基于數(shù)字化管道平臺(tái)的大中型穿越三維演示模塊化設(shè)計(jì)

劉瑞凱 劉志田 張 迪

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062550)

為了解決我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長和能源供應(yīng)之間的矛盾，未來幾年將修建長約20 000km的原油和天然氣的輸送管道[1]。隨著計(jì)算機(jī)和地理信息技術(shù)的發(fā)展，長輸油氣管道數(shù)字化建設(shè)逐漸成為現(xiàn)代化管道建設(shè)的重要方向[2，3]，數(shù)字化管道在確定油氣長輸管道最優(yōu)路由、資源優(yōu)化配置及管道風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等管道運(yùn)營與管理工作中將發(fā)揮重要作用，而數(shù)字化管道平臺(tái)的設(shè)計(jì)使用將成為長輸油氣管道工程建設(shè)的重要任務(wù)。

數(shù)字化管道平臺(tái)是基于遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及多媒體技術(shù)等技術(shù)[4，5]，對(duì)管道資源、環(huán)境、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)等復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化、數(shù)字整和及仿真等信息集成的應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)字化管道平臺(tái)界面友好，可視化程度高，為管道運(yùn)營和管理提供決策支持和服務(wù)。數(shù)字化管道平臺(tái)包括管道以及周邊地區(qū)資料的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的過程，而大中型穿越工程作為線路設(shè)計(jì)中重要的控制性工程，對(duì)線路的整體走向和工程投資會(huì)產(chǎn)生重要的影響。開發(fā)基于數(shù)字化管道平臺(tái)的大中型穿越模塊，可以幫助管道設(shè)計(jì)人員優(yōu)化穿越設(shè)計(jì)方案，同時(shí)在各類匯報(bào)中提供直觀形象的穿越方案斷面、側(cè)面、平面圖和重要穿越方案的穿越過程動(dòng)畫演示效果。該模塊的設(shè)計(jì)可以使得各類匯報(bào)更加直觀形象，并提高匯報(bào)的效率。

1 大中型穿越演示模塊功能簡介①

長輸管線大中型穿越三維可視化模塊的設(shè)計(jì)需考慮河流、公路及鐵路等大中型油氣管道穿越及其附屬物(包括管道、兩岸穿越處房屋及植被等)三維模型的建立方法，以及系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。大中型穿越三維可視化的系統(tǒng)模塊包括但不限于以下功能：

a. 根據(jù)管線平面圖快速建立管線的三維實(shí)體模型，包括管線的管徑及顏色等信息；

b. 將管線周邊的地形圖和地質(zhì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理后加載到三維系統(tǒng)中進(jìn)行疊加顯示，顯示管線周邊的精細(xì)地形和地層情況；

c. 支持對(duì)植被區(qū)域及房屋等建筑物占地區(qū)域、標(biāo)志樁、里程樁、警示牌及閥室等地面附著物的標(biāo)注進(jìn)行三維可視化管理和屬性信息管理；

d. 穿越模型三維可視化，對(duì)河流、鐵路和高速公路穿越效果進(jìn)行展示，可查看管線經(jīng)過該區(qū)域的穿越斷面圖，圖中包括地層及管線等信息；

e. 隧道模型三維可視化，能對(duì)管線經(jīng)過山區(qū)、丘陵和隧道時(shí)的效果進(jìn)行三維可視化展示，用戶可以查看管線經(jīng)過隧道的斷面圖，圖中包括山坡的信息、地層信息及管線信息等；

f. 導(dǎo)出穿越展示圖片等，并具有對(duì)穿越展示圖片編輯及標(biāo)注等基本功能，該模塊具有錄制并導(dǎo)出演示動(dòng)畫(AVI及MP4等格式)的功能；

g. 對(duì)管系的基本工程量進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

大中型穿越模塊化設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是根據(jù)建模方法和技術(shù)，依據(jù)管線平面及縱斷面等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，快速建立河流、公路及鐵路等大中型穿越與附屬設(shè)施的三維實(shí)體模型，并通過參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大中型穿越工程模型的三維可視化。成熟的大中型穿越演示模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能在考慮穿越相關(guān)規(guī)范的前提下，穿越河流、鐵路及高速公路等，根據(jù)地面坡度、植被、地質(zhì)、地區(qū)規(guī)劃、壓覆礦產(chǎn)情況、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、資源整合情況、區(qū)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及管線分布密度等，對(duì)大中型穿越管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(如定向鉆最短最優(yōu)穿越長度的優(yōu)化)，對(duì)穿越的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比選擇羅列等。

