CN110826128B - 一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法 - Google Patents

一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110826128B
CN110826128B CN201911050424.8A CN201911050424A CN110826128B CN 110826128 B CN110826128 B CN 110826128B CN 201911050424 A CN201911050424 A CN 201911050424A CN 110826128 B CN110826128 B CN 110826128B
Authority
CN
China
Prior art keywords
line
grooving
profile
line segment
plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911050424.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110826128A (zh
Inventor
李明超
韩帅
白硕
孔锐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201911050424.8A priority Critical patent/CN110826128B/zh
Publication of CN110826128A publication Critical patent/CN110826128A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110826128B publication Critical patent/CN110826128B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/05—Geographic models
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Processing Or Creating Images (AREA)

Abstract

本发明公开了一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法：(1)确定挖槽底部的多段线轮廓、各个边所坡比和挖槽高程；(2)在三维建模平台中建立挖槽底部轮廓，并进行封闭性检验；(3)对挖槽底部轮廓线段排序；(4)根据各条边的坡比求出坡面所在的平面方程，并求得相邻两个坡面平面的交线，即挖槽的棱线；(5)依次求出各个棱线在挖槽高程处的点的坐标，并依次相连生成挖槽上口轮廓；(6)将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应，生成挖槽侧面；(7)根据三维挖槽模型进行疏浚作业。本发明将繁琐的挖槽三维建模过程程序化，用多种计算机图形学算法相结合的方式取代传统建模中所有的人为判断的过程，简化了复杂挖槽的建模设计流程。

Description

一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法
技术领域
本发明涉及疏浚工程、三维建模分析以及计算机图形学，特别涉及一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法。
背景技术
航道、港池、泊位挖槽的设计是疏浚港口航道疏浚工程设计最为重要的内容之一。挖槽的设计与工程质量和工程成本息息相关，合理的挖槽设计能够缩短工期、提高工程质量、节约工程成本。
然而，挖槽设计是一个非常复杂的过程。首先，它需要考虑的因素众多，如挖槽断面土质种类、物理力学特性、海域波浪水流以及泥沙沉积的影响、航道被掩护的程度、疏浚设备类型和施工方法、边坡形成的时间等。其次，挖槽边坡本身包含不同种类，大体可分为设计边坡和稳定边坡，设计边坡是根据开挖航槽的土质物理力学特性而确定的；稳定边坡是在两次维护期之间，定期维护疏浚开始前，由于各种外部影响因素作用下，形成相对平衡和比较稳定的边坡。另外，在地质条件复杂的地区，疏浚挖槽可能贯穿多个不同土层，不同土层的土质类型不同、物理力学特性也不同，常需要设计多级边坡。在实际放坡过程中，坡度设计都比较保守，坡比较缓。这就导致在很多情况下超挖土方量会比较大，尤其是地质环境为岩石类的挖槽，偏保守的坡度设计会增大疏浚土的超挖量，以致极大地增加开挖的成本。
