水利水電工程三維地形建模技術(shù)研究論文
摘要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利水電事業(yè)的發(fā)展生機(jī)勃勃，水利水電工程建設(shè)與管理也有傳統(tǒng)的二維技術(shù)向三維技術(shù)發(fā)展，建立在數(shù)字化、可視化、可量測基礎(chǔ)上的三維地形已越來越受到各行各業(yè)的青睞和關(guān)注。本文通過對工程中三維地形建模技術(shù)探討，對滿足水利水電工程建設(shè)和管理需求具有重要作用。
關(guān)鍵詞：水利水電工程；三維地形建模；技術(shù)探討
1、三維地形建模技術(shù)概述
三維地形建模技術(shù)是通過計算機(jī)技術(shù)對地貌、地表建筑物、構(gòu)筑物等進(jìn)行三維幾何重建、提取和修復(fù)、使用三維動畫進(jìn)行展示的技術(shù)。可通過對遙感影像、地形圖、線劃圖、柵格圖等進(jìn)行綜合處理，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)、可視化技術(shù)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?jǐn)z影測量系統(tǒng)等，通過軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行人工建模。
2.2對于通過航片進(jìn)行采集和提取的建筑物的頂端的紋理，例如具有標(biāo)志性的建筑物，利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行建筑物的采集。使用數(shù)碼將采集紋理，要對建筑物進(jìn)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(jìn)行拼接和編輯。
2.3在粘貼紋理的過程中，對建筑物進(jìn)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(jìn)行抓取和刪除。注意相片的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)移除。可以實現(xiàn)在圖像處理軟件中對建筑物的側(cè)面紋理進(jìn)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(cè)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(jìn)行相應(yīng)的處理，按照不同的顏色和形狀進(jìn)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(diǎn)
對于三維地形建模的系統(tǒng)的特點(diǎn)的體會，是三維實體建模工具的強(qiáng)大的功能。這種建模工具的三維實體的建模可以按照實際需要進(jìn)行三維模型的生成。一些常用的軟件操作也簡單，沒有繁復(fù)的參數(shù)控制，只需要簡單的基本圖元就可以快速生成復(fù)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(diǎn)，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(jìn)行操作，視角也靈活。使用鼠標(biāo)就iu可以任意地旋轉(zhuǎn)、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(diǎn)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(jìn)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(fù)點(diǎn)多額散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)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(yīng)在內(nèi)插處理后形成規(guī)則的平面分割網(wǎng)絡(luò)，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(diǎn)等進(jìn)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(shù)將目標(biāo)空間輪廓上的采樣點(diǎn)和特征點(diǎn)進(jìn)行直線的連接，形成多邊形的拼接，最終模擬多邊形網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jìn)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(gòu)成具有特定屬性的三維曲面。
4.6多層DEM建模。基于各個底層的界面按照DEM的方法對各個底層進(jìn)行插值和擬合，根據(jù)底層的屬性對多層DEM數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)線面等，完成三維空間的完整剖分。工程中數(shù)據(jù)表達(dá)包含了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、三維地形地貌建模基礎(chǔ)、水利水電工程區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)等。表達(dá)三維實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括了NURBS-TIN-BRep等基于曲面和體元的結(jié)構(gòu)。前者對空間對象的邊界進(jìn)行了表達(dá)，后者對空間對象的信息進(jìn)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(jìn)行了設(shè)計，也針對地形地貌環(huán)境的施工進(jìn)行了圍觀屬性的可視化技術(shù)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(jié)構(gòu)，結(jié)合三角網(wǎng)不規(guī)則邊界的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表達(dá)。NURBS技術(shù)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(xué)統(tǒng)一描述，針對復(fù)雜地形的規(guī)律性變化進(jìn)行了NURBS幾何建模。可以節(jié)約存儲空間，簡單處理計算機(jī)，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(zhuǎn)換表達(dá)方式，這是一種建立在邊界面對實體進(jìn)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?fù)潢P(guān)系，構(gòu)造出復(fù)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(jié)構(gòu)，不僅有效表達(dá)地形對象的幾何形態(tài)，也可以實現(xiàn)拓?fù)淇臻g關(guān)系，將相關(guān)的地形屬性信息和幾何對象結(jié)合。按照模型精度和數(shù)據(jù)存儲量進(jìn)行布爾運(yùn)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(shù)
使用NURBS進(jìn)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(jìn)行運(yùn)算和操作，還要滿足存儲量小、精度高的圖形操作運(yùn)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(jìn)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(shù)構(gòu)建DTM。結(jié)合TIN和NURBS-DTM等建模技術(shù)，對于復(fù)雜地形進(jìn)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(jìn)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(xì)小和狹長的三角形，使得TIN模型的精度變高；對于TIN模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(diǎn)，按照u或者v的方向進(jìn)行等間距的提取，或者足夠多的分布均勻的輪廓線并進(jìn)行離散化處理；擬合NURBS地形曲面，根據(jù)NURBS算法設(shè)計出函數(shù)，對于地形控制曲面進(jìn)行重新擬合；利用布爾操作運(yùn)算獲得區(qū)域地形輪廓體的模型[3]。
6、結(jié)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(zhuǎn)化的過程，使用NUBRS、TIN、Brep建構(gòu)了面向水利水電工程三維建模的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決了水利水電工程復(fù)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(xiàn)：
[1]萬云輝,李小帥,錢富運(yùn)等.三維勘測設(shè)計技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用研究[J].長江科學(xué)院院報,2015,(7):137-142
[2]張永光,劉豪杰,尹小磊等.點(diǎn)云數(shù)據(jù)多站拼接在水利工程測繪中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2013,34(3):74-77.
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