2 大中型穿越模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)與原理

2.1 基礎(chǔ)原理

2.1.1數(shù)字化管道平臺(tái)三維可視化基礎(chǔ)介紹

在數(shù)字化管道平臺(tái)的三維可視化模型研究中，通常以高質(zhì)量的數(shù)字高程模型(DEM)和高逼真度的三維顯示技術(shù)為基礎(chǔ)。DEM生成的質(zhì)量對(duì)地形三維可視化效果有著不容忽視的影響；而影響質(zhì)量的關(guān)鍵是生成DEM的算法。在地理信息系統(tǒng)中，DEM主要有3種表示模型：規(guī)則格網(wǎng)模型(Grid)、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)，常用表示形式為TIN。生成DEM的數(shù)據(jù)通常由測(cè)量和地質(zhì)專業(yè)人員提供矢量化的等高線和其他特征點(diǎn)、線數(shù)據(jù)或直接以從各類矢量數(shù)據(jù)庫中取出的等高線矢量數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源。對(duì)于離散點(diǎn)轉(zhuǎn)換成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分法，但該模型較為復(fù)雜。目前TIN模型的簡化算法——層次細(xì)節(jié)模型技術(shù)(LOD)應(yīng)用較廣泛[6]。

2.1.2大中型穿越演示模型與地形模型的拼接

在大中型穿越三維可視化模塊中，為了使管道大中型穿越有較好的三維效果，往往把穿越模型與地形模型進(jìn)行很好的拼合，以提高整個(gè)三維場(chǎng)景的視感[7，8]。但高速模型和大中型穿越模型本身與地形模型均為由三角網(wǎng)格構(gòu)成的面模型，其拼接會(huì)出現(xiàn)裂痕，影響視感。

根據(jù)高速模型與地形模型拼接的設(shè)計(jì)，將地形數(shù)據(jù)加以組織，利用三角形所在的地形拓?fù)潢P(guān)系，將地形劃分為一定比例的方形網(wǎng)塊，通過所在的位置檢索出相應(yīng)的所在地形的網(wǎng)塊；提取大中型穿越邊界點(diǎn)后，通過掃描地形內(nèi)的所有三角形以確定查找點(diǎn)是否在三角形內(nèi)；以約束邊為起點(diǎn)，查找終點(diǎn)所在的約束邊是否為多邊形的最后一條邊，在三角形網(wǎng)格中嵌入約束多邊形；之后，利用三角形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)查找出約束多邊形內(nèi)的三角形，將約束多邊形內(nèi)的三角形刪除，這樣即可實(shí)現(xiàn)大中型穿越模型與地形模型的無縫拼接。

2.2 場(chǎng)景的三維可視化技術(shù)

利用DEM數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)，虛擬出大中型管道穿越處場(chǎng)景大中型穿越的系統(tǒng)模型，通過紋理映射到模型上的方式實(shí)現(xiàn)三維可視化，為用戶提供直觀逼真的場(chǎng)景顯示效果。

2.3 管道與三維場(chǎng)景的交互編輯技術(shù)

管道大中型穿越設(shè)計(jì)是反復(fù)優(yōu)化的過程，因此需要管道與地面障礙物和地物特征有較強(qiáng)的交互性。三維交互式編輯技術(shù)是將三維場(chǎng)景中的模型與其屬性數(shù)據(jù)庫掛鉤，通過數(shù)據(jù)庫列表外鍵與管道穿越和穿越場(chǎng)景中的相關(guān)模型建立關(guān)聯(lián)，使用戶在查看三維模型的同時(shí)也可以對(duì)該模型進(jìn)行信息查看、編輯及修改等操作，如在修改穿越處的沖刷深度后，系統(tǒng)便可以自動(dòng)對(duì)管道最小埋深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。信息編輯可以通過兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：在屬性數(shù)據(jù)庫中通過修改數(shù)據(jù)直接修改模型信息，或在平臺(tái)中重新載入模型后實(shí)現(xiàn)模型信息編輯。

2.4 三維渲染方法

三維渲染方法包括設(shè)計(jì)獨(dú)立渲染引擎和引入3ds Max中進(jìn)行渲染兩種方法，具體如下：

a. 設(shè)計(jì)獨(dú)立渲染引擎。可以以數(shù)字化管道平臺(tái)三維模塊化功能為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)獨(dú)立三維渲染引擎，將各個(gè)獨(dú)立的模型構(gòu)建加入引擎，確保實(shí)時(shí)連續(xù)的視感。

b. 引入3ds Max中進(jìn)行渲染。在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，3ds Max等非專業(yè)地形建模軟件有良好的渲染效果，而專業(yè)GIS建模軟件(如MapGIS、ArcGIS及GlobalMapper等)的三維地形精度較高。利用ArcGIS專業(yè)軟件制作三維地形模型，并將模型在3ds Max中顯示[9]。實(shí)踐證明，這種方法的實(shí)現(xiàn)為用戶的工作提供了極大的便利，因此可以考慮在3ds Max中完成大中型穿越演示模塊的場(chǎng)景渲染任務(wù)。

3 大中型穿越模塊

3.1 模塊的三維模型結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字化管道地理信息系統(tǒng)平臺(tái)的大中型穿越演示模塊包括：數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)前處理、三維可視化和虛擬漫游。數(shù)據(jù)前處理模塊負(fù)責(zé)接收地質(zhì)和測(cè)量專業(yè)反饋的航拍圖和二維斷面圖，并進(jìn)行必要的柵格化轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)處理為三維模塊能識(shí)別的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理主要是對(duì)轉(zhuǎn)換處理完成的數(shù)據(jù)、管道模型和各類三維模型的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與查詢。各部分的具體功能如圖1所示。

