CN113392485A - 一种地下供水管网三维虚拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种地下供水管网三维虚拟仿真方法，包括以下步骤：步骤1，采用Unity3D软件动态绘制供水管网；步骤2，透明化模块；步骤3，流向显示；从数据库中获取管网各段的位置信息、管道及阀门的口径数据，然后对位置信息进行坐标配准，再基于三角面片重组的原理在对应坐标位置自动生成相同半径和长度的圆柱体来拟合三维管线，在管线两端添加阀门的预制体，同时实现了具体点击管线时显示对应的id编号以及经纬度和管径等信息，并能够实现定位阀门位置和水流向的模拟显示；用于地下供水管网工程设计和运维工作，建立地下供水管网设施三维应用系统，不但节省了地下供水管网三维建模的人力成本，还提高了工作效率和直观展示效果。

Description

一种地下供水管网三维虚拟仿真方法

技术领域

本发明属于供水管网三维仿真技术领域，具体涉及一种地下供水管网三 维虚拟仿真方法。

背景技术

供水管网系统是十分重要的城市基础设施，随着城市人口的增加，建筑 规模的扩大，供水管线愈发交错的排列在城市的地下，管道之间错综复杂的 关系也使得管理与维护变得十分困难。

以传统二维方式显示的管网已经难以跟上目前实际的应用需求，二维管 线无法表达管线之间位置关系，从而无法体现管线之间的权重关系。在城市 地下供水管线建设时，由于传统的以手工建模为主的三维生成技术不但成本 高，而且生成三维管网图形的效率也比较低下，所以其不适合在海量数据应 用情况下的应用分析。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地下供水管网 三维虚拟仿真方法，该方法实现了基于数据自动生成管网的方式，不但节省 了管网三维建模的人力成本，而且也提高了相应的工作效率；本方法可用于 针对城市地下供水管理现状进行可视化管理，也可用于地下供水管网工程设 计和运维工作，建立地下供水管网设施三维应用系统，不但节省了地下供水 管网三维建模的人力成本，还提高了工作效率和直观展示效果，使得城市供 水管网的建设和管理更便捷，减少随意开挖的地面，降低维修的人力物力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种地下供水管网的三维虚拟仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，采用Unity3D软件动态绘制供水管网，本步骤又包括以下步骤：

步骤1.1，管线表面几何构成

在三维虚拟环境中，管线以圆柱体表示，圆柱体的截面半径为管线半径， 圆柱面的轴心为管线中心线；以三角面片构造管线表面，2n个三角形连接构 成了一个棱柱体，逼近形成圆柱面，表示圆柱体；

步骤1.2，Mesh组件

Mesh中存储连接顺序的集合，在Mesh生成中，Unity3D软件依照此集 合中的标号依次连接vertices中的顶点，在Unity3D软件中，由于mesh都是 由一个个的小三角形组成的，因此，这个集合使用时将是每三个顶点号为一 组，然后以此往复向后，在给三角面片赋值时，标号不超过vertices中记录 的标号，否则会导致错误出现；

步骤1.3，生成圆柱体管线

步骤1.4，坐标转换；

将管段作为标准进行简化，建立自动化的三维管网的应用模型，管段信 息包括起始点三维坐标、终止点三维坐标、管段半径以及管段长度；

将经纬度转换为平面坐标，坐标转换时，取间隔距离较大的两个点，假 定它们的经纬度坐标和Unity坐标分别为(X1，Y1)，(X2，Y2)，(x1， z1)，(x2，z2)，代入到

即可解得两组系数k1、b1和k2、b2，将数据库中的经纬度点代入此公 式中即可得到相应的Unity平面坐标，最终即得到经纬度坐标对应的三维坐 标；

步骤1.5，动态生成管网；

进行坐标转换后，利用Unity3D软件绘制圆柱的原理，连接数据库，获 取管网经纬度坐标，利用计算公式编写坐标转换的函数，调用坐标转换函数 将经纬度坐标转换为Unity坐标进行输入，然后调用绘制圆柱的函数即可实 现动态生成管网的功能；

步骤2，透明化模块

MeshRenderer(网格渲染器)从MeshFilter(网格过滤器)获得几何形 状，并根据Mesh进行渲染，渲染后实现地下供水管网的通视效果；

步骤3，流向显示

按照地下管线的详细属性信息，对管网进行流向追踪，依据管线规划制 图要求，实现表达流向的三维动态纹理设置。

所述的步骤1.3，具体又包括以下步骤：

规定圆环会被划分为多少份来生成，记为blockCounts，blockCounts越 小，环形的边界也会相应的慢慢变为多边形的样子；然后利用基本的圆的公 式：

2*PI/blockCounts (3)

