水利水電工程三維地形建模技術

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摘要隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，水利水電事業(yè)的發(fā)展生機勃勃，水利水電工程建設與管理也有傳統(tǒng)的二維技術向三維技術發(fā)展，建立在數(shù)字化、可視化、可量測基礎上的三維地形已越來越受到各行各業(yè)的青睞和關注。本文通過對工程中三維地形建模技術探討，對滿足水利水電工程建設和管理需求具有重要作用。

關鍵詞水利水電工程；三維地形建模；技術探討

1、三維地形建模技術概述

三維地形建模技術是通過計算機技術對地貌、地表建筑物、構筑物等進行三維幾何重建、提取和修復、使用三維動畫進行展示的技術。可通過對遙感影像、地形圖、線劃圖、柵格圖等進行綜合處理，并結合虛擬現(xiàn)實技術、可視化技術等實現(xiàn)三維地形建模[1]。

2、三維地形建模實現(xiàn)過程

2.1三維地形建模使用到的硬件工具包括數(shù)字掃描儀、三維激光掃描儀、全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)等，通過軟件對影像數(shù)據(jù)進行處理，形成三維地形地貌，提取建筑物模型后，利用人工對異形地面與不規(guī)則建筑物進行人工建模。

2.2對于通過航片進行采集和提取的建筑物的頂端的紋理，例如具有標志性的建筑物，利用數(shù)碼相機進行建筑物的采集。使用數(shù)碼將采集紋理，要對建筑物進行正直攝影，可以使用分塊正直攝影的方法，先分成幾張照片，然后在圖像處理軟件中進行拼接和編輯。

2.3在粘貼紋理的過程中，對建筑物進行多個面的圳鐵，可以將整個建筑物的紋理粘貼成一種，然后對于粘貼的效果進行抓取和刪除。注意相片的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)移除?？梢詫崿F(xiàn)在圖像處理軟件中對建筑物的側面紋理進行連接，注意前后順序不要出錯，防止紋理電到或者出現(xiàn)側面紋理的互換等錯誤。

2.4對于較大范圍的異形地面的處理，可以在建模時將高度不同的建筑物進行相應的處理，按照不同的顏色和形狀進行分塊粘貼，實現(xiàn)逼真的景觀效果。

3、三維地形建模的特點

對于三維地形建模的系統(tǒng)的特點的體會，是三維實體建模工具的強大的功能。這種建模工具的三維實體的建?？梢园凑諏嶋H需要進行三維模型的生成。一些常用的軟件操作也簡單，沒有繁復的參數(shù)控制，只需要簡單的基本圖元就可以快速生成復雜的三維實體。另外，在交互式編輯方面，測繪三維建模的系統(tǒng)提供了二維和三維編輯功能，這種數(shù)據(jù)的編輯功能具有AutoCAD的特點，可以完成分層控制和簡單的操作。直觀地在三維空間內(nèi)對物體進行操作，視角也靈活。使用鼠標就iu可以任意地旋轉、縮放、平移等等，對空間實體也能夠完成整體的操控。第三個特點是三維地形建統(tǒng)可以實現(xiàn)屬性的管理和查詢與分析。在三維實體的編輯和創(chuàng)建方面進行信息的管理。

4、工程中三維地形建模方法

4.1TIN和Grid模型。TIN方法是將無重復點多額散亂數(shù)據(jù)點進行三角剖分，使得各個不重疊的三角面形成連續(xù)的片網(wǎng)。以此描繪三維地形地貌的表面，考慮到采樣密度和分布的不均勻分布，應在內(nèi)插處理后形成規(guī)則的平面分割網(wǎng)絡，用于地形地貌表面的建模。

4.2邊界表示B-REP模型。通過定義形體的面、環(huán)、邊、點等進行平面曲線或者是空間曲線位置和形狀的建模。

4.3線框模型。利用線框建模的技術將目標空間輪廓上的采樣點和特征點進行直線的連接，形成多邊形的拼接，最終模擬多邊形網(wǎng)絡的開挖邊界。

4.4序列斷面模型。使用傳統(tǒng)的地形制圖方法進行建模，通過平面圖或者剖面圖建模。

4.5斷面三角網(wǎng)混合模型。通過不同地形界面形成二維剖面，將斷層礦體或者侵入體的邊界進行賦值，得到每條界線的屬性值，然后將相鄰的剖面的屬性上的三角面片的TIN連接，構成具有特定屬性的三維曲面。

