基于等高線的三維地形建模方法

魏翔，吳熙

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

基于等高線的三維地形建模方法

魏翔?，吳熙

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

隨著信息化建設(shè)的快速發(fā)展，數(shù)字地球的理論與技術(shù)逐漸成熟。而三維地形作為數(shù)字地球最基本的組成部分，具有十分重要的作用。本文介紹了三維地形的建模和優(yōu)化技術(shù)，并采用等高線數(shù)據(jù)，利用3ds Max軟件完成了一個(gè)區(qū)域的三維地形建模，最后對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了對(duì)比和分析。

等高線；三維地形；建模技術(shù)

1 概 述

自1998年美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢鰯?shù)字地球的概念后，數(shù)字地球的理念逐漸得到了人們的廣泛認(rèn)同。數(shù)字地球是指以地球作為對(duì)象的、以地理坐標(biāo)為依據(jù)，具有多分辨率、海量的和多種數(shù)據(jù)融合的，并可用多媒體和虛擬技術(shù)進(jìn)行多維(立體的和動(dòng)態(tài)的)表達(dá)的，具有空間化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化特征的技術(shù)系統(tǒng)[1]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、可視化技術(shù)、海量存儲(chǔ)技術(shù)以及認(rèn)知科學(xué)等技術(shù)于理論的發(fā)展，為現(xiàn)實(shí)世界三維數(shù)字化表達(dá)和再建奠定了理論技術(shù)基礎(chǔ)[2]。美國(guó)Google公司于2005年推出Google Earth虛擬地球?yàn)g覽軟件，其中構(gòu)建了全球的三維地形模型，并在此基礎(chǔ)上添加了影像和道路信息，部分地區(qū)還構(gòu)建了三維建筑模型，為人們提供了豐富的空間地理信息。

建設(shè)數(shù)字地球，三維地形建模是其首要工作。三維地形不僅作為影像信息、地理信息、建筑模型的承載物，更是實(shí)現(xiàn)三維空間分析的基礎(chǔ)，可用來(lái)進(jìn)行土方計(jì)算、線路選線、通視分析、地貌分析等等。

2 三維地形的建模技術(shù)

在虛擬場(chǎng)景中的地形面積少則幾十平方千米，多則上百平方千米，有時(shí)甚至是一個(gè)城市，一個(gè)國(guó)家乃至全球范圍。評(píng)價(jià)一個(gè)地形模型構(gòu)建的成功與否，不僅要看其在可視化場(chǎng)景中的視覺(jué)效果，而且還要看其構(gòu)建精度能否滿足應(yīng)用需求，所以，地形建模技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。從模型特點(diǎn)來(lái)看，地形建模主要有以下兩種方式。

2.1 規(guī)則格網(wǎng)模型

規(guī)則格網(wǎng)模型是將區(qū)域按照一定的單元大小劃分成為規(guī)則排列的格網(wǎng)而構(gòu)建的模型，如圖1所示，格網(wǎng)大小一致，可以是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則形狀。這種基于規(guī)則格網(wǎng)的地形模型數(shù)據(jù)排列整齊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模型精度視網(wǎng)格大小而定，格網(wǎng)越小，格網(wǎng)密度越大，模型精度越高，但數(shù)據(jù)量也越大；反之則模型精度較低，數(shù)據(jù)量較小。使用規(guī)則格網(wǎng)模型表達(dá)地形時(shí)，如果選用較小的格網(wǎng)，則會(huì)在地勢(shì)平緩地區(qū)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，而選用較大格網(wǎng)時(shí)，又不能準(zhǔn)確表達(dá)地形細(xì)部特征。這種建模方式大多用在地勢(shì)比較平緩地區(qū)的地形建模。

圖1 規(guī)則格網(wǎng)模型

圖2 不規(guī)則三角網(wǎng)模型

2.2 不規(guī)則三角網(wǎng)模型

不規(guī)則三角網(wǎng)模型是將地形特征點(diǎn)根據(jù)一定規(guī)則連接成覆蓋整個(gè)區(qū)域且互不重疊的三角形而構(gòu)建的模型，如圖2所示。不規(guī)則三角網(wǎng)模型較多的選用了地形特征點(diǎn)，因此，能夠比較準(zhǔn)確地表示出地形特征，但這種模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大。由于該模型是通過(guò)不規(guī)則分布的空間點(diǎn)來(lái)構(gòu)建連續(xù)且互不重疊的三角面來(lái)表示地形表面，所以如何合理構(gòu)建三角網(wǎng)是該建模方法的關(guān)鍵技術(shù)。目前大多數(shù)構(gòu)建方法都是在平面中實(shí)現(xiàn)的，因此，利用空間點(diǎn)構(gòu)建合理三角網(wǎng)的方法是今后值得研究的課題。

