CN102157014B - 地铁综合管线三维可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的地铁综合管线三维可视化方法，首先从综合管线图纸中提取综合管线数据；其次根据得到的管线综合管线数据进行三维建模，将综合管线三维动态显示。本发明地铁综合管线三维可视化方法，其建模方法有数字化特性，可以在三维可视化管理系统中编辑；建立的三维管线模型用到的数据都是来自AutoCAD图纸，其数据都是真实可靠的；管线三数字模型在场景中的位置与管线在AutoCAD图纸中的位置信息对应；管线三维模型可配置、可更改、可管理。

Description

地铁综合管线三维可视化方法

技术领域

本发明属于地铁综合管线计算机相关应用技术领域，涉及一种地铁综合管线的管理方法，具体涉及一种地铁综合管线三维可视化方法。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高。我国大中城市的交通状况日渐紧张，道路交通条件不断恶化。人们逐步认识到只有发展以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统才能解决城市客运交通紧张问题。而综合管线的设计在地铁车站的设计、施工及后期的运营维护过程中尤为重要。因此对地铁综合管线信息管理的需求也就更显得迫切。

但目前还没有一种比较完善的针对地铁综合管线的信息管理系统，这就给日后的运营维护带来了很大麻烦，如果维护人员需要找到待维修或者改迁的管线，就必须先找到相应的地铁综合管线的最后施工图纸，然而维修人员有可能只找到待维修管线段的大致位置，而不能准确定位到待维修的位置，之后就只能人工的展开地毯式排查，这就浪费了大量的人力、物力，进而增加了运营维护的开支。

为便于日后地铁综合管线的运营维护，必须有一种更为直观、更为形象的表现形式来描述地铁综合管线及它在地铁站中的空间位置，一种三维可视化综合管线信息管理系统应运而生。

三维可视化系统就要求综合管线必须进行三维建模，目前三维建模的主流工具主要有Autodesk公司的3D Studio Max(简称3DS Max)和Maya，这两款软件都是世界顶级的三维动画制作软件，对建筑的三维建模也是相当出色。但考虑到建模工具建立的模型为静态模型，一旦建模完毕就不能在后期开发的系统中做管理，而三维可视化综合管线信息管理系统的管理对象是管线及其附属设备，因此管线的三维模型的建模必须数据化。

发明内容

本发明的目的是提供一种地铁综合管线三维可视化管理方法，解决了现有地铁综合管线管理方法采用3DS Max和Maya建模，得到的模型是静态模型，存在的后期不好管理的问题。

本发明所采用的技术方案是，地铁综合管线三维可视化方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从综合管线图纸中提取综合管线数据；

步骤2：根据步骤1得到的综合管线数据进行三维建模，将综合管线三维动态显示。

本发明的特点还在于，

其中的步骤2中的三维建模，具体按照以下步骤实施：

a：数据的结构化存储；

b：坐标系转换、比例设定；

c：场景三维建模；

d：管线三维数字建模；

e：场景模型和管线数字模型匹配；

f：管线接口的生成。

其中的步骤a中的数据的结构化存储，采用数据库与配置文件共同存储管线相关数据。

其中的步骤b中的坐标系转换、比例设定，具体按照以下步骤实施：在程序渲染场景时缩小了100倍，即三维场景及管线与实际AutoCAD图纸的比例为1∶100；数据的等价关系为：X场景数据＝0.01X原数据，Y场景数据＝0.01Z原数据，Z场景数据＝-0.01Y原数据。

其中的步骤c中的场景三维建模，具体按照以下步骤实施：首先将设置3Ds Max环境的单位与AutoCAD图的单位一样，即按照1∶1的比例尺进行建模；然后，在AutoCAD工具中，打开平面图，删除标注线、填充、文字与房建信息无关的图元，图纸处理完毕后按照所需格式保存或者另存；然后将处理过的AutoCAD平面图导入3DsMAX中，在导入过程中选择默认导入选项，导入完毕后，进一步处理导入的平面图，删除在AutoCAD工具中忽略的无用的点或者线图元；处理完毕后，全选该平面图，通过3DsMax的移动工具，将此平面图的所在的二维坐标系原点与3Ds Max环境的原点重合，然后根据房建剖面图中的数据，使用3Ds Max工具中的挤出命令生成地铁场景的主体模型，利用3Ds Max工具的创建功能创建地板、楼梯、柱子基础建模模型；场景模型采用纹理贴图技术，将实地探测获得的地铁车站场景图片处理制成标准贴图，然后将其贴到模型之上；最后将完成的地铁场景模型用3ds格式的文件保存，供OpenGL调用。

其中的步骤d中的管线三维数字建模，具体按照以下步骤实施：通过2D或3D图形程序接口三维渲染地铁站场景中的综合管线，并通过图形接口内置函数将管线平移、旋转到空间坐标数据指定的位置。

