大范圍地形及工程三維系統(tǒng)快速搭建方法

張治中，葉 松

大范圍地形及工程三維系統(tǒng)快速搭建方法

張治中，葉 松

（長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010）

在大范圍地形及工程三維應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，建模工作一直是較為耗時耗力的工作，該工作一般可分為地形建模和人工建筑物建模。結(jié)合具體項目，總結(jié)歸納了海量數(shù)據(jù)的分塊預(yù)處理方法，采用CTS軟件制作大范圍地形模型、3D Max和Multigen Creator建模軟件制作工程模型、一般模型建模的方法和經(jīng)驗，在一定程度上，減少了建模的時間和工作量。

三維仿真；建模；水工模型

目前，在國內(nèi)外工程建設(shè)的各個階段和建后的運行管理中，普遍采用三維仿真技術(shù)，輔助規(guī)劃研究、工程設(shè)計、成果展示和業(yè)務(wù)管理［1］。

隨著計算機技術(shù)、遙感技術(shù)、攝影測量技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得我們能夠快速獲取空間信息并重建三維景觀成為現(xiàn)實。尤其值得指出的是，三維技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使人類對地表環(huán)境的認(rèn)知方式產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。在水文站網(wǎng)管理、輸電線路管理、水資源綜合開發(fā)、河道演變分析、堤防管理、水利工程宏觀規(guī)劃與信息管理等水電領(lǐng)域都有所應(yīng)用。利用三維技術(shù)還可以逼真模擬人類尚未到達或難以到達的區(qū)域，由此可見，三維技術(shù)的研究與系統(tǒng)應(yīng)用的迫切而又具有重要意義。

1 項目概述

南水北調(diào)工程是優(yōu)化我國水資源時空配置的重大舉措，是解決我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題的特大型基礎(chǔ)設(shè)施項目。北京段工程（以下簡稱“工程”）位于中線工程的末端，自房山北拒馬河至頤和園團城湖終點，全長80.4 km，采用全封閉的管涵輸水。除大寧調(diào)節(jié)池和末端幾百米能見到水面外，其余全部在地下埋設(shè)。除起點惠南莊加壓泵站工程外，還有穿越永定河、拒馬河、大石河等大小32條河流的穿河建筑物；穿越京石、五環(huán)、四環(huán)等高速公路12處的穿路建筑物；穿越京廣鐵路、豐臺鐵路編組站等11處與鐵路交叉的建筑物；2處穿越山丘的隧洞工程；另外還有穿越城區(qū)地鐵干線五棵松地鐵站的交叉建筑物。

為生動形象地展示南水北調(diào)中線工程北京段的建設(shè)成就，總結(jié)工程中采用的技術(shù)和施工方法，生動反映設(shè)計者和建設(shè)者在吸取前人經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，積極創(chuàng)新、追求人與自然和睦相處、工程與環(huán)境協(xié)調(diào)一致的可貴努力，項目借助三維仿真技術(shù)，開發(fā)了“南水北調(diào)中線工程北京段三維交互式演示系統(tǒng)”。

2 系統(tǒng)建模

構(gòu)建一個界面友好、運行簡單的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)完全基于三維，既能從整體上，也能從局部上展現(xiàn)工程的建設(shè)情況、運行調(diào)度方式。表現(xiàn)內(nèi)容主要包括工程建設(shè)實體、調(diào)水方案模擬、施工模擬3個部分。實體展示主要是水工建筑物和沿線周邊人文經(jīng)濟發(fā)展情況，包括地上和地下部分。地下部分主要表現(xiàn)管線所穿立交和地鐵等設(shè)施。調(diào)水方案模擬主要是模擬工程水工設(shè)施，包括閘、泵站、分水口、調(diào)壓池、管涵的調(diào)水模擬。施工模擬主要是模擬工程施工過程中采用的新技術(shù)、新方法。用戶可以對工程進行交互式漫游。整個系統(tǒng)以光盤為存儲介質(zhì)，不需安裝，即可運行。

