用的技术手段都要经过严密的考量。

2.1.管线三维建模可视化数据

由于管线之间存在着差异，所以不同管线的数据不管是空间上还是属性上都有所不同，在构建管线的三维模型时考虑到不同的数据结构，为了能够在管线的建模、空间分析、数据查询时及时有效的提供断面数据参考和基础源数据，在建立管线数据库时要彼此独立，相互联系。就本文提供的管线三维建模方法而言主要使用的开发工具有：后台主要的数据库Access2010、队伍数据库的操作ADO技术、语言的开发VisualC++6.0程序以及三维图形应用程序接口OpenGL。

2.2.管线三维建模可视化技术

在建立弯曲管线与三连通管线三维模型时主要采用了断面三角剖分拟合与体面三角剖分拟合的方法，通过实践，建模时在管线断面、管线弯曲拐点处以及管线连通等处处使用断面三角剖分拟合与体面三角剖分拟合不仅可以使模型有一个良好的可视化效果，还能加快构建模型的速度与显示，这对城市管线三维建模与可视化有重大意义，打破了传统的管线三维建模与可视化的方法。

三、小结

城市管线信息系统是否准确取决于管线三维建模和可视化的质量，管线信息系统运行速度与仿真效果以及三维模型的平移、缩放、空间分析以及查询效果等都要看管线三位建模算法的好坏。城市建立三维管线信息系统不仅可以详细全面展现出管线在城市里的分布情况，还有利于管线的日常管理和维护，让城市管线的管理实现从无序到有序的转变。

参考文献：

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[2]刘旭，陶为翔.AutoCAD.NET的Jig技术在管线扯旗标注中的应用[J].测绘与空间地理信息，2015（07）