式中，PI为圆周率，blockCounts为圆环会被划分的份数，

计算每一块的角度，然后开始生成顶点信息；

步骤1.3.2，按一定顺序生成顶点信息；采用先生成内层顶点，然后依 次向外延伸，生成外层顶点的顺序，在生成顶点时要记好自己生成顶点的顺 序；

步骤1.3.3，连接各顶点，填充三角面片；

步骤1.3.4，生成圆柱体管线。

所述的步骤3，又包括以下步骤：

步骤3.1，为管道设置流向标签：正向为1，负向为-1；

步骤3.2，利用GUI.Layout.Button()函数创建流向显示按钮；

步骤3.3，GameObject.FindGameObjectsWithTag()函数获取流向标签；

步骤3.4，根据获取到的流向标签为管道赋予不同的三维动态纹理。

步骤1.3.1，角度计算，规定圆环被划分为k份，计算每份角度。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种地下供水管网三维虚拟仿真系 统，在基于三角面片重组的管线自动绘制方法和基于数据自动生成管网方法 的基础上，从数据库中获取的管网各段的位置信息(经纬度)、管道及阀门 的口径等数据，将其位置信息数据进行坐标配准后，在对应坐标位置自动生 成相同半径和长度的圆柱体来模拟三维管线。该模式不是通过比照CAD图 纸手动绘制成千上万的管线，这样不但节省了管网三维建模的人力成本，还 提高了工作效率，由此可以通过更加立体、真实、直观的三维管线，表达出 管线之间错综复杂的关系，用于地下供水管网工程设计和运维工作，建立地 下供水管网设施三维应用系统，不但节省了地下供水管网三维建模的人力成 本，还提高了工作效率和直观展示效果。使得城市供水管网的建设和管理更 加便捷。

使用Unity3D软件开发引擎结合MySQL数据库，将数据库中管网各段 的位置信息(经纬度)、管道及阀门的口径等数据读入到Unity3D软件中， 然后对位置信息进行坐标配准，再基于三角面片重组的原理在对应坐标位置 自动生成相同半径和长度的圆柱体来拟合三维管线，在管线两端添加阀门的 预制体，同时实现了具体点击管线时显示对应的id编号以及经纬度和管径信 息，并能够实现定位阀门位置和水流向的模拟显示。本发明的特点还在于： 基于三角面片重组的管线自动绘制方法和基于数据自动生成管网方法。

附图说明

图1是本发明提出的地下供水管网三维仿真技术开发流程图。

图2是管线表面构造拟合图。

图3是管线截面分解图。

图4(a)是Unity3D软件中的Cube组件图。

图4(b)是Unity3D软件中的Sphere组件图。

图4(c)是Unity3D软件中的Cube组件图。

图4(d)是Unity3D软件中的Sphere组件图。

图5是基于三角面片重组的管线自动绘制流程图。

图6是Unity3D软件绘制圆柱效果图。

图7是动态绘制管网流程图。

图8是Unity3D软件动态绘制管道图。

图9是根据管径给管道赋予不同颜色材质图。

图10是流向显示流程图。

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。

本发明是一种三维仿真技术在地下供水管网中的应用方法，如图1所示， 首先连接数据库，获取位置信息；然后坐标配准，将位置坐标转换为Unity 三维坐标；利用三角面片重组原理，根据坐标在对应位置自动绘制圆柱来拟 合管线；在管线两端添加阀门的预制体；导入三维场景，生成三维管网模型。 具体包括以下步骤：

步骤1：Unity3D软件动态绘制供水管网

步骤1.1：管线表面几何构成

在三维虚拟环境中，管线以圆柱体表示，圆柱体的截面半径为管线半径， 圆柱面的轴心即为管线中心线。本发明以三角面片构造管线表面，这2n个 三角形连接构成了一个棱柱体，逼近形成圆柱面，即表示圆柱，如图2所示， 拟合出管线表面构造图。

如图3所示，将圆等分成n份，再由这n个等分点形成内切等边n边形 来拟合圆，理论上n值越大，拟合圆效果越逼真；

拟合圆n边形任意顶点k参数方程为：

式中，R为管线半径，θ＝360/n·k(1≤k≤n)。

以管线中心线起点为例，坐标为(x1,y1,z1)，管线与x轴夹角为，管线端 截面上任意顶点k旋转坐标方程为：

管线截面边界上的n个离散点和管口截面边界上的n个对应离散点有许 多种算法来构建管线表面，如体积最大法、最短对角线法、改进最短对角线 法、三维Delaunay四面体构网算法(三维表面的TIN表达)等，本发明基于 平台UnityMesh组件采用了三角面片重组的方法，取得了较好的模型优化效 果，有效适用于三维地下管网的构建。