其中的步骤e中的场景模型和管线数字模型匹配，具体按照以下步骤实施：首先，用图形接口函数OpenGL将建好的3DS场景模型导入到程序中，设置场景的坐标0点与数据提取时的坐标0点相对应，再将场景缩小一百倍，并将综合管线数字模型导入到场景中。

其中的步骤f中的管线接口的生成，具体按照以下步骤实施：对于圆柱体管线的拐角的平滑处理是，在接口处绘制一个与圆柱体半径同样大小半径的球体，从外面查看圆柱体管线接口处即呈现圆滑状；对于长方体管线的拐角的平滑处理是，已知两条管线的端点坐标，分别求出端点所在面的四个顶点坐标，再根据相邻的八个顶点坐标绘制出四个面，四个面围成了一个六面体，模拟了现实中的长方体管线的接口对接，完成平滑过渡。

本发明的有益效果是，

1.模型数字化：传统方式的3DS MAX等建模工具建立的模型是静态模型，一旦模型建立、渲染，便只能在三维可视化管理系统中漫游、查看，而不能做其他操作(如：伸缩、空间移动等)。本方法建立的模型具有数字化特性，可以在三维可视化管理系统中编辑；

2.数据真实性：用本方法建立的三维管线模型用到的数据都是来自AutoCAD图纸，其数据都是真实可靠的；

3.地铁场景模型和管线模型的坐标统一性：由本方法建立的管线三维模型在场景中的空间位置与AutoCAD图中的管线数据相对性，即管线三数字模型在场景中的位置与管线在AutoCAD图纸中的位置信息对应；

4.地铁场景建模和管线三维建模分离：由于地铁场景一旦建立就不需要管理，它只是作为三维管线的一种空间位置参考，因此地铁场景的建模可以由传统的方法完成，即用3DS MAX建模工具建模；而管线信息需要管理，不能用建模工具建立，必须数字化建模，即用提取到的空间数据生成；

5.管线三维模型可配置、可更改、可管理：本方法建立的管线三维模型，其数据存储于配置文件中，对文件中数据的修改就可以实现对管线模型的修改。

附图说明

图1是本发明方法中建模的流程图；

图2是本发明方法中建模的数据结构图；

图3是本发明方法中建模坐标转换示意图；

图4是本发明方法中地铁三维场景建模过程图；

图5是本发明方法中圆柱体管线初始位置和目标位置的空间几何模型图；

图6是本发明方法中圆柱体管线变换过程的空间几何模型图；

图7是本发明方法中圆柱体管线接口处理方法示意图；

图8是本发明方法中长方体管线接口处理方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

步骤1：从综合管线AutoCAD图纸中提取综合管线数据；

步骤2：根据步骤1得到的管线综合管线数据进行三维建模，将综合管

线三维动态展示出来进行管理。如图1所示，首先从配置文件中读取数据，获得管线的空间信息；并判断管线类型，如果是圆管就绘制圆柱体管线模型，如果是方管就绘制长方体管线模型；再根据该管线的空间位置信息将初始的管线模型移动、旋转到目标位置。这就是管线数字化建模的基本流程。

三维建模具体按照以下步骤实施：

a：数据的结构化存储

考虑到管线渲染的速度，本方法采用数据库与配置文件共同存储管线相关数据。与管线三维渲染相关的数据存储到XML配置文件中，管线渲染不直接用到的属性数据存储到数据库中。这样存储的特点是，既结合了XML配置文件小巧、便捷、读写快等特性，又考虑到数据库的通用性和安全性等特性。数据存储结构如图2所示。

b：坐标系转换、比例设定

从AutoCAD图纸中提取到的数据所在坐标系如图3中A所示，而OpenGL场景中坐标系如图3中B所示，虽然都是右手规则坐标系，但所表示维度并不对应。它们之间的对应关系是：X原数据→X场景数据，Y原数据→-Z场景数据，Z原数据→Y场景数据。

考虑到场景渲染的速度，本方法在程序渲染场景时将其缩小了100倍，即三维场景及管线与实际AutoCAD图纸的比例为1∶100；数据的等价关系为：X场景数据＝0.01X原数据，Y场景数据＝0.01Z原数据，Z场景数据＝-0.01Y原数据。

c：场景三维建模

场景三维建模如图4所示，首先将设置3Ds Max环境的单位与AutoCAD图的单位一样，即按照1∶1的比例尺进行建模。

然后，预处理AutoCAD格式的地铁房建平面图。在AutoCAD工具中，打开此平面图，删除标注线、填充、文字等所有与房建信息无关的图元，柱子、楼梯等是地铁场景中重要的参考建筑，在图纸处理过程中不能随意改动各自的位置。图纸处理完毕后按照所需格式保存或者另存。