3 三維地形的優(yōu)化技術(shù)

一般而言，在保證地形模型的可視化效果和應(yīng)用需求的前提下，都會(huì)建立比較精細(xì)的地形模型，而對(duì)于大規(guī)模的地形建模，則會(huì)造成其數(shù)據(jù)量十分龐大，往往會(huì)發(fā)生建立完成的精細(xì)地形模型不能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)渲染和交互操作，因此，必須采用有效方法來(lái)控制當(dāng)前場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)量。一般人都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)視點(diǎn)離場(chǎng)景中的地形較遠(yuǎn)時(shí)，觀察者更多是從宏觀上進(jìn)行觀察，這時(shí)就可以忽略某些地形細(xì)節(jié)，注重整體上的表現(xiàn)力；而當(dāng)視點(diǎn)離場(chǎng)景中的地形較近時(shí)，觀察者更多是從微觀上進(jìn)行觀察，這時(shí)往往觀察的是地形的一部分，所以必須要能夠表現(xiàn)出細(xì)節(jié)特征。考慮到地形特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)，本文采用以下三種方法對(duì)地形模型進(jìn)行優(yōu)化:

(1)分區(qū)建模，根據(jù)地形特點(diǎn)，對(duì)不同地區(qū)建立不同精細(xì)程度的地形模型。可以根據(jù)地形特點(diǎn)，在地形復(fù)雜地區(qū)，建立較高精度的地形模型，而在地形平坦地區(qū)，建立較低精度的地形模型。

(2)分級(jí)建模，根據(jù)視點(diǎn)位置，對(duì)同一區(qū)域建立不同復(fù)雜程度的地形模型。利用LOD(細(xì)節(jié)層次)的方法，當(dāng)視點(diǎn)離該區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)，采用較簡(jiǎn)單的地形模型表示，當(dāng)視點(diǎn)離該區(qū)域較近時(shí)，采用較復(fù)雜的地形模型表示。

(3)視景體裁剪，根據(jù)計(jì)算視場(chǎng)的錐體裁減場(chǎng)景范圍。將表示視角范圍的上下左右四個(gè)面和遠(yuǎn)近剪切面之內(nèi)的空間定義為視景體，用視景體與場(chǎng)景進(jìn)行比較得到有效的可視范圍，將不在可視范圍內(nèi)的點(diǎn)刪除，以減少數(shù)據(jù)量。

4 建模方法

目前，大部分的計(jì)算機(jī)顯卡都是使用多邊形作為最終渲染圖元，一個(gè)圖元就是在任何顯卡上面所能使用的最低級(jí)別的繪制單位，包括點(diǎn)、線、面(多邊形)等。從空間幾何特性來(lái)看，一個(gè)三角形只需要三個(gè)頂點(diǎn)來(lái)表示，而三點(diǎn)即可確定一個(gè)平面，因此，三角形成為三維模型使用最多的圖元類型，同時(shí)，幾乎所有的圖形顯示硬件和軟件都是支持使用三角形來(lái)完成三維模型的繪制?；谏鲜鲈?，本文建立的三維地形模型采用三角形為基本圖元，使用若干三角形相互連接所構(gòu)成的三角網(wǎng)來(lái)構(gòu)建地形模型。

4.1 建模過(guò)程

本文采用等高線數(shù)據(jù)，利用3ds Max 8軟件完成了一個(gè)區(qū)域的三維地形建模，建模步驟如下:

(1)從ArcGIS軟件中導(dǎo)出等高線數(shù)據(jù)。首先選取建模區(qū)域內(nèi)的等高線，然后按照等高線高程屬性進(jìn)行分層，并將層名以“區(qū)域名稱_Layer_高程值”的方式命名，最后輸出為dwg格式的文件。

(2)在3ds Max 8軟件中導(dǎo)入dwg格式的等高線數(shù)據(jù)，如圖3所示。在Geometry Options中啟用Combine Objects by Layer選項(xiàng)，這樣導(dǎo)入的等高線數(shù)據(jù)將會(huì)按層合并對(duì)象，即每一層等高線合并成為一個(gè)Editable Spline對(duì)象，同時(shí)將會(huì)自動(dòng)被命名為“Layer:區(qū)域名稱_Layer_高程值”。

圖3 等高線數(shù)據(jù)