由此可见，挖槽的设计是疏浚过程中至关重要，又非常复杂的一个环节。在传统的挖槽设计过程中，设计人员大都是借助CAD进行剖面分析，但二维的图形显示度有限，难以满足复杂挖槽的设计需求。对于三维建模平台，目前业内广泛应用的疏浚设计软件为Hpack、CASS，但这些软件仅提供了基本的建模功能，并没有给出针对复杂挖槽的快速建模方法。在设计过程中，由于需要的考虑的因素众多，一旦某个影响因素发生改变，挖槽就需要重新设计，这一过程极为繁琐，工作量很大。因此，设计人员亟需一种高度自动化的，可以对复杂挖槽在三维平台上进行快速建模的方法。
发明内容
本发明的目的是将繁琐的挖槽三维建模过程程序化，利用计算机图形学算法取代建模中的人为分析过程，提供一种高度自动化的复杂挖槽的快速建模方法，简化了复杂挖槽的建模设计流程。
本发明所采用的技术方案是：一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，包括以下步骤：
步骤A，确定施工区挖槽底部的多段线轮廓和各个边所对应的坡比，以及挖槽高程；
步骤B，在三维建模平台中建立挖槽底部轮廓，并进行封闭性检验；
步骤C，对挖槽底部轮廓的各个线段进行排序；
步骤D，根据各条边的坡比求出坡面所在的平面方程，并求得相邻两个坡面平面的交线，即挖槽的棱线；
步骤E，依次求出各个棱线在挖槽高程处的点的坐标，并依次相连生成挖槽上口轮廓；
步骤F，将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应，生成挖槽侧面，至此，完成三维挖槽模型建模；
步骤G，根据三维挖槽模型进行疏浚作业。
进一步地，步骤A中，所述的挖槽底部的多段线轮廓为若干线段组成的凸多边形或凹多边形，各个线段为由两个点组成的数组，各个线段在同一高程或在不同高程。
进一步地，步骤B中，所述的封闭性检验的方法为：对于多边形的任意一个边的任意一个端点，有且仅有另外一条边的其中一个端点与其重合。
进一步地，步骤C中，所述的对挖槽底部轮廓的各个线段排序为：以挖槽底部轮廓多段线中的任意一个线段为第一条线段，按俯视逆时针的顺序将其余的线段排序。
其中，步骤C具体包括：
步骤C1，按首尾相接的原则对挖槽底部轮廓线的各个线段进行初步排序，此时，从俯视角度，各个线段的顺序为顺时针或为逆时针；
步骤C2，忽视多边形的所有高程坐标，将多边形视为平面多边形；
步骤C3，随机选取一条线段，按矢量叉乘法则在该线段右侧接近线段中点处生成一点；
步骤C4，利用射线法，判断该点是否在多边形外部，如果是，则此时的线段排序为逆时针；否则，需要将已排序好的线段进行倒序处理。
进一步地，步骤D中，所述的坡面所在的平面方程求得方法为：对于挖槽底部轮廓的其中一条线段，通过求解二元二次方程组找到过该线段的平面，使该平面与水平面的夹角正切值为该线段坡比的倒数。
其中，若所找到的过该线段的平面为两个，则，在该线段右侧接近该线段中点处生成一点，过该点做一条铅垂线，如果该铅垂线与平面的交点的高程比该点高，则该平面满足要求，否则舍弃。
进一步地，步骤D中，所述的相邻两个坡面平面的交线，通过联立两个平面方程并解线性方程组求得。
进一步地，步骤E中，所述的挖槽上口轮廓为各定点高程相等的任意多边形。
进一步地，步骤F中，所述的将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应所根据的原则为：挖槽上口轮廓与底部轮廓相对应的两个线段由两条共同的棱线相连。
本发明的有益效果是：本发明为一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，将繁琐的挖槽三维建模过程程序化，用多种计算机图形学算法相结合的方式取代了传统建模中所有的人为判断的过程，极大地简化了复杂挖槽的建模设计流程，提高了疏浚工程设计工作的精准度与试算工作的效率，对工程量计算、可视化分析等起到了极大的促进作用。
附图说明
图1：本发明中判断点在直线左(右)侧原理图；
图2：本发明中射线法判断点与多边形的位置关系示意图；
图3：本发明中通过底边和坡比生成边坡示意图；
图4a：I型挖槽底面形状示意图；
图4b：II型挖槽底面形状示意图；
图4c：III型挖槽底面形状示意图；
图4d：IV型挖槽底面形状示意图；
图5a：I型挖槽三维模型示意图；
图5b：II型挖槽三维模型示意图；
图5c：III型挖槽三维模型示意图；
图5d：IV型挖槽三维模型示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，包括以下步骤：
步骤A，确定施工区挖槽底部的多段线轮廓和各个边所对应的坡比，以及挖槽高程。所述的挖槽底部的多段线轮廓为若干线段组成的凸多边形或凹多边形，各个线段可以在同一高程，也可以在不同高程。各个线段为由两个点组成的数组，多段线轮廓则是若干线段组成的数组，这种数据格式适用于当前几乎所有的建模软件，如CAD、Rhino 3D、Revit。