圖1 大中型穿越模塊層次結(jié)構(gòu)及其功能

3.2 三維模型效果

大中型穿越三維可視化系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，旨在把管道穿越位置的結(jié)構(gòu)和空間展布直觀清楚地顯示出來，對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及虛擬漫游等操作，動(dòng)態(tài)地研究穿越內(nèi)部的細(xì)節(jié)。它能夠提供逼真的三維動(dòng)態(tài)顯示效果，使不熟悉本工程細(xì)節(jié)和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的評(píng)審專家對(duì)管道與地質(zhì)和地理環(huán)境空間關(guān)系有直觀的認(rèn)識(shí)。同時(shí)能夠幫助設(shè)計(jì)者對(duì)穿越方案進(jìn)行完善。大中型穿越三維可視化模塊不僅要實(shí)現(xiàn)三維建模的目的，還要對(duì)植被區(qū)域及房屋等建筑物占地區(qū)域、標(biāo)志樁、里程樁、警示牌及閥室等地面附著物等標(biāo)注進(jìn)行三維可視化管理和屬性信息管理；對(duì)河流、鐵路、高速公路和隧道的穿越效果進(jìn)行展示(圖2)，可以查看管線經(jīng)過該區(qū)域的穿越斷面圖，同時(shí)具有對(duì)穿越展示圖片的編輯及標(biāo)注等基本功能。

3.3 模型的建立步驟

大中型穿越三維模型的構(gòu)建包括：數(shù)據(jù)讀取、建立組成部分的模型和可視化貼圖過程，具體步驟如下：

a. 讀取穿越平面和縱斷面的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠識(shí)別通過測(cè)量出圖軟件和線路縱斷面軟件輸出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括穿越設(shè)計(jì)平面和縱斷面的數(shù)據(jù)。

b. 建立各層次結(jié)構(gòu)的三維模型。需分別建立模型的組成部分，穿越河流時(shí)的管道、河流、河流兩岸地貌、房屋、植被及其他地面附著物等；穿越高等級(jí)公路時(shí)的管道、道路路肩、路邊溝、路基面、路堤及邊坡路兩側(cè)典型地面附著物等；穿越鐵路時(shí)的路邊溝、路肩、鐵路軌道及鐵路兩側(cè)地面的附著物等；隧道方式穿越三維模擬模型需先建立地形、洞口及洞身等的實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)洞口與洞身的開挖過程可建立上述所需的隧道洞口及洞身等主體結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型[10]。

c. 紋理貼圖與渲染。每一部分的模型構(gòu)建好之后，采用紋理映射方式進(jìn)一步完善。通過紋理貼圖技術(shù)為用戶提供更加真實(shí)的三維場(chǎng)景。

3.4 管道環(huán)境模型的建立和三維可視化

管道工程中，環(huán)境模型設(shè)計(jì)主要包括附屬設(shè)施(如警示牌、里程樁及標(biāo)志樁等)，房屋和植被，穿越位置斷面兩側(cè)的景觀及天空紋理等的設(shè)計(jì)。

河流兩岸地表上的房屋與植被對(duì)大中型穿越線路的局部走向和三維場(chǎng)景的設(shè)計(jì)影響比較大。房屋可用連續(xù)幾何體模擬其尺寸，但樹木和花草的靜態(tài)形體較為復(fù)雜，在需要模擬植被比較密的地區(qū)需要繪制的三角形數(shù)量龐大，這需要較強(qiáng)的硬件條件支持并利用公告板等新技術(shù)進(jìn)行繪制。

河流、公路和鐵路穿越斷面景觀設(shè)計(jì)是大中型穿越三維模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要部分，在完成地形和管道模型的創(chuàng)建后，通過對(duì)河流兩岸、公路和鐵路兩側(cè)景觀的設(shè)計(jì)，模擬出穿越斷面兩側(cè)的視景整體效果，且利于工程建設(shè)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

圖2 穿越動(dòng)畫演示效果

為使三維場(chǎng)景更加真實(shí)，在設(shè)計(jì)大中型穿越模塊時(shí)，還考慮了天空環(huán)境的渲染，利用不同的天空紋理圖片來表達(dá)不同的天空背景。

4 結(jié)束語

以LOD地形數(shù)據(jù)簡化理論為主的基礎(chǔ)理論，探討包括管道大中型穿越模型、隧道模型、房屋和植被模型以及三樁模型等具體模型的創(chuàng)建方法與三維可視化的實(shí)現(xiàn)，對(duì)圖像的場(chǎng)景環(huán)境的渲染方法進(jìn)行說明。通過對(duì)大中型管道穿越演示模塊三維模型結(jié)構(gòu)的探討和大中型穿越模型的重要附屬設(shè)施房屋植被和環(huán)境設(shè)計(jì)的研究，實(shí)現(xiàn)了大中型穿越演示模塊的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，大中型穿越模塊化設(shè)計(jì)是可行的，建立基于數(shù)字化管道平臺(tái)的大中型穿越演示模塊將為各類匯報(bào)提供直觀形象的穿越方案，提高匯報(bào)效率，改善匯報(bào)效果。