基于数字化管道平台的大中型穿越三维演示模块化设计

刘瑞凯 刘志田 张 迪

(中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062550)

为了解决我国经济持续快速增长和能源供应之间的矛盾，未来几年将修建长约20 000km的原油和天然气的输送管道[1]。随着计算机和地理信息技术的发展，长输油气管道数字化建设逐渐成为现代化管道建设的重要方向[2，3]，数字化管道在确定油气长输管道最优路由、资源优化配置及管道风险预测等管道运营与管理工作中将发挥重要作用，而数字化管道平台的设计使用将成为长输油气管道工程建设的重要任务。

数字化管道平台是基于遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、监控和数据采集系统(SCADA)、地理信息系统(GIS)、计算机网络及多媒体技术等技术[4，5]，对管道资源、环境、社会及经济等复杂系统的数字化、数字整和及仿真等信息集成的应用系统。数字化管道平台界面友好，可视化程度高，为管道运营和管理提供决策支持和服务。数字化管道平台包括管道以及周边地区资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程，而大中型穿越工程作为线路设计中重要的控制性工程，对线路的整体走向和工程投资会产生重要的影响。开发基于数字化管道平台的大中型穿越模块，可以帮助管道设计人员优化穿越设计方案，同时在各类汇报中提供直观形象的穿越方案断面、侧面、平面图和重要穿越方案的穿越过程动画演示效果。该模块的设计可以使得各类汇报更加直观形象，并提高汇报的效率。

1 大中型穿越演示模块功能简介①

长输管线大中型穿越三维可视化模块的设计需考虑河流、公路及铁路等大中型油气管道穿越及其附属物(包括管道、两岸穿越处房屋及植被等)三维模型的建立方法，以及系统的各项功能。大中型穿越三维可视化的系统模块包括但不限于以下功能：

a. 根据管线平面图快速建立管线的三维实体模型，包括管线的管径及颜色等信息；

b. 将管线周边的地形图和地质测量数据处理后加载到三维系统中进行叠加显示，显示管线周边的精细地形和地层情况；

c. 支持对植被区域及房屋等建筑物占地区域、标志桩、里程桩、警示牌及阀室等地面附着物的标注进行三维可视化管理和属性信息管理；

d. 穿越模型三维可视化，对河流、铁路和高速公路穿越效果进行展示，可查看管线经过该区域的穿越断面图，图中包括地层及管线等信息；

e. 隧道模型三维可视化，能对管线经过山区、丘陵和隧道时的效果进行三维可视化展示，用户可以查看管线经过隧道的断面图，图中包括山坡的信息、地层信息及管线信息等；

f. 导出穿越展示图片等，并具有对穿越展示图片编辑及标注等基本功能，该模块具有录制并导出演示动画(AVI及MP4等格式)的功能；

g. 对管系的基本工程量进行计算和统计。

大中型穿越模块化设计的最终目标是根据建模方法和技术，依据管线平面及纵断面等基础数据，快速建立河流、公路及铁路等大中型穿越与附属设施的三维实体模型，并通过参数化设计，实现大中型穿越工程模型的三维可视化。成熟的大中型穿越演示模块化设计系统能在考虑穿越相关规范的前提下，穿越河流、铁路及高速公路等，根据地面坡度、植被、地质、地区规划、压覆矿产情况、环境影响评价、资源整合情况、区域市场竞争及管线分布密度等，对大中型穿越管线进行优化设计(如定向钻最短最优穿越长度的优化)，对穿越的优、缺点进行对比选择罗列等。

2 大中型穿越模块实现的基础与原理

2.1 基础原理

2.1.1数字化管道平台三维可视化基础介绍

在数字化管道平台的三维可视化模型研究中，通常以高质量的数字高程模型(DEM)和高逼真度的三维显示技术为基础。DEM生成的质量对地形三维可视化效果有着不容忽视的影响；而影响质量的关键是生成DEM的算法。在地理信息系统中，DEM主要有3种表示模型：规则格网模型(Grid)、等高线模型和不规则三角网模型(TIN)，常用表示形式为TIN。生成DEM的数据通常由测量和地质专业人员提供矢量化的等高线和其他特征点、线数据或直接以从各类矢量数据库中取出的等高线矢量数据为主要数据源。对于离散点转换成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分法，但该模型较为复杂。目前TIN模型的简化算法——层次细节模型技术(LOD)应用较广泛[6]。

2.1.2大中型穿越演示模型与地形模型的拼接

在大中型穿越三维可视化模块中，为了使管道大中型穿越有较好的三维效果，往往把穿越模型与地形模型进行很好的拼合，以提高整个三维场景的视感[7，8]。但高速模型和大中型穿越模型本身与地形模型均为由三角网格构成的面模型，其拼接会出现裂痕，影响视感。

根据高速模型与地形模型拼接的设计，将地形数据加以组织，利用三角形所在的地形拓扑关系，将地形划分为一定比例的方形网块，通过所在的位置检索出相应的所在地形的网块；提取大中型穿越边界点后，通过扫描地形内的所有三角形以确定查找点是否在三角形内；以约束边为起点，查找终点所在的约束边是否为多边形的最后一条边，在三角形网格中嵌入约束多边形；之后，利用三角形的拓扑结构查找出约束多边形内的三角形，将约束多边形内的三角形删除，这样即可实现大中型穿越模型与地形模型的无缝拼接。

2.2 场景的三维可视化技术

利用DEM数据、影像数据和三维模型数据，虚拟出大中型管道穿越处场景大中型穿越的系统模型，通过纹理映射到模型上的方式实现三维可视化，为用户提供直观逼真的场景显示效果。