步骤B，在三维建模平台中建立挖槽底部轮廓，并进行封闭性检验。所述的封闭性检验是为了保证底部轮廓线是一个没有缺口的多边形，其原则为：对于多边形的任意一个边的任意一个端点，有且仅有另外一条边的其中一个端点与其重合。
步骤C，对挖槽底部轮廓的各个线段进行排序。所述的对挖槽底部轮廓的各个线段排序为：以挖槽底部轮廓多段线中的任意一个线段为第一条线段，按俯视逆时针的顺序将其余的线段排序，这一过程进一步包括：
步骤C1，按首尾相接的原则对挖槽底部轮廓线的各个线段进行初步排序，此时，从俯视角度，各个线段的顺序可能为顺时针，也可能为逆时针；
步骤C2，在以下的子步骤中，忽视多边形的所有高程坐标，将多边形视为平面多边形；
步骤C3，随机选取一条线段，按矢量叉乘法则在该线段右侧接近线段中点处生成一点，该步骤的原理如图1所示；
假设线段的两个端点为P0和P1，另有一点为P2，同时令a＝P0P1，b＝P0P2。之后计算这两个矢量的叉积，如式(1)。如结果大于0，则P2点在线段P0P1的左边；等于0则P2点在线段上；小于0则P2点在线段右边。
|a×b|＝axby-aybx (1)
式中，ax为a在x方向的分量，ay为a在y方向的分量，bx为b在x方向的分量，by为b在y方向的分量；
步骤C4，利用射线法，判断该点是否在多边形外部，如果是，则此时的线段排序为逆时针；否则，需要将已排序好的线段进行倒序处理。所述的射线法可被描述为：先画一条穿过被测点的水平射线，判断射线与多边形的交点。如果交点的数量为奇数，则被测点在多边形内；如果交点的数量为偶数，则被测点在多边形以外，如图2所示。但是，有两种特殊情况需要注意：(1)当射线刚好经过凸多边形两条相邻边的交点上的情况会导致重复判断，此时判断的方法是，假定该顶点位于水平射线以上，再判断射线与各边的相交个数；(2)射线刚好经过多边形的一条边，此时算作射线连续经过了多边形的两个相邻顶点。
步骤D，根据各条边的坡比求出坡面所在的平面方程，并求得相邻两个坡面平面的交线，即挖槽的棱线。所述的坡面所在的平面方程求得方法为：对于挖槽底部轮廓的其中一条线段，通过求解二元二次方程组找到过该线段的平面，使该平面与水平面的夹角正切值为该线段坡比的倒数。该方法如图3所示。
本发明中所有的平面均用四个参数表示，即A、B、C和D，该四个参数确定的平面方程为：
Ax+By+Cz+D＝0 (2)
需要注意的是，满足该要求的平面一般有两个，此时遵循的规则是：在该线段右侧接近该线段中点处生成一点，过该点做一条铅垂线，如果该铅垂线与平面的交点的高程比该点高，则该平面满足要求，否则需要舍弃。
对于相邻的两个坡面，通过联立两个坡面所在平面的方程，求解线性方程组得到两个平面的交线，即棱线，其一般方程为：
式中，A1、B1、C1、D1和A2、B2、C2、D2分别为两个平面的参数。
步骤E，经上述步骤后，对一个n边形，可生成n条棱线，依次求出各个棱线在挖槽高程处的点的坐标，并依次连接这些点生成挖槽上口轮廓。所述的挖槽上口轮廓为各定点高程相等的任意多边形。
步骤F，不难分析出，两个相邻的棱线之间，对应着一个挖槽上口轮廓线段和一个挖槽底部轮廓线段，这两个线段处于同一平面，连接这两个线段的四个端点，便生成了挖槽的一个侧面。以这种方法，可逐个生成挖槽的所有侧面。
通过以上步骤A至步骤F，即可快速生成疏浚工程任意形状底面三维挖槽模型。
步骤G，根据三维挖槽模型进行疏浚作业。可以通过本发明所建立的三维挖槽模型，再加上地质模型，计算疏浚作业需要开挖的工程量，甚至可以细化到每一类土所占的比重，对于计算施工成本及进度安排起着重要作用。
下面我们将借助一个实例对本方法进行验证，整个建模过程中，通过C#语言将所提出的方法程序化，并在Rhinoceros 3D软件中实现三维可视化：
实例中的挖槽分为四种：(1)I型挖槽，底面形状为凸多边形，且各边高程相同；(2)II型挖槽，底面形状为凹多边形，且各边高程相同；(3)III型挖槽，挖槽底面各边高程不同；(4)IV型挖槽，即变坡比挖槽，挖槽的侧面不是一个平面，而是由多个平面组成的折面，如图4a至图4d所示。其中，IV型挖槽示例的底面与I型挖槽示例的底面相同。I型挖槽的底高程为0m，顶高程为5m，底边轮廓为凸四边形，且四条边的坡比分别为1:2、1:2、1:4、1:3；II型挖槽的底高程为0m，顶高程为5m，底边轮廓为凹五边形，且五条边的坡比分别为1:2、1:2、1:4、1:3、1:3；III型挖槽的底高程为0m，顶高程为10m，底边轮廓为凹六边形，且五条边的坡比分别为1:2、1:2、1:4、1:4、1:3、1:3；IV型挖槽的底高程为0m、顶高程为5m，由于IV型挖槽是变坡比(即多级挖槽)，在挖槽的顶和底之间会有一个折坡，折坡高程为3m，折坡高程到底部高程的各侧的坡比均为1:1，顶部高程到折坡高程部分各侧的坡比均为1:2。
根据本发明所提出的方法，只需要在底部轮廓已知的情况下，输入各个坡比和高程，便可直接生成三维挖槽。图5a至图5d为快速生成的三维挖槽模型，生成四个模型的操作时长如表1所示：