步骤1.2：Mesh组件

Mesh是Unity中的一个组件，称为网格组件，通俗的讲，Mesh是指模 型的网格，3D模型是由多边形拼接而成，而多边形实际上是由多个三角形 拼接而成的，所以一个3D模型的表面其实是由多个彼此相连的三角面构成。 如图4所示，三维空间中，构成这些三角形的点和边的集合就是Mesh。

Mesh的组成分为三个部分：

Vertices：Mesh中的顶点集，Mesh所有的顶点位置信息都存储在这里， 其类型为vertex；

Triangles：Mesh中存储连接顺序的集合，在Mesh生成中，unity会依照 此集合中的标号依次连接vertices中的顶点，在Unity中，由于mesh都是由 一个个的小三角形组成的，因此，这个集合使用时将是每三个顶点号为一组， 然后以此往复向后，在给triangles赋值时，标号一定不能超过vertices中记 录的标号，否则会导致错误出现；

USV：Mesh中存储材质的集合，类型为vector3的数组，这个数组提供 的参数将会用于贴图在物体表面的匹配。

步骤1.3：生成圆柱过程

图5是是本发明一个实施例的基于三角面片重组的管线自动绘制流程 图，包括步骤如下。

步骤1.3.1：角度计算：规定圆环被划分为k份，计算每份角度。

首先规定圆环会被划分为多少份来生成，记为blockCounts。blockCounts 越小，环形的边界也会相应的慢慢变为多边形的样子，同时，此项不宜过大， 否则生成的效果一样，但是需要花费更多的CPU资源来生成。然后利用基 本的圆的公式：

2*PI/blockCounts (3)

式中，PI为圆周率，blockCounts为圆环会被划分的份数，

计算每一块的角度，然后开始生成顶点信息。

步骤1.3.2：按一定顺序生成顶点信息(10度36边形)。

本发明采用先生成内层顶点，然后依次向外延伸，生成外层顶点的顺序， 在生成顶点时要记好自己生成顶点的顺序，否则后面填充triangles(三角面片) 数组时会产生混乱。

步骤1.3.3，连接各顶点，填充三角面片。

这里就是连接各个顶点的过程，一般情况下，一个小的面(四边形)需 要填充两个三角形，这也就意味着我们每四个顶点，要互相连接，形成两个 三角形；

步骤1.3.4：最终如图6所示，生成圆柱体管线。

步骤1.4：坐标转换

建立自动化的三维管网的应用模型，就需要将管段作为标准进行简化， 其中管段信息包括起始点三维坐标、终止点三维坐标、管段半径以及管段长 度等，并且在建模应用时，不需要把管段的厚度考虑在内。

本发明使用的数据库中存储的位置信息是经纬度信息，而在Unity空间 中创建物体需要的是三维坐标信息，这就涉及到了坐标转换的问题。首先考 虑将经纬度转换为Unity空间中的三维坐标，但是经过研究与尝试后发现， 由于本发明所涉及的地理范围较小，在空间上可以近似的当成平面看待，且 误差可以忽略不计，因此可以直接将经纬度转换为平面坐标。

进行坐标转换时，取间隔距离较大的两个点，假定它们的经纬度坐标和 Unity坐标分别为(X1，Y1)，(X2，Y2)，(x1，z1)，(x2，z2)，代 入到

即可解得两组系数k1、b1和k2、b2，将数据库中的经纬度点代入此公 式中即可得到相应的Unity平面坐标，最终即得到经纬度坐标对应的三维坐 标。

步骤1.5：动态生成管网

进行坐标转换后，便可以利用Unity绘制圆柱的原理，连接数据库，获 取管网经纬度坐标，利用计算公式编写坐标转换的函数。调用坐标转换函数 将经纬度坐标转换为Unity坐标进行输入。然后调用绘制圆柱的函数即可实 现动态生成管网的功能。图7是本发明一个实施例的动态绘制管网流程图， 包括步骤如下。

步骤1.5.1：连接数据库，获取管道起始点、终点、经纬度、管径大小 等信息。

步骤1.5.2：将经纬度进行坐标转换为Unity三维坐标。

步骤1.5.3：基于Unity的Mesh组件三角面片重组原理定义绘制圆柱的 函数CreateHollowClinder()。

步骤1.5.4：将转换后的三维坐标作为函数参数输入。

步骤1.5.5：调用绘制圆柱的函数CreateHollowClinder()。

步骤1.5.6：绘制三维管网，动态绘制如图8所示。

为了提高不同管径管道的区分度，给不同管径的管道换上不同的颜色， 并在右上角给出图示显示不同颜色所代表的的管径，同时，在管道的首尾位 置创建阀门的模型，最终效果如图9所示。