(3)在3ds Max中編寫腳本代碼，根據(jù)Editable Spline對(duì)象名稱獲取其對(duì)應(yīng)的等高線高程，并將Editable Spline對(duì)象移至相應(yīng)高度。主要腳本代碼如下:

(4)選中所有導(dǎo)入的等高線數(shù)據(jù)，使用Compound Objects中的Terrain命令，開(kāi)始建立地形模型，如圖4所示。

圖4 地形線框模型

(5)可以使用Parameters、Simplification以及Color by Elevation等卷展欄里的命令對(duì)地形模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，調(diào)整后的地形模型如圖5所示。

圖5 地形實(shí)體模型

4.2 模型優(yōu)化

在3ds Max中是選取等高線上的特征點(diǎn)來(lái)構(gòu)建三角網(wǎng)，并可根據(jù)需要進(jìn)行內(nèi)插或者簡(jiǎn)化。為保證在三維瀏覽中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染，本文對(duì)該區(qū)域建立三種精度級(jí)別的地形模型，分別為:

(1)使用等高線上所有頂點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建的精細(xì)模型(如圖4、圖5所示)，由35 613個(gè)三角面構(gòu)成。

(2)使用等高線上二分之一的頂點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建的較精細(xì)模型(如圖6所示)，由17 810個(gè)三角面構(gòu)成。

(3)使用等高線上四分之一的頂點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建的較簡(jiǎn)單模型(如圖7所示)，由9 023個(gè)三角面構(gòu)成。

圖6 較精細(xì)模型

圖7 較簡(jiǎn)單模型

在三維地形模型的瀏覽中，可以根據(jù)視點(diǎn)與地形模型的遠(yuǎn)近程度，實(shí)現(xiàn)LOD變換。當(dāng)視點(diǎn)距離模型比較近時(shí)，采用精細(xì)模型，重點(diǎn)反映地形細(xì)節(jié)；當(dāng)視點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離模型時(shí)，就需要從宏觀上觀察模型，因此，采用較精細(xì)或較簡(jiǎn)單模型，忽略模型部分細(xì)節(jié)特征，突出模型整體效果。采用LOD方法后，對(duì)減輕計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)渲染的壓力有很大的幫助。

5 結(jié) 論

在數(shù)字地球的發(fā)展進(jìn)程中，三維地形建模始終都是最基本也是最重要的環(huán)節(jié)。同時(shí)，在虛擬城市、三維數(shù)字地圖、模擬沙盤、三維GIS等虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，三維地形模型也發(fā)揮著重要作用。本文所采用的利用等高線進(jìn)行三維地形建模的方法也只是眾多地形建模方法中的一種，這種建模方法主要具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn):

(1)構(gòu)建的地形與等高線的精度有密切的關(guān)系，等高線精度越高，表達(dá)地形越理想。

(2)對(duì)數(shù)據(jù)要求簡(jiǎn)單，利用等高線即可完成地形建模，甚至是殘缺和不閉合的等高線都可以完成建模。

(3)利用3ds Max中定義的三角網(wǎng)生產(chǎn)方法，構(gòu)網(wǎng)準(zhǔn)確合理，建模簡(jiǎn)單迅速，使得建模人員將更多的精力放在模型優(yōu)化和美化方面。

[1] 李成名，王繼周，馬照亭.數(shù)字城市三維地理空間框架原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社，2008

[2] 劉曉艷，林琿，張宏.虛擬城市建設(shè)原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社，2004

[3] [美]Kelly L.Murdock，田玉敏，沈金河譯.3ds max8寶典[M].北京:人民郵電出版社，2007

[4] 靳海亮，高井祥.三維地形可視化技術(shù)研究進(jìn)展[J].測(cè)繪科學(xué)，2006.11，162～165

[5] 卞海紅，王峰.基于三維GIS的地形可視化研究及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006.7，230～232

[6] 趙九文，杜慶，孟凡奎等.大規(guī)模真實(shí)感三維地形技術(shù)綜述[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2006.4，245～250

Method of 3D Terrain Modeling Based on Contour Data

Wei Xiang，Wu Xi
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

With the rapid development of informatization，the theory and technology of digital earth has gradually come to maturity.The 3D terrain that is the most basic components of digital earth plays a very important role。This paper presents the modeling technology and the optimization technology of 3D terrain，and builds a 3D terrain model in 3ds Max based on contour data.Then the comparison and analyses of the optimized 3D terrain models will be presented.

contour；3D terrain；modeling technology

1672－8262(2011)01－40－03

P208

B

2010—05—30

魏翔(1980—)，男，工程師，主要從事虛擬城市的建設(shè)與研究工作。