1、本科毕业论文（20 届）综合地下管线附属设施三维仿真模型构建的设计与实现所在学院 专业班级 测绘工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 -综合地下管线附属设施三维仿真模型构建的设计与实现摘 要： 地下管线不仅是城市赖以生存和发展的物质基础还是城市规划，建设和管理的重要基础信息，是一个城市的“生命线”【1】。本文以福州市综合地下管线附属设施为例,探讨了综合地下管线附属设施三维仿真模型构建技术设计与实现，详细描述了地下管线附属设施模型构建过程，结合实际情况和模型构建系统的开发，为建设一套科学的、准确的、可视化的智能三维地下管线信息系统，为城市规划、建设和管理提供重要的技术支
2、持。关键词：管线附属设施；三维城市仿真模型；三维城市地下管线系统；- 3 -1 引言 .41 管线附属设施构建技术的发展 .41.1 ObjectARX技术 .41.2 Autodesk Map嵌入式语言 Visual LISP.41.3 Open Flight API技术 .41.4 基于 3dsmax的附属设施仿真模型构建技术 .52 城市地下管线类型和附属设施构建规范 .52.1 城市地下管线类型划分 .52.2 地下管线附属设施三维建模数据标准 .62.3 地下管线附属设施模型文件格式及其定位点 .73 地下管线附属设施模型数据采集 .83.1 模型尺寸数据采集 .83.2 各类井盖贴
3、图照片采集 .84 地下管线附属设施模型的构建 .94.1 地下管线附属设施模型创建关键技术 .94.1.1 单位设置 .94.1.2 附加 .94.1.3 布尔复合对象 .104.2 地下管线附属设施模型贴图处理关键技术 .104.2.1 组件贴图处理要点 .104.2.2 灯光组件标准 .114.2.3 烘焙（渲染到纹理）标准 .114.2.4 USX格式文件的导出 .124.3地下管线附属设施三维可视化关键技术 .134.3.1 基于 OpenGL的三维场景显示技术 .134.3.2 基于虚拟现实建模语言（VRML）的三维场景显示技术 .134.3.3 三维图形技术 Java 3D .1
4、35 运用 3dsmax、OpnGl、VRML、Java 进行三维仿真模型构建的优劣势和发展 .146 结语 .147 致谢 .14- 4 -1 引 言作 为 城 市 建 设 、 开 发 和 管 理 的 重 要 信 息 基 础 和 物 质 保 障 ， 地 下 管 线 是 市 政 基 础设 施 必 不 可 少 的 重 要 组 成 成 分 。 21 世 纪 以 来 ， 城 市 的 迅 猛 发 展 ， 时 代 的 进 步 却让 陈 旧 的 地 下 管 线 现 状 不 能 同 步 ， 建 设 规 模 严 重 不 足 ， 管 理 水 平 相 对 较 低 以 及 地 下空 间 的 不 合 理 利 用 都
5、是 各 种 问 题 日 益 严 重 的 导 火 索 ， 城 市 被 大 雨 侵 城 ， 下 水 道 堵 塞无 法 疏 通 ， 地 下 水 往 地 表 喷 射 ， 管 线 暴 露 在 地 表 导 致 温 度 过 高 爆 炸 ， 路 面 坍 塌 等 各类 事 件 近 年 来 出 现 频 率 也 颇 高 。 严 重 威 胁 到 人 民 的 公 众 财 产 与 安 全 ， 城 市 运 作 秩 序混 乱 。 如 果 人 体 好 比 城 市 ， 人 体 器 官 或 者 血 管 神 经 出 现 问 题 ， 会 到 时 人 体 罢 工 ， 城市 也 是 如 此 ， 管 线 如 血 管 、 神 经 一 样 深
