基于vba的地下管线三维几何实体模型的构建

基于vba的地下管线三维几何实体模型的构建

1地下复杂管线的建模地下管道包括七类管道：给排水、排水、天然气、供暖、电力、电信和工业管道。城市地下空间中的几种管道交叉分布，形成复杂的地下管道空间体系。采用科学的方法和手段规划城市及合理利用地下空间是现代化城市可持续发展的需要,传统二维的管理模式难以对大量的管线信息进行有效的描述和表达,管线三维模型能直观地描述管线的三维特征及管线间的空间关系,能真实地反映地下管线的空间分布状况,所以管线三维已成为当前研究的重点。采用二维管线生成三维管线模型的方法,在管点建模时需要大量的数据输入和编辑工作,采用这种方法建模,速度慢且效率低,难以实现地下复杂管线的建模;管线是空心的实体,为便于管线维护,管线点布置在附属设施中,因此,从管线三维表面模型到管线真三维模型是管线GIS发展的必然。本文提出了一种由管线数据库快速建模的方法,该方法充分利用了AutoCADMap强大的真三维建模功能、数据库连接功能和二次开发功能,利用该方法生成的管线实体模型具有较好的逼真效果。2管线段主线段地下管线的各大类型按用途可以细分,如排水管道可以细分为雨水管道、污水管道和雨污合流管道。每类管线按特征可分为管线段和管点(附属设施),如给水管道的三通、四通和检修井、阀门井、阀门等附属设施。具有连接关系的管点间的线段构成管线段。因此,地下管线的数据是由管点数据和管线数据组成,为便于地下管线数据的存储、编辑和维护,采用管线数据层次模型是有效的数据组织方式。管线普查数据由测量数据和调查数据组成,测量数据包括各类管点的坐标数据;调查数据包括各类管点的属性数据及管点间的连接关系数据,各类管线按图层和图幅建立管点数据库和管线段数据库。因此,同管线的普查数据相一致,地下管线数据按层次呈树形结构,各类型管线的叶结点(普查数据)有所合并,如图1所示。3数据获取及处理地下管线数据库由管点数据库和管线段数据库组成。管点数据库包括描述管线空间分布的几何数据,另外还包括描述管线的走向、连接关系、性质、规格、材质、埋设时间和权属单位等属性数据,管点数据结构(以给水管线为例)如表1所示。几何数据普遍采用全站仪或动态GPS以全野外数据采集方式获取;属性数据采用实地调查与仪器探测相结合模式获取。管线段数据库包括管线段编号、具有连接关系的两个管点的物探点号、管线规格等字段,这些字段在建立管线段数据库时直接从管点数据库中提取,管线段数据结构如表2所示。考虑到管线数据的复杂性以及便于数据的编辑修改,设置多样的查询条件可以满足用户按复杂条件查询数据;另外,两个数据库间以管线段编号为标识符建立索引,通过索引可获得构成管线段的管点信息。4地下管线三维建模管线三维实体模型是以管线段和管点的几何实体来描述客观现实的数据模型,和二维管线图形相比较,更具逼真感和立体感。针对地下管线具有复杂性的特点,管线三维建模可按图层简化为管线段建模和管点建模,首先建立地下管线的管点实体模型库,在管线段实体模型生成时,插入相应的管点实体模型,并进行平移和旋转,实现管线段和管点实体模型的同步生成。另外,为实现快速自动建立管线实体模型,利于AutodeskMap的嵌入式语言(VisualLISP)进行程序设计,是一种较容易实现的方法,其程序流程图略。4.1管点实体模型结构管点实体模型库是多种类型不同规格的管点实体模型的集合,是管线三维建模的关键。每类管线的管点特征不同(如三通、四通、消防栓、人孔井、窨井、路灯和阀门等),同类管线有多种规格,限于篇幅,本文仅以给水管道的结点(三通、四通)为例,介绍采用立体图参数化方法自动构建不同规格的管点实体模型。四通管点由主管、左管和右管构成,主管、左管和右管的管径即为绘图参数,绘图参数输入对话框,各管的长度、管壁厚度和管径成固定比例关系,因此各管可以看成两个同心、同高度的圆柱进行求交运算所得的几何实体,各管的几何实体进行求差和合并运算,即为所绘的管点实体模型。规格为400mm×300mm×300mm的管点实体模型结构如图2所示。各管点实体模型以图块方式保存在同一目录中,构成管点实体模型库,各图块命名按管线类型、管点类别和管点规格命名,如图块名为JS4443的管点实体模型,其中JS表示管线类型为给水管线;4表示管点类别为四通;443表示管点规格为400mm×400mm×300mm。4.2电缆桥架的结构模型地下管线可分为管线和电缆两大类型(例如给水管线和电信电缆),管线是圆柱形空心实体,每段管线的管径不一定相同;电缆是实心实体,与管线相比较,电缆的管径在建模时可以看成是固定值。另外,构建两大类型管线空间模型时,必须获取管线起点、终点的三维空间坐标(X、Y、Z)。从以上的分析得知,管线段建模所需的数据,如管点类型、管径、管点坐标及连接关系等数据,都存储在管点数据库中,因此,如何从管点数据库中获取管线段建模所需的数据是建模的关键。4.2.1基于dao的数据库访问VBA是内置于AutodeskMap中的嵌入式的二次开发语言,它通过数据访问对象(DataAccessObject,简称DAO)访问Jet引擎提供的各种数据库。建立工作空间、打开数据库和创建表类型记录集是访问数据库的关键,其代码如下:程序循环读取每条记录中相关字段,获取管线建模所需数据并生成管线连接关系文件。其中“S001”表示给水管线点的图上编号,起点“S002”、终点“S001”表示管线段的起点和终点,每行中描述起点的数据为管点中心坐标、管点类型、埋深和管径。4.2.2电缆模型的表达管线段实体模型可以用两个高度相同和半径不同的同心圆柱体进行求差运算来描述,在以直线连接时,电缆模型可以用管径固定的圆柱体来表达。以给水管线段为例,从管线段连接关系文件中读取管线起点和终点数据,建立以起点为坐标原点、起止点连线方向为Z轴方向的用户坐标系,分别绘出基体圆柱和内孔圆柱,并分别获取所绘几何实体,对两实体求差运算即为管线段实体模型。4.2.3管点实体模型的建立程序根据点编号、管径,确定插入管点实体模型的图块名称,在建立管点实体模型时(以三通为例),管点中心点位于AutodeskMap屏幕坐标系的原点(0,0,0),主管的轴线与屏幕坐标系的X轴重合,支管的轴线与屏幕坐标系的Y轴重合。因此,为了使管点实体模型的空间位置及空间走向与管点实际的位置及走向一致,管点实体模型必须进行空间平移和旋转,其实现的过程的步骤如下:1)管点实体模型的平移程序根据管点的起点坐标,确定管点实体模型的中心点坐标;建立管点实体模型时,管点实体模型的中心点位于原点(0,0,0),因此,管线点的起点的坐标值即为管点实体模型的空间平移量,管点实体模型经过平移,即可实现管点实体模型的中心位置与管点实际的位置相一致。2)管点实体模型的旋转程序根据主管的起点与终点坐标、支管的起点与终点坐标确定管点实体模型的空间走向,管点实体模型以管线的起点为中心进行三次旋转,旋转步骤如下:(1)以Z轴为旋转轴,在0-X-Y平面内旋转,旋转角度为α(如图3a所示);(2)以Y′轴为旋转轴,在0-X′-Z′平面内旋转,旋转角度为β(如图3b所示);(3)以X″轴为旋转轴,在0-Y″-Z″平面内旋转,旋转角度为γ(如图3c所示)。其中旋转角度α、β、γ(即旋转参数)的计算方法如下:如图4所示,设A点为管线起点,B点为主管的终点,C点为支管的终点,以A点为坐标原点,X、Y、Z轴分别与屏幕坐标系的X、Y、Z轴平行,建立用户坐标系。则有:公式中(1)(2)中的ΔXAB、ΔYAB、ΔZAB为B点在用户坐标系中的坐标;SAC、SAC′、ZCC′分别为A、C和C′间的空间距离。式中(-π/2<α、β<π/2>、(0≤γ≤π)。5维管线图相比较三维管线能直观地反映管线管径大小及各管线间空间关系,在AutodeskMap环境下,利用3DOrbit中的工具可对模型平移、缩放、旋转及设置视角显示等,与二维管线图相比较,二维管线只能表达管线间的平面位置关系,三维管线实体模型却能真实体现管线的地下空间关系。但是,地下三维管线实体模型数据量较大,要实现管线的快速浏览,采用同管线数据库相一致的分层分幅的方法,是管线模型管理和浏览的有效解决方案,即管线按类型分别存放在不同图层,每幅图的所有管线作为一个图形文件保存(dwg格式)在相同的目录中,每幅图以图幅号为索引建立数据库,用户可以按图幅、图层和区域浏览,当用户选择区域来浏览时,程序计算出所选区域范围的图幅号,通过索引插入图形至显示区域。6地下复杂管线三维模型及参数化绘画方法AutodeskMap可以在CAD环境下创建、维护、分析和生成地图信息,既包容了AutoCAD面向对象的特性,也拥有独特的三维数据管理功能和GIS的基本功能;基于AutodeskMap利用管线数据库生成地下管线三维模型,能充分发挥AutoCAD强大的三维绘图功能和强大的二次开发功能,实现地下复杂管线的快速建模。另外,地下管线的管点及其附属物具有数量多、类型复杂和规格多样的特点,本文介绍的采用参数化绘图方法建立管点实体模型