然后将此处理过的AutoCAD平面图导入3Ds MAX中，在导入过程中选择默认导入选项，导入完毕后，进一步处理导入的平面图，删除在AutoCAD工具中忽略的无用的点或者线等图元。处理完毕后，全选该平面图，通过3DsMax的移动工具，将此平面图的所在的二维坐标系原点与3Ds Max环境的原点重合，然后根据房建剖面图中的数据，使用3Ds Max工具中的挤出命令生成地铁场景的主体模型，在此基础上利用3Ds Max工具的创建功能创建地板、楼梯、柱子等基础建模模型。为使场景达到逼真的效果，场景模型采用纹理贴图技术，即将实地探测获得的地铁车站场景图片通过Photoshop等工具处理制成标准贴图，然后将其贴到模型之上。

此外，为了降低模型的数据量，要删除掉模型中看不到或者重叠的面，在不是真的前提下降低模型的点或者面的个数，尽量使用自绘模型而不是由3Ds Max环境提供的模型。最后将完成的地铁场景模型用3ds格式的文件保存，供OpenGL调用。

d：管线三维数字建模

所谓管线三维数字建模，就是通过2D/3D图形程序接口三维渲染地铁站场景中的综合管线，并通过图形接口内置函数将管线平移、旋转到空间坐标数据指定的位置。实现管线长度与提取的空间数据两点间距离相等，管线两端点位置与提取到的空间数据两点位置一致，这样就能实现管线的可控性。即在场景中的三维管线模型的空间数据和属性数据都是由后台数据生成的，因此对空间数据的修改就能实现对三维管线的修改，这些修改包括：修改管线长度、修改管线宽高、修改管线空间位置(实现管线的空间移动)。

用数据控制管线空间位置的方法几何模型如图5、图6所示。

初始线段(管线初始位置)：以C(0，1，0)为起点，它的长度D(distance)通过目标线段计算，终点坐标为(0，1-distance，0)。

目标线段(管线目标位置)：以A(x1，y1，z1)为起点，以B(x2，y2，z2)为终点。

变换过程：通过变换矩阵将起始线段CD平移、旋转到目标线段AB。

e：场景模型和管线数字模型匹配

首先，用图形接口函数OpenGL将之前建好的3DS场景模型导入到程序中，设置场景的坐标0点与数据提取时的坐标0点相对应，再将场景缩小一百倍，并用步骤c的方法将综合管线数字模型导入到场景中，这样渲染的场景和管线就能在OpenGL的屏幕坐标系中匹配，它们之间的相对位置关系与原图纸中相对位置关系就能一一对应。

f：管线接口的生成

对于从AutoCAD中提取到的数据，管线之间肯定会存在对接不严的问题，即同一条管线会分为若干个管线段，它们之间的接口平滑过渡的问题就必须解决，同时同一条管线的拐角处的平滑过渡也是本方法要解决的问题。

圆柱体管线：对于圆柱体管线的拐角的平滑处理是，在接口处绘制一个与圆柱体半径同样大小半径的球体。从外面查看圆柱体管线接口处即可呈现圆滑状。如图7所示即为圆柱体管线接口处理示意图。

长方体管线：考虑到长方体管线有频繁的规格变化和空间位置变化，接口会有很多不同的对接情况。如图8所示，已知两条管线的端点坐标，分别求出该端点所在面的四个顶点坐标，再根据相邻的八个顶点坐标绘制出四个面，这四个面围成了一个六面体(两个接口对接处没有面)，这样就模拟了现实中的长方体管线的接口对接，做到了平滑过渡。

用本方法把综合管线数字化建模和地铁三维场景的传统建模相结合，将管线模型和房建结构模型分而建之，按照管理程度的不同分别进行管理和存储。综合管线是需要管理的对象，它的建模需要由数据生成和控制；而房建信息只是作为空间位置参考，一旦建立就不需管理和修改，因此用3DS MAX等建模工具完成。这样做就能在后期的开发中将它们分而治之。

实施例

以绘制圆柱体管线为例，圆管主要是用圆柱体来作为表现形式的。下面介绍本方法数字建模主要使用的几个OpenGL函数：

auxSolidCylinder(GLfloat radius，GLfloat length)

绘制的圆柱的上底面是固定的，而且是固定在当前坐标系中y＝1.0f的平面上，以y轴为轴，随着指定高度的不同不断地向y轴负方向延伸.(如图5从C点开始绘制)。

glTranslatef(GLfloat x，GLfloat y，GLfloat z)

把当前矩阵和一个表示移动物体的矩阵相乘。三个参数分别表示了在三个坐标上的位移值。

glRotatef(GLfloat angle，GLfloat x，GLfloat y，GLfloat z)

