基于Cyclone與AutoCAD二次開發(fā)的三維地形建模研究

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 研究背景

隨著工程數(shù)字化與企業(yè)信息化的日益發(fā)展，對三維建模的需求也愈加迫切，傳統(tǒng)二維圖紙的工程設(shè)計(jì)與施工方式已經(jīng)越來越難以滿足信息化時(shí)代的要求。各種數(shù)字化測量儀器、計(jì)算分析軟件、三維建模軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件及管理系統(tǒng)的快速發(fā)展，顯著地提高了工程設(shè)計(jì)、建造、施工及運(yùn)營管理水平，更為生產(chǎn)手段信息化奠定基礎(chǔ)，從而加快企業(yè)信息化建設(shè)的步伐[1]。

然而，面對種類繁多的三維建模軟件，其適用的專業(yè)或業(yè)務(wù)領(lǐng)域不可能面面俱到，例如AutoCAD軟件針對二維圖形設(shè)計(jì)領(lǐng)域非常強(qiáng)大和易用，但是在三維設(shè)計(jì)方面功能卻略顯不足；而Cyclone軟件，在點(diǎn)云三維運(yùn)算處理方面功能強(qiáng)大，但是在數(shù)據(jù)輸入功能上限于格式要求，亦存在局限性。因此，本文提出在已有軟件基礎(chǔ)上通過一定的二次開發(fā)，彌補(bǔ)各軟件功能的不足，使其能夠協(xié)同作用，精準(zhǔn)高效地滿足相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的工作需求，以實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。

2 Cyclone與AutoCAD協(xié)同三維地形建模原理

AutoCAD軟件是一款優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的二維設(shè)計(jì)制圖，然而該軟件本身的三維設(shè)計(jì)功能相對較弱，不能滿足測繪領(lǐng)域的三維地形建模及相關(guān)分析計(jì)算的要求。

Cyclone軟件是三維激光掃描領(lǐng)域內(nèi)的主流軟件，可以高效地處理工程測量、制圖及各種改建工程中的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠方便進(jìn)行三維地形建模與分析計(jì)算。然而，該軟件在圖形設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)輸入方面具有獨(dú)特性，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的成果數(shù)據(jù)不兼容。

鑒于兩款軟件的特點(diǎn)，本文研究并提出利用二次開發(fā)后的AutoCAD做地形開挖設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)成果按照一定規(guī)則導(dǎo)出。然后利用Cyclone三維處理功能建立地形開挖模型并進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。

3 AutoCAD二次開發(fā)過程與結(jié)果分析

AutoLISP是由Autodesk公司開發(fā)的一種LISP程序語言，LISP是List Processor的縮寫。AutoLISP語言作為嵌入在AutoCAD內(nèi)部的具有智能特點(diǎn)的編程語言，是開發(fā)應(yīng)用AutoCAD不可缺少的工具。本文利用AutoLISP語言，基于AutoCAD平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)核心功能。

3.1 多段線上按規(guī)則添加頂點(diǎn)

程序設(shè)計(jì)思路見圖1。

圖1 AutoLISP程序流程

該程序在AutoCAD 2006中的執(zhí)行結(jié)果情況參見圖2。

圖2 AutoLISP程序運(yùn)行結(jié)果

結(jié)果分析表明，盡管AutoCAD本身能夠?qū)崿F(xiàn)在多段線上插入頂點(diǎn)，但其功能比較單一，而且操作比較繁瑣。二次開發(fā)程序縮減了其中某些不必要的步驟，同時(shí)增添了額外的實(shí)用功能，使得操作更加方便直觀，優(yōu)化了AutoCAD功能。

3.2 導(dǎo)出多段線頂點(diǎn)坐標(biāo)至文件

程序設(shè)計(jì)思路見圖3。

圖3 AutoLISP程序流程

該程序在AutoCAD 2006中的執(zhí)行結(jié)果情況參見圖4。

圖4 AutoLISP程序運(yùn)行結(jié)果

輸出的成果為TXT文件，參見圖5。

圖5 AutoLISP程序輸出成果

結(jié)果分析表明，該功能是AutoCAD軟件平臺(tái)二次開發(fā)后的新增功能，輸出成果保存為TXT文本文件，適用范圍很廣，便于作為中間數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入其他軟件進(jìn)行后續(xù)處理，因此作用十分顯著。