依據(jù)項目的建設(shè)目標(biāo)和要求，制作北京市的三維地形模型，制作單項工程模型，包括北拒馬河暗渠工程、惠南莊泵站工程、PCCP（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道）工程、隧洞工程、大寧調(diào)壓池工程、永定河倒虹吸工程、盧溝橋暗涵工程、西四環(huán)暗涵工程、團城湖明渠工程，其中西四環(huán)暗涵工程由于經(jīng)過北京市四環(huán)線，穿過地鐵、立交等，施工難度較大，屬于重點表現(xiàn)內(nèi)容，需制作沿西四環(huán)暗涵工程兩邊各500 m的所有建筑物模型。除西四環(huán)暗涵工程外，其余各項工程所處位置較為偏僻，根據(jù)需要零星制作建筑物模型。以模型為基礎(chǔ)，制作調(diào)水和施工動畫。構(gòu)建一個真三維虛擬仿真平臺，平臺不基于第三方軟件，完全從底層自主開發(fā)，支持基于模型的三維動畫模擬。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的設(shè)計和組織直接影響到系統(tǒng)最后的效果和能否滿足要求。本系統(tǒng)的開發(fā)使用了大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的收集與后期處理花費了大量的精力。以北京市地方坐標(biāo)作為聯(lián)系各種數(shù)據(jù)的紐帶［2］。

（1）航空影像：選用整個北京市2005，2006年0.4 m分辨率的彩色航空正射影像作為生成大地形模型主要的影像數(shù)據(jù)源。大比例尺航空影像能更直觀、清晰地反映地物信息，能夠輔助制作西四環(huán)周邊房屋、立交橋、地鐵站的模型并提供位置信息，該數(shù)據(jù)格式為ecw格式。

（2）衛(wèi)星影像：項目范圍除北京市以外，還涉及到北京市與河北省相交的拒馬河周邊，航空影像并未包括，項目收集了約5 m分辨率的衛(wèi)星影像作為補充，該數(shù)據(jù)格式為jpg格式。

（3）1∶100 000高程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)格式為img格式。

（4）工程建筑CAD圖紙：對于局部需重點表達的水工建筑物，要求制作建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)。工程建筑物CAD圖紙，對精確制作模型非常重要，該數(shù)據(jù)格式為dwg格式。

（5）工程規(guī)劃圖紙：南水北調(diào)工程在規(guī)劃之初，進行了工程的平面規(guī)劃和建筑物的外立面效果圖制作。由于項目進行時，大部分工程建筑物的外立面和工程的綠化、配套設(shè)施還沒有完成，工程規(guī)劃圖和建筑物外立面效果圖是制作模型外觀的重要依據(jù)，該數(shù)據(jù)格式是dwg或jpg。

（6）照片：工程建筑物照片能夠幫助開發(fā)人員理解CAD圖紙；從中提取部分建筑物紋理；彌補部分建筑物沒有CAD設(shè)計圖紙。照片包括涉水建筑物照片和西四環(huán)周邊建筑物照片，該數(shù)據(jù)格式為jpg格式。

2.2 模型的建立

項目開發(fā)工作大致可分為5個部分：地形模型開發(fā)、建筑物模型開發(fā)、動畫開發(fā)、軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成。相互關(guān)系如圖1所示。

本項目中地形模型開發(fā)是指使用航空正射影像、衛(wèi)星影像和數(shù)據(jù)高程數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，生成大地形模型的過程。整個過程如圖2所示。

圖1 開發(fā)流程圖Fig.1 Development flow chart

圖2 地形模型制作流程圖Fig.2 Flow chart ofmaking terrain model

由于項目獲取的航空影像原始數(shù)據(jù)的坐標(biāo)不是北京市地方坐標(biāo)系統(tǒng)，而工程設(shè)計方提供的工程資料又多為北京市地方的投影坐標(biāo)系統(tǒng)，為方便后續(xù)的系統(tǒng)集成工作，將所有空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為北京市地方坐標(biāo)系統(tǒng)，采用取特征點糾正［3］?？紤]到整個北京市的航空影像文件很大，直接使用將嚴(yán)重影響后續(xù)各項工作的工作效率，項目將影像分成4×4＝16塊等區(qū)域文件。調(diào)整每個分塊后的影像色彩，使之更符合人眼的習(xí)慣，更美觀。所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，使用CTS（Creator Terrain Studio）對航空正射影像、衛(wèi)星影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)進行處理，生成大地形模型。