6、入 城 市 的 每 个 角 落 ， 错 综 复 杂 且 种 类 繁 多 ，更 新 速 度 快 且 规 模 庞 大 。 随 着 城 市 建 设 的 不 断 “新 陈 代 谢 ”， 不 同 时 期 的 不 同阶 段 的 信 息 变 化 和 堆 积 ， 还 有 旧 资 料 的 不 全 等 不 确 定 因 素 ， 是 现 在 的 管 线 施 工 带 来了 不 便 ， 地 下 管 线 二 维 化 图 形 是 以 图 纸 和 数 据 的 比 对 非 专 业 人 员 不 能 直 观 的 判 断 出其 位 置 ， 在 施 工 中 盲 目 开 挖 只 会 造 成 不 必 要 的 事 故 ， 地 下 管 线 也
7、就 具 有 复 杂 性 、 隐蔽 性 以 及 多 变 性 等 特 点 。 所 以 ， 准 确 的 、 科 学 的 、 直 观 的 、 可 视 化 的 高 智 能 三 维 地下 管 线 的 设 计 和 开 发 的 建 立 就 变 得 尤 为 重 要 。1 综 合 地 下 管 线 附 属 设 施 模 型 构 建 技 术 的 发 展 历 程20世纪在针对管线附属设施模型构建三维地下管线系统采用了多种技术来实现，其中较为成熟的为：1.1 Open Flight API 技术就国内目前而言对于绘制地下管线主要用 Eps，而利用 Open Flight API 具有降低成本、提高效率，任何规模都能高效使用
8、、灵活的安全控制机制，可以顺利读取 DXF格式数据，建立三维地下管线模型，生成地下管线信息系统，根据已有的数据库，读取数据库坐标，从而生成管线模型1.2 ObjectARX 技术福州市三维地下管线系统仿真模型构建针对 AutoCad平台上二次开发推出的软件包 ObjectARX进行研发的，它提供了以 C+为基础的面向对象的开发环境及应用程序接口，能真- 5 -正快速的访问 AutoCad图形数据库，提高的了编程员编程的准确性与效率，也为研发者提供了技术基础1.3 Visual LISP 语言AutoCad自带的集成可视化是 VISUAL LISP的开发环境，起初用于文本编辑或者记事本编辑，当有
9、了集成的开发环境，VISUAL LISP 有了编调试器、编译器和其他相关工具，提高了效率。再管线模型中将管点模型编译成不同的组件，再对各组件进行相关运算，形成管点三维实体模型。1.4 3dsmax 的附属设施三维动画模型构建技术3dsmax强大的三维动画渲染和制作能力，与 Windows NT组合降低了制作门槛，先前是运用于电脑游戏的制作，后逐渐参与各类电影的特效，对于管线三维动画模型构建可以进行精细化，根据城市地下管线各类管线的特点，绘制符合实地的三维动画模型，跟前三种技术想比较，利用 3dsmax更符合实际，能够有效的、直观的变现其功能以及在实地中的位置。对 3dsmax的附属设施三维动画
10、模型构建技术进行继续的探讨，通过规范来实现其标准规范。2 城 市 地 下 管 线 各 种 类 型 和 其 附 属 设 施 构 建 规 范2.1 城市地下管线各种类型划分根据不同时期、不同阶段、不同的用途、不同的材料和建设单位的不同，福州市地下管线划分为石油管线、通讯管线、燃气管线、热力管线、电力管线、排水管线、给水管线等七大类（见图 1）其中七大类管线又分为管线附属设施、管线特征点以及管线。管线顾名思义是指埋设在地表下的各类管道通口以及跨河架空管线。- 6 -图 1 福州市地下管线类型Fig.1 Fuzhou underground pipeline type2.2 地下管线附属设施三维建模数