步骤2：透明化模块

网格渲染器从网格过滤器获得几何形状，并根据Mesh进行渲染，而渲 染所需要的贴图信息就来自于Material。

由于供水管网都是埋藏于地下，所以很难通过比较直观的图像显示，因 此，在本发明应用研究实现时，把埋藏在地下的管线模型和地面上的路面、 房屋建筑的Material分开设置，并将不同设置关联不同的滑动条，进而实现 在改变地面透明度的同时，也能够实现地上及地下数据的通视效果，方便操 作用户更简便的在地面上浏览地下管线的状况，同时也可以通过地面以下浏 览地面上的建筑设施等。

步骤3：流向显示

为了更为直观地显示供水管线的流向，该应用按照地下管线的详细属性 信息，对管网进行流向追踪，依据管线规划制图要求，实现表达流向的三维 动态纹理设置。图10是本发明一个实施例的流向显示流程图，包括步骤如 下。

步骤3.1：为管道设置流向标签：正向为1，负向为-1。

步骤3.2：GUI.Layout.Button()函数创建流向显示按钮。

步骤3.3：GameObject.FindGameObjectsWithTag()函数获取标签。

步骤3.4：根据获取到的流向标签为管道赋予不同的三维动态纹理。

技术术语：

MeshRenderer中文名称为：网格渲染器；MeshFilter中文名称为：网格 过滤器；Mesh为网格；Unity为平台名称；vertices为mesh中的顶点集。

Claims (3)

1.一种地下供水管网的三维虚拟仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用Unity3D软件动态绘制供水管网，本步骤又包括以下步骤：

步骤1.1，管线表面几何构成

在三维虚拟环境中，管线以圆柱体表示，圆柱体的截面半径为管线半径，圆柱面的轴心为管线中心线；以三角面片构造管线表面，2n个三角形连接构成了一个棱柱体，逼近形成圆柱面，表示圆柱体；

步骤1.2，Mesh组件

Mesh中存储连接顺序的集合，在Mesh生成中，Unity3D软件依照此集合中的标号依次连接vertices中的顶点，在Unity3D软件中，将每三个顶点号为一组，然后以此往复向后，在给三角面片赋值时，标号不超过vertices中记录的标号，否则会导致错误出现；

步骤1.3，生成圆柱体管线

步骤1.4，坐标转换；

将管段作为标准进行简化，建立自动化的三维管网的应用模型，管段信息包括起始点三维坐标、终止点三维坐标、管段半径以及管段长度；

将经纬度转换为平面坐标，坐标转换时，取间隔距离较大的两个点，假定它们的经纬度坐标和Unity坐标分别为(X1，Y1)，(X2，Y2)，(x1，z1)，(x2，z2)，代入到

即可解得两组系数k1、b1和k2、b2，将数据库中的经纬度点代入此公式中即可得到相应的Unity平面坐标，最终即得到经纬度坐标对应的三维坐标；

步骤1.5，动态生成管网；

进行坐标转换后，利用Unity3D软件绘制圆柱的原理，连接数据库，获取管网经纬度坐标，利用计算公式编写坐标转换的函数，调用坐标转换函数将经纬度坐标转换为Unity坐标进行输入，然后调用绘制圆柱的函数即可实现动态生成管网；

步骤2，地下供水管网的透明化显示模块

网格渲染器从网格过滤器获得几何形状，并根据Mesh进行渲染，渲染后实现地下供水管网的通视效果；

步骤3，供水管线的流向显示设置

按照地下管线的详细属性信息，对管网进行流向追踪，依据管线规划制图要求，实现表达流向的三维动态纹理设置。

2.根据权利要求1所述的一种地下供水管网的三维虚拟仿真方法，其特征在于，所述的步骤1.3，具体又包括以下步骤：

规定圆环会被划分为多少份来生成，记为blockCounts，blockCounts越小，环形的边界也会相应的慢慢变为多边形的样子；然后利用基本的圆的公式：

2*PI/blockCounts (3)

式中，PI为圆周率，blockCounts为圆环会被划分的份数，

计算每一块的角度，然后开始生成顶点信息；

步骤1.3.2，按一定顺序生成顶点信息；采用先生成内层顶点，然后依次向外延伸，生成外层顶点的顺序，在生成顶点时要记好自己生成顶点的顺序；

步骤1.3.3，连接各顶点，填充三角面片；

步骤1.3.4，生成圆柱体管线。

3.根据权利要求1所述的一种地下供水管网的三维虚拟仿真方法，其特征在于，所述的步骤3，又包括以下步骤：

步骤3.1，为管道设置流向标签：正向为1，负向为-1；

步骤3.2，利用GUI.Layout.Button()函数创建流向显示按钮；

步骤3.3，GameObject.FindGameObjectsWithTag()函数获取流向标签；

步骤3.4，根据获取到的流向标签为管道赋予不同的三维动态纹理；

步骤1.3.1，角度计算，规定圆环被划分为k份，计算每份角度。

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