建筑物模型開發(fā)包括水工建筑物和一般建筑物模型開發(fā)。水工建筑物是項目表達重點，要求根據(jù)工程設(shè)計圖紙精細建模：要求表現(xiàn)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的運轉(zhuǎn)設(shè)備；對于周邊的綠化和附屬工程，已建成的按實際情況建模，未建成的按工程設(shè)計效果圖建模。水工模型制作流程如圖3所示。

由于工程收集的CAD圖紙是由設(shè)計單位使用AutoCAD 2007制作，格式為dwg。其格式不能為Creator三維建模軟件直接使用，必須先進行格式轉(zhuǎn)換。項目所建模型是要進行實時驅(qū)動的，要求模型在滿足要求的條件下，模型復(fù)雜度越小越好，面片數(shù)越少越好。Creator軟件是專業(yè)的實時驅(qū)動模型建模軟件，其制作的模型復(fù)雜度較小，但對于復(fù)雜的建模，功能有限。對于比較復(fù)雜、精細的建模，需要使用3D max。3Dmax制作的模型較為復(fù)雜，因此，必須先導(dǎo)入Creator中，進行模型簡化和格式轉(zhuǎn)換。再在Creator中，導(dǎo)入由3Dmax生成的3DS文件，使用面片合并功能，對面片進行合并，進行紋理修改整理后，另存為flt格式文件。

西四環(huán)建筑物（以下簡稱“一般建筑物”）主要是為了襯托水工建筑物，反映幾何尺寸，反映工程周邊復(fù)雜的施工環(huán)境，豐富場景，要求實現(xiàn)建筑物的外部輪廓和面貌。

圖3 水工模型制作流程圖Fig.3 Flow chart ofmaking hydraulicmodel

圖4 一般建筑物制作流程Fig.4 Flow chart ofmaking a general building

照片主要用作模型的紋理和作為建模參考，輔助理解之用。故在拍攝時，應(yīng)該注意：拍攝對象最好有各個方向的全景數(shù)張；拍攝細節(jié)部分，要求鏡頭盡量垂直拍攝平面，這樣在制作模型紋理時，可以減少照片處理時間。此外，可以從影像上方便地了解建筑物的外部輪廓、建筑物的位置信息。所以，以分塊影像作為建模底圖。制作完成后的模型都具有統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，相互關(guān)系清楚。系統(tǒng)集成時，和大地形模型、水工建筑物模型的相互關(guān)系清楚，有利于系統(tǒng)集成。

3 關(guān)鍵方法

大范圍地形與工程模型是搭建虛擬仿真系統(tǒng)中較為耗時耗力的工作內(nèi)容，因此快速建模方法一直是虛擬仿真領(lǐng)域研究的重要方向，本項目嘗試了一些新方法，在實際操作中，取得了良好的效果。

（1）分塊處理高精度影像數(shù)據(jù)。三維仿真中的地形仿真往往以高精度的航空影像作為主要數(shù)據(jù)源，反映地物信息。米級乃至分米級的影像精度已用于工程。如果項目范圍較大，則影像文件動輒上萬MB。單一數(shù)據(jù)操作就需要數(shù)小時乃至一天的時間，而數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，極大地影響了系統(tǒng)開發(fā)時間。項目中采用將影像文件分塊處理，使用Global Mapper工具，保留影像的空間信息，切割為數(shù)10個影像文件，每個文件400～500 MB。這樣，單個文件的處理時間相應(yīng)減少，總的處理時間也減少了。

（2）使用CTS生成大地形。CTS是Multigen公司研制的大地形處理工具，可以方便地生成LOD（Level of Detail）數(shù)據(jù)，不足之處在于其數(shù)據(jù)格式?jīng)]用公開，只能由其公司軟件讀取。本項目研究了CTS數(shù)據(jù)格式，平臺直接讀取，避免了人工生成大地形數(shù)據(jù)，減少了生產(chǎn)時間。

（3）Creator、3Dmax混合建模。Creator是專業(yè)的虛擬仿真建模工具，但其建模功能有限；3Dmax是專業(yè)的建模工具，制作模型方便，但其不是針對虛擬仿真應(yīng)用，用其制作的模型復(fù)雜程度較大不能被直接應(yīng)用到虛擬仿真。項目采用Creator、3Dmax混合建模，根據(jù)模型的復(fù)雜程度，選擇建模軟件，加快了模型制作進度。