4.6多層DEM建模?；诟鱾€底層的界面按照DEM的方法對各個底層進行插值和擬合，根據(jù)底層的屬性對多層DEM數(shù)據(jù)進行交叉劃分，引入地下空間的特殊數(shù)據(jù)信息，例如建筑物的點線面等，完成三維空間的完整剖分。工程中數(shù)據(jù)表達包含了數(shù)據(jù)結構、三維地形地貌建?；A、水利水電工程區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)等。表達三維實體的數(shù)據(jù)結構包括了NURBS-TIN-BRep等基于曲面和體元的結構。前者對空間對象的邊界進行了表達，后者對空間對象的信息進行了對比分析。不僅對水利水電工程的空間對象的邊界、地質(zhì)條件等進行了設計，也針對地形地貌環(huán)境的施工進行了圍觀屬性的可視化技術實現(xiàn)。經(jīng)過摸索和研究，對于地形地貌的三維測繪建模的非均勻有理結構，結合三角網(wǎng)不規(guī)則邊界的模型結構進行了混合數(shù)據(jù)結構的表達。NURBS技術是建立在自由曲線曲面的表示方法，也是唯一的表示方法。對圖形和曲線曲面的解析提供了數(shù)學統(tǒng)一描述，針對復雜地形的規(guī)律性變化進行了NURBS幾何建模?？梢怨?jié)約存儲空間，簡單處理計算機，保證空間唯一性和幾何不變性的前提下管理數(shù)據(jù)庫。TIN的模型精度很高，存儲的空間按大，可以為NURBS三維數(shù)字地形提供中間轉換表達方式，這是一種建立在邊界面對實體進行定義的有效的體描述的方法，可以實現(xiàn)任意定向的邊界面，也可以組織NURBS去免檢的拓撲關系，構造出復雜的地形體。形成包括NURBS曲線、曲面、三角形、BREP實體等在內(nèi)的多種基本幾何元素的數(shù)據(jù)結構，不僅有效表達地形對象的幾何形態(tài)，也可以實現(xiàn)拓撲空間關系，將相關的地形屬性信息和幾何對象結合。按照模型精度和數(shù)據(jù)存儲量進行布爾運算，滿足水利水電工程地形地貌三維建模和分析的需要[2]。

5、工程中三維地形建模技術

使用NURBS進行三維數(shù)字地形的建模，簡化為地形地貌形態(tài)中的直接和基本的部分，不僅要對整個地形地貌模型進行運算和操作，還要滿足存儲量小、精度高的圖形操作運算要求，建立起實用的三維地形模型。根據(jù)目前的TIN模型和規(guī)則格網(wǎng)進行的三維數(shù)字地形，數(shù)據(jù)量小但是精度低的傳統(tǒng)建模方法以及現(xiàn)在的數(shù)量較大精度高的建模方法，都無法真正該滿足實際需要。需要引入NURBS技術構建DTM。結合TIN和NURBS-DTM等建模技術，對于復雜地形進行很好地建模。簡化后的建模方法包括：處理密度過密或者過稀的等高線，進行加密或者稀疏差值；生成TIN模型，處理GIS環(huán)境中的三維DTM,消除等高線數(shù)據(jù)或者采集信息缺乏造成的細小和狹長的三角形，使得TIN模型的精度變高；對于TIN模型進行數(shù)據(jù)轉換，得到GIS環(huán)境下的NURBS處理系統(tǒng)的mesh數(shù)據(jù)曲線保證三角形不會丟失或者變化；獲取NURBS的控制點，按照u或者v的方向進行等間距的提取，或者足夠多的分布均勻的輪廓線并進行離散化處理；擬合NURBS地形曲面，根據(jù)NURBS算法設計出函數(shù)，對于地形控制曲面進行重新擬合；利用布爾操作運算獲得區(qū)域地形輪廓體的模型[3]。

6、結語

水利水電工程三維地形建模方法著力于從二維向三維動態(tài)轉化的過程，使用NUBRS、TIN、Brep建構了面向水利水電工程三維建模的混合數(shù)據(jù)結構，解決了水利水電工程復雜地形信息存儲量大和精度要求高的矛盾，確保了模型解釋真實情況的功能，快速耦合數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模型的及時更新。

參考文獻：

[1]萬云輝,李小帥,錢富運等.三維勘測設計技術在水利水電工程中的應用研究[J].長江科學院院報,2015,(7):137-142

[2]張永光,劉豪杰,尹小磊等.點云數(shù)據(jù)多站拼接在水利工程測繪中的應用[J].華北水利水電學院學報,2013,34(3):74-77.

[3]徐銳,康慨,王陸軍等.RIEGLVZ-4000三維激光掃描儀在水利水電工程地形測繪中的應用[J].地礦測繪,2015,31(1):38-40.

作者:林順海 單位：浙江省水利水電勘測設計院