表1生成四种挖槽所有用时长
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A，确定施工区挖槽底部的多段线轮廓和各个边所对应的坡比，以及挖槽高程；
步骤B，在三维建模平台中建立挖槽底部轮廓，并进行封闭性检验；
步骤C，对挖槽底部轮廓的各个线段进行排序：以挖槽底部轮廓多段线中的任意一个线段为第一条线段，按俯视逆时针的顺序将其余的线段排序，包括：
步骤C1，按首尾相接的原则对挖槽底部轮廓线的各个线段进行初步排序，此时，从俯视角度，各个线段的顺序为顺时针或为逆时针；
步骤C2，忽视多边形的所有高程坐标，将多边形视为平面多边形；
步骤C3，随机选取一条线段，按矢量叉乘法则在该线段右侧接近线段中点处生成一点；
步骤C4，利用射线法，判断该点是否在多边形外部，如果是，则此时的线段排序为逆时针；否则，需要将已排序好的线段进行倒序处理；
步骤D，根据各条边的坡比求出坡面所在的平面方程，并求得相邻两个坡面平面的交线，即挖槽的棱线；
步骤E，依次求出各个棱线在挖槽高程处的点的坐标，并依次相连生成挖槽上口轮廓；
步骤F，将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应，生成挖槽侧面，至此，完成三维挖槽模型建模；
步骤G，根据三维挖槽模型进行疏浚作业。
2.根据权利要求1所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，步骤A中，所述的挖槽底部的多段线轮廓为若干线段组成的凸多边形或凹多边形，各个线段为由两个点组成的数组，各个线段在同一高程或在不同高程。
3.根据权利要求1所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，步骤B中，所述的封闭性检验的方法为：对于多边形的任意一个边的任意一个端点，有且仅有另外一条边的其中一个端点与其重合。
4.根据权利要求1所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，步骤D中，所述的坡面所在的平面方程求得方法为：对于挖槽底部轮廓的其中一条线段，通过求解二元二次方程组找到过该线段的平面，使该平面与水平面的夹角正切值为该线段坡比的倒数。
5.根据权利要求4所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，若所找到的过该线段的平面为两个，则，在该线段右侧接近该线段中点处生成一点，过该点做一条铅垂线，如果该铅垂线与平面的交点的高程比该点高，则该平面满足要求，否则舍弃。
6.根据权利要求1所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，步骤D中，所述的相邻两个坡面平面的交线，通过联立两个平面方程并解线性方程组求得。
7.根据权利要求1所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，步骤E中，所述的挖槽上口轮廓为各定点高程相等的任意多边形。
8.根据权利要求1所述的任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，其特征在于，步骤F中，所述的将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应所根据的原则为：挖槽上口轮廓与底部轮廓相对应的两个线段由两条共同的棱线相连。
CN201911050424.8A 2019-10-31 2019-10-31 一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法 Active CN110826128B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911050424.8A CN110826128B (zh) 2019-10-31 2019-10-31 一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911050424.8A CN110826128B (zh) 2019-10-31 2019-10-31 一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110826128A CN110826128A (zh) 2020-02-21
CN110826128B true CN110826128B (zh) 2024-03-12

Family