4 三維地形建模實(shí)例與結(jié)果分析

以國內(nèi)某大型水電站項(xiàng)目中石料場的邊坡開挖為例，結(jié)合本文研究成果進(jìn)行分析。

4.1 基于AutoCAD平臺(tái)的邊坡開挖體線框模型

建模過程如下：

(1)根據(jù)邊坡開挖設(shè)計(jì)圖中的坡度等要求，繪制馬道線。

(2)根據(jù)邊坡開挖設(shè)計(jì)圖中給定的控制點(diǎn)坐標(biāo)，擬繪制邊坡開挖開口線。

(3)根據(jù)開挖開口線，截掉馬道線多余部分。

(4)利用二次開發(fā)的加點(diǎn)功能，在馬道線上采樣加點(diǎn)，最后得到邊坡開挖體線框模型。

(5)利用二次開發(fā)的導(dǎo)出功能，將線框模型導(dǎo)出至TXT文本文件。

AutoCAD 2014中建立的三維線框模型結(jié)果參見圖6與圖7。

圖6 線框模型頂視

圖7 線框模型側(cè)視

結(jié)果分析表明，利用AutoLISP語言進(jìn)行二次開發(fā)具有可移植性和通用性，在不同版本AutoCAD軟件之間都能較好地發(fā)揮作用。

4.2 Cyclone三維地形建模及相關(guān)分析計(jì)算

4.2.1 邊坡開挖體線框模型的導(dǎo)入

由于Cyclone軟件不能直接導(dǎo)入AutoCAD的dwg格式文件，因此，導(dǎo)入開挖設(shè)計(jì)體線框模型，是以TXT文本數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)的。

以點(diǎn)云格式導(dǎo)入開挖體的線框模型，運(yùn)行結(jié)果參見圖8與圖9。

圖8 開挖體點(diǎn)云頂視

圖9 開挖體點(diǎn)云側(cè)視

4.2.2 三維地形實(shí)體建模與相關(guān)分析計(jì)算

建立地形的模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)是通過一種算法來模擬現(xiàn)實(shí)中不規(guī)則的地形地貌等特征。目前，常用的算法是通過等高線或高程點(diǎn)建立不規(guī)則的三角網(wǎng)(Triangular Irregular Network，簡稱TIN)，然后在TIN基礎(chǔ)上通過線性和雙線性內(nèi)插建DEM，即所謂的地形模型(數(shù)字高程模型)[2]。

Cyclone軟件通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，建立TIN Mesh，即三維地形模型。

(1) 導(dǎo)入原始地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行去噪處理，建立原始地形的TIN模型(見圖10)。

圖10 原始地形TIN模型

(2) 根據(jù)導(dǎo)入的邊坡開挖體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立開挖體的TIN模型(見圖11)。

圖11 邊坡開挖體TIN模型

(3) 通過對原始地形TIN模型與開挖體TIN模型的運(yùn)算處理，計(jì)算出開挖方量與開挖面積等數(shù)據(jù)(見圖12)。

(4) 建立邊坡開挖后最終的地形模型(圖13)。

4.2.3 結(jié)果分析

基于以上分析得出：

(1) 以TXT文本數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入開挖體線框模型，能夠便捷地轉(zhuǎn)化為Cyclone可處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式；

(2) 利用Cyclone建立三維地形模型，效率高，同時(shí)成果非常直觀，便于進(jìn)行后續(xù)分析參考和場景模擬；

(3) 實(shí)踐證明，采用此方法計(jì)算開挖土石方量，與采用傳統(tǒng)斷面法計(jì)算的開挖量相對誤差約為萬分

圖12 模型開挖方量數(shù)據(jù)

圖13 開挖后TIN模型

之一，精度能夠得到保證，同時(shí)，該方法使建模繪圖效率得到很大提高，為測繪工作者在算量方面節(jié)省了大量時(shí)間。

5 結(jié) 語

本文通過實(shí)例研究了基于二次開發(fā)的AutoCAD與Cyclone點(diǎn)云處理軟件建立的三維地形模型。結(jié)果表明，該方法能夠有效解決AutoCAD與Cyclone軟件在測繪領(lǐng)域的不足之處，并且能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，準(zhǔn)確高效地建立三維地形模型并完成相關(guān)分析計(jì)算工作，為測繪工作者在日常工作中提供很大的便利，同時(shí)也方便為決策層領(lǐng)導(dǎo)提供各種數(shù)據(jù)，實(shí)用性很強(qiáng)。

[1] 陳祖文，王芳，郭銳. 淺談工程數(shù)字化與企業(yè)信息化[J] . 水利水電技術(shù)，2013，44(8)：23-31.

[2] 代莉，陳春華，聶焱. 在AutoCAD環(huán)境下不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及等高線生成[J] . 地理空間信息，2011，9(2)：40-42.