摘  要： 通過對儲油罐進行分類，以立罐為建模對象，就立罐構模元素進行分析，提出立罐的三維數據模型，并給出了其基本構模元素的數據結構的定義。根據上述的數據模型與數據結構，先將立罐空間剖分成底面、側面和頂面等易于建模的部分，然后對其剖分后各個部分的三維建模方法、步驟進行了詳細探討。最后將這些剖分的部分集成起來，構成了立罐的三維空間實體模型。以VC++為程序設計語言，采用OpenGL三維圖形函數包做為圖形顯示工具，開發出儲油罐三維建模實驗系統，并以立罐和臥罐為例進行三維建模，實驗證明了三維數據模型、數據結構、建模方法及步驟是可行的，為研究“數字石化”提供了理論基礎。
關鍵詞： 儲油罐；立罐；數據模型；三維建模；數字石化

    數字石化是指以計算機信息技術為手段全面實現石化設備、石化設施和企業的數字化、網絡化、智能化和可視化[1-3]。石化企業設備、設施以及廠區的三維可視化以及相應的管理信息系統都是數字石化的一部分內容。現如今，三維建模已經在很多領域得到了發展和應用，如地礦部門[4-6]、石油存儲地層建模[7-9]、數字城市[10-11]等，卻鮮有石化方面的三維模擬研究見諸公眾。
    大型儲油罐是石化企業最重要的設備之一，它具有很大的容積，有著廣泛的應用。一些大的石化企業都有專門的場地存放儲油罐，其數量往往達到幾百甚至上千個，這為石化企業的管理帶來了困難。為了能夠在短時間內對這些儲油罐進行動態管理(例如儲油罐的儲油量、消防等)，研究儲油罐的三維模擬就顯得十分重要和有意義，這也為“數字石化”的發展提供了理論基礎。本文將以最常見的儲油罐——圓柱形立罐為例，主要針對其三維數據模型、三維數據結構及建模方法進行研究，并以VC++為程序設計語言，以OpenGL為三維圖形顯示工具，對所研究的數據模型、數據結構及構模方法進行驗證。
1 儲油罐的分類及三維數據模型
1.1 儲油罐的分類
    儲油罐是儲存油品的容器，它是石油庫的主要設備。儲油罐按材質可分金屬油罐和非金屬油罐；按所處位置可分地下油罐、半地下油罐和地上油罐；按安裝形式可分立式、臥式；按形狀可分圓柱形、方箱形和球形[12]。由于立罐具有代表性，本文將以圓柱形的立罐為研究對象，進行三維模型的構建。
1.2 儲油罐的三維數據模型
    三維空間構模方法研究是目前3DGIS領域研究的熱點問題。許多專家和學者在此領域都做了有益的探索，總共提出了20多種空間構模方法，可分為基于面模型、基于體模型和基于混合模型的三大類構模體系[4，13-14]。由于儲油罐是一種空間實體，具有規則的邊界，而內部又是中空的實體，所以基于體元模型的構模方法不適用于構建三維儲油罐。本文利用面向對象分析的方法將立罐三維建模的基本元素抽象為點、線、面三大類，如圖1所示。

    點類主要包括儲油罐測量點、離散點等，線類有特征連接線，面類主要有基礎面元、儲油罐的底面、側面、頂面等。這樣儲油罐的體模型就可以由這些基本構模元素通過一定的構模方法構建。這里需要強調的是，特征連接線是由用戶指定的用于連接特征點的線段。在三維構模過程中，體的生成主要由特征連接線構成。基礎面元主要由特征連接線構成，通常有三角形面元和四邊形面元兩種類型，在三維空間表面模型表達上，三角形面元要優于四邊形面元[15]。這種通過面、邊、點來定義實體的位置和形狀的數據模型就是邊界表示模型[4]（B_rep），圖1表達了立罐的三維邊界表示模型。
2 儲油罐的三維數據結構
    根據上述的三維數據模型，用C++語言描述立罐的三維數據結構如下：
struct 3DPOINT//空間點結構
{
    long PointID;//點的ID號
    float x, y, z; //點的三維坐標
}
struct LINE//線結構
{
    long LineID; //線的ID號
    3DPOINT StartPoint;//起點坐標
    3DPOINT EndPoint;//終點坐標
}
struct TRIANGLE//基礎面元
{
    long TriID;//三角形ID號
    3DPOINT p1, p2, p3;//三角形頂點坐標
    LINE line1, line2, line3; //三角形邊
}
struct SURFACE//面結構
{
    Long SurfaceID;//面的ID號
    TRIANGLE *Tri;//三角形串
}
class LG
{
public:
    long LgID; //立罐的ID號
    3DPOINT CenterPoint;//立罐中心點三維坐標
    float h1;//立罐柱體高度
    float h2;//頂蓋高
    float r;//罐底半徑
    int precision;//罐頂模擬精度40
    int m_type;//罐頂模擬類型，1，采用直線；
//2，采用正弦曲線
    CString material;//材質
    COLORREF rgb;//顏色
    …//其他一些屬性信息（自重，容積等）
};
    立罐的三維數據結構直接描述了構成立罐模型的基礎元素，有利于三維立罐程序的設計及三維可視化操作。
3 儲油罐的三維構模方法及步驟
    儲油罐的三維模型構建總的思路是化復雜為簡單，即首先將罐體進行剖分；然后對剖分后的各個部分分別建模；最后再將這些剖分的模型集成起來。以立罐為例，先將立罐剖分成底面、側面、頂面、斜梯等部分；再對剖分后的底面、側面、頂面等分別建模，此時，已經將復雜的立罐體模型簡化為面模型；然后把這些面模型集成在一起構成體模型。
    根據上述的邊界表示數據模型，結合線框構模原理對立罐三維模型進行構建。其構模步驟如下：
    (1)把立罐剖分成底面、側面、頂面和斜梯等。
    (2)首先，對底面進行模型構建。由于底面是一圓面，采用一正多邊形對其進行逼近，本實例中，以正四十邊形來模擬底面。假定底面圓心點的三維坐標為（x_center，y_center，z_center），半徑為r，利用式（1）可以求出正四十邊形所有頂點的三維坐標，再對底面進行三角化，即每兩個相鄰的頂點與圓心構成一個三角形，如圖2所示，A、B為正四十邊形上的兩個頂點，這兩個頂點與圓心O就可以構成三角形面ABO(基礎面元)，整個底面就可以由這樣40個三角形面片構成。
 

4 實驗模擬
    針對上述提出的儲油罐的三維數據模型、數據結構及構模方法，在Windows XP環境下，以VC++6.0為程序設計語言，以OpenGL三維圖形函數包為可視化工具[16]進行程序設計，圖5為立罐三維模型構建的參數設置對話框，所構模型如圖6所示。

    通過對立罐的數據模型、數據結構及建模方法的研究，得出以下認識：(1)對儲油罐進行分類后，以立罐作為典型實例進行建模研究，給出了其空間構模的基本元素，并對這些基本元素的數據結構進行了定義；(2)提出的先剖分后建模的思路是可行的。對剖分后的各個部分分別進行建模和詳細探討，并對復雜的頂部曲面采用正弦函數法進行模擬，達到了良好的效果；(3)結合具體的建模方法及步驟，經過程序設計進行實驗模擬。實驗證實本文所提出的數據模型、數據結構以及建模方法是可行的。

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