2.3 管道与三维场景的交互编辑技术

管道大中型穿越设计是反复优化的过程，因此需要管道与地面障碍物和地物特征有较强的交互性。三维交互式编辑技术是将三维场景中的模型与其属性数据库挂钩，通过数据库列表外键与管道穿越和穿越场景中的相关模型建立关联，使用户在查看三维模型的同时也可以对该模型进行信息查看、编辑及修改等操作，如在修改穿越处的冲刷深度后，系统便可以自动对管道最小埋深进行优化设计。信息编辑可以通过两个途径实现：在属性数据库中通过修改数据直接修改模型信息，或在平台中重新载入模型后实现模型信息编辑。

2.4 三维渲染方法

三维渲染方法包括设计独立渲染引擎和引入3ds Max中进行渲染两种方法，具体如下：

a. 设计独立渲染引擎。可以以数字化管道平台三维模块化功能为基础，设计独立三维渲染引擎，将各个独立的模型构建加入引擎，确保实时连续的视感。

b. 引入3ds Max中进行渲染。在工程设计领域，3ds Max等非专业地形建模软件有良好的渲染效果，而专业GIS建模软件(如MapGIS、ArcGIS及GlobalMapper等)的三维地形精度较高。利用ArcGIS专业软件制作三维地形模型，并将模型在3ds Max中显示[9]。实践证明，这种方法的实现为用户的工作提供了极大的便利，因此可以考虑在3ds Max中完成大中型穿越演示模块的场景渲染任务。

3 大中型穿越模块

3.1 模块的三维模型结构

基于数字化管道地理信息系统平台的大中型穿越演示模块包括：数据管理、数据前处理、三维可视化和虚拟漫游。数据前处理模块负责接收地质和测量专业反馈的航拍图和二维断面图，并进行必要的栅格化转换，将数据处理为三维模块能识别的数据。数据管理主要是对转换处理完成的数据、管道模型和各类三维模型的属性数据进行存储与查询。各部分的具体功能如图1所示。

图1 大中型穿越模块层次结构及其功能

3.2 三维模型效果

大中型穿越三维可视化系统模块的设计，旨在把管道穿越位置的结构和空间展布直观清楚地显示出来，对其进行旋转及虚拟漫游等操作，动态地研究穿越内部的细节。它能够提供逼真的三维动态显示效果，使不熟悉本工程细节和地质结构的评审专家对管道与地质和地理环境空间关系有直观的认识。同时能够帮助设计者对穿越方案进行完善。大中型穿越三维可视化模块不仅要实现三维建模的目的，还要对植被区域及房屋等建筑物占地区域、标志桩、里程桩、警示牌及阀室等地面附着物等标注进行三维可视化管理和属性信息管理；对河流、铁路、高速公路和隧道的穿越效果进行展示(图2)，可以查看管线经过该区域的穿越断面图，同时具有对穿越展示图片的编辑及标注等基本功能。

3.3 模型的建立步骤

大中型穿越三维模型的构建包括：数据读取、建立组成部分的模型和可视化贴图过程，具体步骤如下：

a. 读取穿越平面和纵断面的设计数据。系统能够识别通过测量出图软件和线路纵断面软件输出的数据，数据包括穿越设计平面和纵断面的数据。

b. 建立各层次结构的三维模型。需分别建立模型的组成部分，穿越河流时的管道、河流、河流两岸地貌、房屋、植被及其他地面附着物等；穿越高等级公路时的管道、道路路肩、路边沟、路基面、路堤及边坡路两侧典型地面附着物等；穿越铁路时的路边沟、路肩、铁路轨道及铁路两侧地面的附着物等；隧道方式穿越三维模拟模型需先建立地形、洞口及洞身等的实体模型，实现洞口与洞身的开挖过程可建立上述所需的隧道洞口及洞身等主体结构的三维实体模型[10]。

c. 纹理贴图与渲染。每一部分的模型构建好之后，采用纹理映射方式进一步完善。通过纹理贴图技术为用户提供更加真实的三维场景。

3.4 管道环境模型的建立和三维可视化

管道工程中，环境模型设计主要包括附属设施(如警示牌、里程桩及标志桩等)，房屋和植被，穿越位置断面两侧的景观及天空纹理等的设计。

河流两岸地表上的房屋与植被对大中型穿越线路的局部走向和三维场景的设计影响比较大。房屋可用连续几何体模拟其尺寸，但树木和花草的静态形体较为复杂，在需要模拟植被比较密的地区需要绘制的三角形数量庞大，这需要较强的硬件条件支持并利用公告板等新技术进行绘制。

河流、公路和铁路穿越断面景观设计是大中型穿越三维模块化设计系统的重要部分，在完成地形和管道模型的创建后，通过对河流两岸、公路和铁路两侧景观的设计，模拟出穿越断面两侧的视景整体效果，且利于工程建设的环境影响评价。

图2 穿越动画演示效果

为使三维场景更加真实，在设计大中型穿越模块时，还考虑了天空环境的渲染，利用不同的天空纹理图片来表达不同的天空背景。

4 结束语

以LOD地形数据简化理论为主的基础理论，探讨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桩模型等具体模型的创建方法与三维可视化的实现，对图像的场景环境的渲染方法进行说明。通过对大中型管道穿越演示模块三维模型结构的探讨和大中型穿越模型的重要附属设施房屋植被和环境设计的研究，实现了大中型穿越演示模块的设计。测试结果表明，大中型穿越模块化设计是可行的，建立基于数字化管道平台的大中型穿越演示模块将为各类汇报提供直观形象的穿越方案，提高汇报效率，改善汇报效果。