ID=69551755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911050424.8A Active CN110826128B (zh) 2019-10-31 2019-10-31 一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110826128B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111553008B (zh) * 2020-04-23 2023-06-06 深圳市秉睦科技有限公司 一种将边坡三维地质模型转换为二维计算剖面的方法
CN112214823B (zh) * 2020-10-22 2024-05-10 淮安市水利勘测设计研究院有限公司 一种基于Revit+Dynamo的渡槽建模方法
CN115952588B (zh) * 2023-03-13 2023-06-09 中交第四航务工程勘察设计院有限公司 一种基于bim模型的变坡地层疏浚开挖计算方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108875177A (zh) * 2018-06-06 2018-11-23 中交上海航道勘察设计研究院有限公司 基于bim模型创建单波束测点下内河航道疏浚图形的方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108875177A (zh) * 2018-06-06 2018-11-23 中交上海航道勘察设计研究院有限公司 基于bim模型创建单波束测点下内河航道疏浚图形的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
缪正建 ; 钟登华 ; 李明超 ; 高伟 ; .疏浚工程土质三维建模与可视化分析系统.河海大学学报(自然科学版).2013,(第04期),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110826128A (zh) 2020-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110826128B (zh) 一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法
CN108776993B (zh) 带有孔洞的三维点云的建模方法及地下电缆工井建模方法
CN106683167B (zh) 复杂建筑物高精度模型自动建模方法
CN110409369B (zh) 边坡开挖数字化施工与质量控制方法
CN104966317B (zh) 一种基于矿体轮廓线的三维自动建模方法
CN102306396A (zh) 一种三维实体模型表面有限元网格自动生成方法
AU2005241463A1 (en) System and method for approximating an editable surface
CN110188423A (zh) 一种基于有限元网格划分的线性工程结构快速bim建模方法
CN109461209B (zh) 一种新型结构网格生成方法
CN112116713B (zh) 一种线性承台类构件高精度钢筋布置方法
CN111783260A (zh) 一种面向stl文件的截面轮廓线段连接方法
CN104392489B (zh) 顾及拓扑的三维地理空间实体群的线消隐方法
CN111445569B (zh) 一种沉积地质演化动态模拟方法
CN114925624B (zh) 一种天然河道三维水流数值模拟方法
CN110533739B (zh) 一种地图网格的成图方法
CN115758938A (zh) 面向粘性边界流场数值模拟的附面层网格生成方法
KR920006291B1 (ko) 솔리드. 모델링(Solid. modeling)방법
CN114282331B (zh) 一种天然河道三维网格生成方法
CN116012613A (zh) 一种基于激光点云的露天矿的土方量变化测算方法和系统
CN115512075A (zh) 一种基于拓扑有向图的四边形网格保特征重划分方法
Falcidieno et al. Natural surface approximation by constrained stochastic interpolation
CN112100726B (zh) 平面正交多轴向承台钢筋智能化生成方法
CN111898687B (zh) 一种基于狄隆涅三角剖分的雷达反射率数据融合方法
CN113609691A (zh) 一种面向智慧交通仿真的交叉路口建模处理方法
CN113674294A (zh) 一种3d模型切片处理方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant