一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法与流程

本发明涉及疏浚工程、三维建模分析以及计算机图形学，特别涉及一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法。

背景技术：

航道、港池、泊位挖槽的设计是疏浚港口航道疏浚工程设计最为重要的内容之一。挖槽的设计与工程质量和工程成本息息相关，合理的挖槽设计能够缩短工期、提高工程质量、节约工程成本。

然而，挖槽设计是一个非常复杂的过程。首先，它需要考虑的因素众多，如挖槽断面土质种类、物理力学特性、海域波浪水流以及泥沙沉积的影响、航道被掩护的程度、疏浚设备类型和施工方法、边坡形成的时间等。其次，挖槽边坡本身包含不同种类，大体可分为设计边坡和稳定边坡，设计边坡是根据开挖航槽的土质物理力学特性而确定的；稳定边坡是在两次维护期之间，定期维护疏浚开始前，由于各种外部影响因素作用下，形成相对平衡和比较稳定的边坡。另外，在地质条件复杂的地区，疏浚挖槽可能贯穿多个不同土层，不同土层的土质类型不同、物理力学特性也不同，常需要设计多级边坡。在实际放坡过程中，坡度设计都比较保守，坡比较缓。这就导致在很多情况下超挖土方量会比较大，尤其是地质环境为岩石类的挖槽，偏保守的坡度设计会增大疏浚土的超挖量，以致极大地增加开挖的成本。

由此可见，挖槽的设计是疏浚过程中至关重要，又非常复杂的一个环节。在传统的挖槽设计过程中，设计人员大都是借助cad进行剖面分析，但二维的图形显示度有限，难以满足复杂挖槽的设计需求。对于三维建模平台，目前业内广泛应用的疏浚设计软件为hpack、cass，但这些软件仅提供了基本的建模功能，并没有给出针对复杂挖槽的快速建模方法。在设计过程中，由于需要的考虑的因素众多，一旦某个影响因素发生改变，挖槽就需要重新设计，这一过程极为繁琐，工作量很大。因此，设计人员亟需一种高度自动化的，可以对复杂挖槽在三维平台上进行快速建模的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是将繁琐的挖槽三维建模过程程序化，利用计算机图形学算法取代建模中的人为分析过程，提供一种高度自动化的复杂挖槽的快速建模方法，简化了复杂挖槽的建模设计流程。

本发明所采用的技术方案是：一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，包括以下步骤：

步骤a，确定施工区挖槽底部的多段线轮廓和各个边所对应的坡比，以及挖槽高程；

步骤b，在三维建模平台中建立挖槽底部轮廓，并进行封闭性检验；

步骤c，对挖槽底部轮廓的各个线段进行排序；

步骤d，根据各条边的坡比求出坡面所在的平面方程，并求得相邻两个坡面平面的交线，即挖槽的棱线；

步骤e，依次求出各个棱线在挖槽高程处的点的坐标，并依次相连生成挖槽上口轮廓；

步骤f，将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应，生成挖槽侧面，至此，完成三维挖槽模型建模；

步骤g，根据三维挖槽模型进行疏浚作业。

进一步地，步骤a中，所述的挖槽底部的多段线轮廓为若干线段组成的凸多边形或凹多边形，各个线段为由两个点组成的数组，各个线段在同一高程或在不同高程。

进一步地，步骤b中，所述的封闭性检验的方法为：对于多边形的任意一个边的任意一个端点，有且仅有另外一条边的其中一个端点与其重合。

进一步地，步骤c中，所述的对挖槽底部轮廓的各个线段排序为：以挖槽底部轮廓多段线中的任意一个线段为第一条线段，按俯视逆时针的顺序将其余的线段排序。

其中，步骤c具体包括：

步骤c1，按首尾相接的原则对挖槽底部轮廓线的各个线段进行初步排序，此时，从俯视角度，各个线段的顺序为顺时针或为逆时针；

步骤c2，忽视多边形的所有高程坐标，将多边形视为平面多边形；

步骤c3，随机选取一条线段，按矢量叉乘法则在该线段右侧接近线段中点处生成一点；

步骤c4，利用射线法，判断该点是否在多边形外部，如果是，则此时的线段排序为逆时针；否则，需要将已排序好的线段进行倒序处理。

进一步地，步骤d中，所述的坡面所在的平面方程求得方法为：对于挖槽底部轮廓的其中一条线段，通过求解二元二次方程组找到过该线段的平面，使该平面与水平面的夹角正切值为该线段坡比的倒数。

其中，若所找到的过该线段的平面为两个，则，在该线段右侧接近该线段中点处生成一点，过该点做一条铅垂线，如果该铅垂线与平面的交点的高程比该点高，则该平面满足要求，否则舍弃。

进一步地，步骤d中，所述的相邻两个坡面平面的交线，通过联立两个平面方程并解线性方程组求得。

进一步地，步骤e中，所述的挖槽上口轮廓为各定点高程相等的任意多边形。

进一步地，步骤f中，所述的将挖槽上口轮廓与底部轮廓的各个线段一一对应所根据的原则为：挖槽上口轮廓与底部轮廓相对应的两个线段由两条共同的棱线相连。

本发明的有益效果是：本发明为一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，将繁琐的挖槽三维建模过程程序化，用多种计算机图形学算法相结合的方式取代了传统建模中所有的人为判断的过程，极大地简化了复杂挖槽的建模设计流程，提高了疏浚工程设计工作的精准度与试算工作的效率，对工程量计算、可视化分析等起到了极大的促进作用。

附图说明

图1：本发明中判断点在直线左(右)侧原理图；

图2：本发明中射线法判断点与多边形的位置关系示意图；

图3：本发明中通过底边和坡比生成边坡示意图；

图4a：i型挖槽底面形状示意图；

图4b：ii型挖槽底面形状示意图；

图4c：iii型挖槽底面形状示意图；

图4d：iv型挖槽底面形状示意图；

图5a：i型挖槽三维模型示意图；

图5b：ii型挖槽三维模型示意图；

图5c：iii型挖槽三维模型示意图；

图5d：iv型挖槽三维模型示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

一种任意形状底面疏浚挖槽快速成形设计方法，包括以下步骤：

步骤a，确定施工区挖槽底部的多段线轮廓和各个边所对应的坡比，以及挖槽高程。所述的挖槽底部的多段线轮廓为若干线段组成的凸多边形或凹多边形，各个线段可以在同一高程，也可以在不同高程。各个线段为由两个点组成的数组，多段线轮廓则是若干线段组成的数组，这种数据格式适用于当前几乎所有的建模软件，如cad、rhino3d、revit。

步骤b，在三维建模平台中建立挖槽底部轮廓，并进行封闭性检验。所述的封闭性检验是为了保证底部轮廓线是一个没有缺口的多边形，其原则为：对于多边形的任意一个边的任意一个端点，有且仅有另外一条边的其中一个端点与其重合。

步骤c，对挖槽底部轮廓的各个线段进行排序。所述的对挖槽底部轮廓的各个线段排序为：以挖槽底部轮廓多段线中的任意一个线段为第一条线段，按俯视逆时针的顺序将其余的线段排序，这一过程进一步包括：

步骤c1，按首尾相接的原则对挖槽底部轮廓线的各个线段进行初步排序，此时，从俯视角度，各个线段的顺序可能为顺时针，也可能为逆时针；

步骤c2，在以下的子步骤中，忽视多边形的所有高程坐标，将多边形视为平面多边形；

步骤c3，随机选取一条线段，按矢量叉乘法则在该线段右侧接近线段中点处生成一点，该步骤的原理如图1所示；

假设线段的两个端点为p0和p1，另有一点为p2，同时令a＝p0p1，b＝p0p2。之后计算这两个矢量的叉积，如式(1)。如结果大于0，则p2点在线段p0p1的左边；等于0则p2点在线段上；小于0则p2点在线段右边。

|a×b|＝axby-aybx(1)

式中，ax为a在x方向的分量，ay为a在y方向的分量，bx为b在x方向的分量，by为b在y方向的分量；

步骤c4，利用射线法，判断该点是否在多边形外部，如果是，则此时的线段排序为逆时针；否则，需要将已排序好的线段进行倒序处理。所述的射线法可被描述为：先画一条穿过被测点的水平射线，判断射线与多边形的交点。如果交点的数量为奇数，则被测点在多边形内；如果交点的数量为偶数，则被测点在多边形以外，如图2所示。但是，有两种特殊情况需要注意：(1)当射线刚好经过凸多边形两条相邻边的交点上的情况会导致重复判断，此时判断的方法是，假定该顶点位于水平射线以上，再判断射线与各边的相交个数；(2)射线刚好经过多边形的一条边，此时算作射线连续经过了多边形的两个相邻顶点。

步骤d，根据各条边的坡比求出坡面所在的平面方程，并求得相邻两个坡面平面的交线，即挖槽的棱线。所述的坡面所在的平面方程求得方法为：对于挖槽底部轮廓的其中一条线段，通过求解二元二次方程组找到过该线段的平面，使该平面与水平面的夹角正切值为该线段坡比的倒数。该方法如图3所示。

本发明中所有的平面均用四个参数表示，即a、b、c和d，该四个参数确定的平面方程为：

ax+by+cz+d＝0(2)

需要注意的是，满足该要求的平面一般有两个，此时遵循的规则是：在该线段右侧接近该线段中点处生成一点，过该点做一条铅垂线，如果该铅垂线与平面的交点的高程比该点高，则该平面满足要求，否则需要舍弃。

对于相邻的两个坡面，通过联立两个坡面所在平面的方程，求解线性方程组得到两个平面的交线，即棱线，其一般方程为：

式中，a1、b1、c1、d1和a2、b2、c2、d2分别为两个平面的参数。

步骤e，经上述步骤后，对一个n边形，可生成n条棱线，依次求出各个棱线在挖槽高程处的点的坐标，并依次连接这些点生成挖槽上口轮廓。所述的挖槽上口轮廓为各定点高程相等的任意多边形。

步骤f，不难分析出，两个相邻的棱线之间，对应着一个挖槽上口轮廓线段和一个挖槽底部轮廓线段，这两个线段处于同一平面，连接这两个线段的四个端点，便生成了挖槽的一个侧面。以这种方法，可逐个生成挖槽的所有侧面。

通过以上步骤a至步骤f，即可快速生成疏浚工程任意形状底面三维挖槽模型。

步骤g，根据三维挖槽模型进行疏浚作业。可以通过本发明所建立的三维挖槽模型，再加上地质模型，计算疏浚作业需要开挖的工程量，甚至可以细化到每一类土所占的比重，对于计算施工成本及进度安排起着重要作用。

下面我们将借助一个实例对本方法进行验证，整个建模过程中，通过c#语言将所提出的方法程序化，并在rhinoceros3d软件中实现三维可视化：

实例中的挖槽分为四种：(1)i型挖槽，底面形状为凸多边形，且各边高程相同；(2)ii型挖槽，底面形状为凹多边形，且各边高程相同；(3)iii型挖槽，挖槽底面各边高程不同；(4)iv型挖槽，即变坡比挖槽，挖槽的侧面不是一个平面，而是由多个平面组成的折面，如图4a至图4d所示。其中，iv型挖槽示例的底面与i型挖槽示例的底面相同。i型挖槽的底高程为0m，顶高程为5m，底边轮廓为凸四边形，且四条边的坡比分别为1:2、1:2、1:4、1:3；ii型挖槽的底高程为0m，顶高程为5m，底边轮廓为凹五边形，且五条边的坡比分别为1:2、1:2、1:4、1:3、1:3；iii型挖槽的底高程为0m，顶高程为10m，底边轮廓为凹六边形，且五条边的坡比分别为1:2、1:2、1:4、1:4、1:3、1:3；iv型挖槽的底高程为0m、顶高程为5m，由于iv型挖槽是变坡比(即多级挖槽)，在挖槽的顶和底之间会有一个折坡，折坡高程为3m，折坡高程到底部高程的各侧的坡比均为1:1，顶部高程到折坡高程部分各侧的坡比均为1:2。

根据本发明所提出的方法，只需要在底部轮廓已知的情况下，输入各个坡比和高程，便可直接生成三维挖槽。图5a至图5d为快速生成的三维挖槽模型，生成四个模型的操作时长如表1所示：

表1生成四种挖槽所有用时长

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。