清華山維在地形圖等高線自動(dòng)生成中的應(yīng)用

魏 猛，馮傳勇，羅 興

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢 430012）

1 引 言

當(dāng)前在大比例尺地形測(cè)量過(guò)程中，準(zhǔn)確繪制等高線一直是比較繁瑣的工作。目前在大比例尺地形測(cè)量中繪制等高線時(shí)，對(duì)于簡(jiǎn)單的地貌主要是手繪，而對(duì)于復(fù)雜的地貌一般使用軟件生成。清華山維軟件是基于數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)技術(shù)的數(shù)字化測(cè)繪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功能比較齊全，應(yīng)用比較廣泛，在地理信息系統(tǒng)建庫(kù)以及大比例尺測(cè)量中，該軟件廣泛應(yīng)用于地形、工程測(cè)量及應(yīng)用等領(lǐng)域。

2 不規(guī)則三角網(wǎng)的形成及等高線的自動(dòng)生成原理

野外測(cè)定的地貌特征點(diǎn)一般是不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制等高線可采用網(wǎng)格法和三角網(wǎng)法。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）減少了規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)冗余，具有精度高和顧及地性線（如斷裂線、構(gòu)造線）等特點(diǎn)，且三角網(wǎng)形態(tài)良好，具有可變的分辨率，能較好地表現(xiàn)不規(guī)則地貌的形態(tài)特征，因此本文主要從不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）角度論述。

不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）由一系列的“質(zhì)點(diǎn)”構(gòu)成，是由地形特征采集的點(diǎn)，按最近原則連接成覆蓋整個(gè)區(qū)域且互不重疊的三角形。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別由點(diǎn)和三角形兩個(gè)記錄表構(gòu)成，其中點(diǎn)表存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，每條記錄包括節(jié)點(diǎn)的編號(hào)及三維坐標(biāo)，如表1所示：

表1 點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系

三角形表用于存儲(chǔ)點(diǎn)、三角形的拓?fù)潢P(guān)系，每條記錄包括三角形的編號(hào)，組成三角形3個(gè)頂點(diǎn)的編號(hào)及鄰接三角形的編號(hào)，如表2所示：

表2 三角形的拓?fù)潢P(guān)系

規(guī)定：三角形的3個(gè)點(diǎn)、3條邊，均按逆時(shí)針排列，相應(yīng)的邊對(duì)應(yīng)的就是相鄰的三角形，且整個(gè)模型外部為0號(hào)三角形，如圖1所示。

三角網(wǎng)法直接由不規(guī)則數(shù)據(jù)點(diǎn)連成三角形網(wǎng)，不考慮約束條件，由生成的數(shù)字高程模型表達(dá)地表的復(fù)雜關(guān)系。在三角形網(wǎng)后，再按照一定的高程尋找等值點(diǎn)，進(jìn)行等高線的搜索、起始點(diǎn)的判別和等值點(diǎn)的追蹤，最后進(jìn)行等高線的繪制。

3 清華山維在自動(dòng)生成等高線中的應(yīng)用

目前，大多數(shù)情況是只采用離散的地形點(diǎn)來(lái)構(gòu)建三角網(wǎng)，只獨(dú)立地考慮了數(shù)據(jù)中的每一個(gè)點(diǎn)，則結(jié)果是除非通過(guò)足夠密度的地形點(diǎn)，否則生成的高程模型不能正確地表達(dá)地表的復(fù)雜關(guān)系，也不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。因此，在無(wú)約束數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)中嵌入約束線段影響三角網(wǎng)的生成，進(jìn)而建立正確的高程模型成了問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖1 TIN模型的結(jié)構(gòu)

3.1 地性線影響不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的生成

清華山維EPS2005很好的解決了用地性線（EPS2005中為特性線）來(lái)控制不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的問(wèn)題，具體操作如圖2所示。

圖2 清華山維中不規(guī)則三角網(wǎng)生成操作

筆者簡(jiǎn)單將需要用地性線來(lái)約束三角網(wǎng)生成歸納為坎坡類和自然形態(tài)的山類。

坎坡類：該類包括坎、坡、以及與此類似的溝、懸崖等。構(gòu)建該類三角網(wǎng)時(shí)，非坎頂點(diǎn)和坎下點(diǎn)、坎頂點(diǎn)和非坎下點(diǎn)是不能直接相連的。因此，必須用坎頂點(diǎn)連線、坎下點(diǎn)連線定義為地性線才能正確對(duì)坎進(jìn)行表達(dá)；坡以此類推，具體如圖3所示。

圖3 坎坡類地性線表示方法

自然形態(tài)的山：山一般用等高線表示，等高線則可以通過(guò)不規(guī)則三角網(wǎng)生成。在構(gòu)建山的不規(guī)則三角網(wǎng)時(shí)山腳線、山脊線、山谷線必須定義為地性線，反映山體特征的點(diǎn)，如山頂點(diǎn)、山脊點(diǎn)、山谷點(diǎn)、鞍部點(diǎn)、山腳點(diǎn)等要納入各自類型的地性線中。僅以圖4、圖5反映山體未勾畫地性線和添加地性線后的等高線生成結(jié)果如下：

圖4 未勾畫地性線的三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)及生成等高線結(jié)果

圖5 勾畫地性線的三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)及生成等高線結(jié)果

3.2 優(yōu)化三角網(wǎng)（TIN）影響等高線的生成

實(shí)際工作中不可能把所有的地性線都畫出來(lái)，而這些情況按不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）特性都是不合理的，因此在應(yīng)用中必須予以消除。本文要求根據(jù)對(duì)實(shí)際地形的對(duì)照，找到不合理的三角形，采取手工增加特征點(diǎn)、修改三角形、刪除三角形、增加三角形等辦法，消除了構(gòu)網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)的不合理的三角形，進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)優(yōu)化。

圖6 未修改的三角網(wǎng)及生成等高線結(jié)果

圖7 修改后的三角網(wǎng)及生成等高線結(jié)果

由圖6可以看出，通過(guò)陡坎的三角形與實(shí)際地形不符，圖中三角形A、B、C、D、E、F都是與實(shí)際地形不符合的三角形，需要手工修改，通過(guò)清華山維EPS2005的三角形修改功能對(duì)它進(jìn)行修改，三角網(wǎng)修改好了后，保存三角網(wǎng)，重新生成等高線，圖7是重新生成的等高線和三角網(wǎng)，該等高線和實(shí)際地形較為吻合。