11、据标准为了制定符合福州市地下管线附属措施三维建模的可行性，就需要对应管线的相对应的规格，为了突出管线的用途，在进行模型贴图处理时，贴图纹理更应与管线的纹理相同，最主要的为给水，燃气，热力管线，其他管线的贴图另外外业收集。（见表 1）- 7 - 8 -2.3 地下管线附属设施模型文件格式及其定位点为以后在城市中的三维地下管线系统中显示，为保证能够将附属设施与管线精确的对接，就需要对附属设施模型的定位点进行统一的规定，一般给水、排水、污水、天燃气、热力、工业管线的附属设施模型的定位点位于管中心，管口朝向正 X轴；电力、通讯、管沟，下水道的附属设施模型的定位点位于其底部的中心位置，在三维显示时必须都
12、在地面上；排水化粪池、隔油池模型的定位点位于其顶部的中心位置，三维显示时必须都在地面下，其它模型同给水类。此两类附属设施正面朝向正 X轴。3 地 下 管 线 附 属 设 施 各 类 模 型 数 据 采 集根据福州市地下管线的实际情况，需要一系列的数据收集方案。首先，管线附属设施的数据标准的收集，然后其模型尺寸数据以及贴图纹理，在给水，天然气，热力外的其他管线数据的采集。最后，每种相同的管线还具有不同的形状，色彩，管径不一的情况，为了减少不必要的人力浪费，以及数据量的增加，福州市应该广泛使用同一规格的附属设施为标准尺度。- 9 -3.1 各类模型尺寸数据采集尺寸数据主要需要的是管径以及长宽高，外
13、业人员通过工具（卷尺）实地测量，（见图 2、图 3）.有些因为特殊原因无法进行实地探测的，例如，天然气管线水缸长期埋设于地下。这方面的管线只能咨询相关施工单位或者厂家制作标准为参考，或者资料库中存在的照片以及长期从事管线方面具备丰富经验的外业人员提供参考。图 2 实地测量照片 图 3 构建完成的模型3.2 各类井盖贴图照片采集所有的管线井盖都是通过贴图技术在从外业人员用照相机在实地垂直于井盖的角度进行拍摄再通过 ps进行处理，保证其井盖贴图能够准备的匹配在管线井上，井盖表面必须无损坏，无其他沙土污物，还需要在其表面贴上相应的标志。还需要同一规定井盖的材质以及周边环境，避免在贴图过程中产生变形，
14、方形井盖不需要出去井盖以外的路面材质而圆形井盖则需要出料修补边缘。（见图 4、图 5）图 4 方形井盖 图 5 圆形井盖- 10 -4 地 下 管 线 附 属 设 施 模 型 的 构 建每个城市所开发的三维城市地下管线系统都有自己所规定的数据标准，在通过3dsmax、OpnGl、VRML、Java 等技术建立模型的过程中，需要根据当地的实际情况制定出相应的标准，比如在福州制定一系列以建模，贴图、烘焙处理和模型的导出，是形成该建模的最关键的技术生产标准。4.1 地下管线附属设施模型创建关键技术4.1.1 单位设置在系统试运行前期，导入附属设施时会出现模型瘦小状况，只有在模型拥有严格的统一规格单位
15、设置规定才能使模型正常运行，为保证模型在输入系统后能够正常运行并能够正确显示，系统单位保证均为米（m）显示。4.1.2 附加由于系统存贮着海量的数据，由于要符合三维可视化效果，以福州市给水方面的管线为例，在没有包括小区里面的管线，就水阀门就远远不止 20000个，所以在可视化下，就必须在制作模型的过程中，进行“附加”的操作。通过建模的过程中 3dsmax以“附加”操作可使一个模型比作另一个模型。添加到自己的属性栏中，形成一个完整的整体。在保证后期进行烘焙的同时减少几何面数具有显著的效果。“附加”操作进行之前，所有模型的组件必须与贴图材质一致。在“附加”操作过程中选择附加选项中“匹配材质到材质 ID”（见图 8）。保持“附加”对象的原始 ID不便的前提下调整所获得的多维/子对象材质的子材质数目。为了其贴图能够具有完整性（见图 9、图 10）。最后通过修改器进行局部修改，是相应的对应选项修改后是贴图不变形。