把当前矩阵和一个表示旋转物体的矩阵相乘。物体将绕着(0，0，0)到(x，y，z)的直线以逆时针旋转，参数angle表示旋转的角度。glRotatef()只使物体绕过原点的直线旋转，所以首先要把坐标系移到这个侧面的旋转轴上。

如图5所示：

初始线段：以C(0，1，0)为起点，它的长度D(distance)通过目标线段计算，终点坐标为(0，1-distance，0)。

目标线段：以A(x1，y1，z1)为起点，以B(x2，y2，z2)为终点。

目的：通过变换矩阵将起始线段CD平移、旋转到目标线段AB。

具体计算步骤：

1.根据A、B两点的坐标求出圆柱长度distance，然后就可以求出D点的坐标。

2.计算CD向量与AB向量的法向量(fx，fy，fz)以及CD与AB的夹角angle。

(1)求C′D′，其中C′D′//CD，C′与A重合(这样C′D′和AB就在一个平面上，这两个空间线段的公共顶点是(2，4，5))。

(2)求C′D′和AB表示的“起始向量(sx，sy，sz)”和“目标向量(dx，dy，dz)”。

(3)由向量的叉积公式求出向量C′D′和向量AB的法向量(fx，fy，fz)。

(4)求出D′B的长度，这样，三角形AD′B每条边的长度都已知，根据三角形的余弦定理，求出角D′AB的度数。

3.将起始线段CD的起点移动到原点(0，0，0)。

4.使用glRotatef将CD绕着法向量(fx，fy，fz)旋转angle度，使CD与AB平行，即glRotatef(angel，fx，fy，fz)。

5.使用glTranslatef将旋转后的CD平移到AB位置，平移量为A点的坐标，即glTranslatef(x1，y1，z1)。

通过此方法三维管线模型就按照提取到的空间坐标移动到了指定位置，并且管线长度都是由两点之间的空间坐标值计算而来，也就保证了数据的准确性和与原数据的统一性。

Claims (1)

1.地铁综合管线三维可视化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从综合管线图纸中提取综合管线数据；

步骤2：根据步骤1得到的综合管线数据进行三维建模，将综合管线三维动态显示，具体按照以下步骤实施：

a：数据的结构化存储，采用数据库与配置文件共同存储管线相关数据；

b：坐标系转换、比例设定，具体按照以下步骤实施：在程序渲染场景时缩小了100倍，即三维场景及管线与实际AutoCAD图纸的比例为1：100；数据的等价关系为：X场景数据=0.01X原数据，Y场景数据=0.01Z原数据，Z场景数据=-0.01Y原数据；

c：场景三维建模，具体按照以下步骤实施：首先将设置3Ds Max环境的单位与AutoCAD图的单位一样，即按照1：1的比例尺进行建模；然后，在AutoCAD工具中，打开平面图，删除标注线、填充、文字与房建信息无关的图元，图纸处理完毕后按照所需格式保存或者另存；然后将处理过的AutoCAD平面图导入3Ds MAX中，在导入过程中选择默认导入选项，导入完毕后，进一步处理导入的平面图，删除在AutoCAD工具中忽略的无用的点或者线图元；处理完毕后，全选该平面图，通过3DsMax的移动工具，将此平面图的所在的二维坐标系原点与3Ds Max环境的原点重合，然后根据房建剖面图中的数据，使用3Ds Max工具中的挤出命令生成地铁场景的主体模型，利用3Ds Max工具的创建功能创建地板、楼梯、柱子基础建模模型；场景模型采用纹理贴图技术，将实地探测获得的地铁车站场景图片处理制成标准贴图，然后将其贴到模型之上；最后将完成的地铁场景模型用3ds格式的文件保存，供OpenGL调用；

d：管线三维数字建模，具体按照以下步骤实施：通过2D或3D图形程序接口三维渲染地铁站场景中的综合管线，并通过图形接口内置函数将管线平移、旋转到空间坐标数据指定的位置；

e：场景模型和管线数字模型匹配，具体按照以下步骤实施：首先，用图形接口函数OpenGL将建好的3DS场景模型导入到程序中，设置场景的坐标0点与数据提取时的坐标0点相对应，再将场景缩小一百倍，并将综合管线数字模型导入到场景中；

f：管线接口的生成，具体按照以下步骤实施：对于圆柱体管线的拐角的平滑处理是，在接口处绘制一个与圆柱体半径同样大小半径的球体，从外面查看圆柱体管线接口处即呈现圆滑状；对于长方体管线的拐角的平滑处理是，已知两条管线的端点坐标，分别求出端点所在面的四个顶点坐标，再根据相邻的八个顶点坐标绘制出四个面，四个面围成了一个六面体，模拟了现实中的长方体管线的接口对接，完成平滑过渡。

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