4 模型效果

模型加入場景后的效果如圖5、圖6所示。圖5中，馱管車采用3D max精細建模。圖6中，立交橋及兩邊建筑物采用Creator建模，遠處場景采用CTS大地形建模。各類模型搭配合理，逼真度較高，系統(tǒng)運行流暢。

圖5 施工工地截圖Fig.5 Screen-capture of construction site

圖6 大范圍地形三維瀏覽截圖Fig.6 Screen-capture of large-scale 3D terrain

5 結(jié) 語

本文側(cè)重于實際的開發(fā)流程和經(jīng)驗，提出了一系列針對大范圍地形及工程三維快速建模的方案，實現(xiàn)了大范圍地形及工程三維快速建模和基于模型的運動模擬，經(jīng)過項目驗證，效果逼真流暢，方案可行。

［1］ 朱 慶，李德仁，龔健雅，等.數(shù)碼城市GIS的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2001，26（1）：

8－11.（ZHU Qin，LIDe-ren，Gong Jian-ya，etal.The design and implementation of cyber city［J］.GIS Geo-matics and Information Science of Wuhan Universty，2001，26（1）：8－11.（in Chinese））

［2］ 張尚弘，張 超，鄭 鈞，等.基于Terra Vista的流域地形三維建模方法［J］.水利發(fā)電學(xué)報，2006，25（3）：

36－39.（ZHANG Shang-hong，ZHANG Chao，ZENG Jun，et al.A 3D watershed terrain modeling method based on software Terra Vista［J］.Journal of Hydroelec-tric Engineering，2006，25（3）：36－39.（in Chinese））

［3］ 曹 晶，邵遠征，張 煜，等.大范圍地形及城市三維快速建模與漫游［J］.長江科學(xué)院院報，2008，25（4）：40－43.（CAO Jing，SHAO Yuan－zheng，ZHANG Yu，et al.Fastmodeling and roaming of large terrain.Jour-nal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（4）：40－43.（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

·簡訊· 美國勞倫斯大學(xué)師生到長江科學(xué)院訪問交流

受長江科學(xué)院副總工程師吳昌瑜教授的邀請，美國勞倫斯（Lawrence）大學(xué)師生一行16人，于2009年12月16日下午來長江科學(xué)院參觀訪問，并與水資源所青年職工進行了友好的學(xué)術(shù)交流和討論。長江科學(xué)院副院長陳進教授出席了交流會，向來訪師生簡要介紹了長江科學(xué)院的科研實力，及在三峽工程建設(shè)和長江治理中發(fā)揮的重要作用，并回答了勞倫斯大學(xué)師生提出的關(guān)于流域綜合管理和南水北調(diào)等方面的學(xué)術(shù)問題。

會后，勞倫斯大學(xué)師生參觀了位于九萬方的三峽工程模型試驗大廳，聽取了河流所介紹的三峽工程相關(guān)試驗情況。通過這次訪問交流，勞倫斯大學(xué)師生對長江科學(xué)院科研能力和技術(shù)水平有了一定了解，并表示今后要加強雙方的交流合作。

（摘自《長江水利科技網(wǎng)》）

Fast M odeling of Large Terrain and Engineering Constructions

ZHANG Zhi-zhong，YE Song
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

During the development of software system related to a three dimensional large-scale terrain and engi-neering construction，modeling，which includes terrain modeling and various hydraulic structuresmodeling，is a larger work-load of time-expending and manpower-consuming.In combination with the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer，the paper presents themassive data preprocessingmethod，using CTS tomake ter-rain，and using 3D Max and Multigen Creator to manufacture buildings.The result shows that thesemethods can conduct fastmodeling and reduce workload.

3D virtual reality；model construction； hydraulic model

TP311

A

1001－5485（2010）01－0022－04

2009-07-06

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項－長江科學(xué)院基金資助（ywf0720／kj03）

張治中（1978-），男，湖北武漢人，工程師，主要從事“3S”技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用研究，（電話）027-82926497（電子信箱）zhang-zz＠m(xù)ail.crsri.cn。