杜 研，王方雄，王 博

（1.遼寧師范大學(xué) 自然地理與空間信息科學(xué)遼寧省重點實驗室 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029）

地貌模型一般有二維模型和三維模型2種表達形式，三維地貌建模是地貌可視化的一個重要方面，它通過三維模型直觀、形象地描述地貌的空間分布、位置、形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征[1-3]。三維地貌建模技術(shù)是當(dāng)前自然地理學(xué)與地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域關(guān)注的熱點。SketchUp是一款功能強大而又簡單易用的三維草圖設(shè)計工具[4]，與其他專業(yè)而又復(fù)雜的三維建模軟件（如3D Max、AutoCAD等）相比，在快速構(gòu)建三維地貌模型方面具有明顯優(yōu)勢[5]。SketchUp還提供了直接從Google Earth獲取數(shù)據(jù)資源并將制作好的三維地貌模型導(dǎo)入Google Earth的功能，可以實現(xiàn)三維地貌模型在Google Earth上的無縫運行[6]。

1 三維地貌模型的邏輯結(jié)構(gòu)

三維地貌模型可以表現(xiàn)三維空間中的地表形態(tài)與地表要素，同時展示地貌剖面的巖性與地質(zhì)構(gòu)造（褶皺、斷層）等。三維地貌模型主要由地貌骨架模型和地貌紋理構(gòu)成。三維骨架模型可以利用SketchUp等三維建模工具建立，建模數(shù)據(jù)使用ArcGIS、AutoCAD等工具從地形圖、數(shù)字高程模型（DEM）或高程數(shù)據(jù)中提?。坏孛布y理包括表征地表形態(tài)與地表要素的地表紋理和示意表達地形縱橫剖面的巖性與構(gòu)造等地質(zhì)特征的剖面紋理，紋理數(shù)據(jù)來源于遙感影像圖、DEM渲染圖、地形圖以及各種地質(zhì)地貌專題圖等，采用Photoshop等圖像處理軟件按照三維骨架模型的地表二維大小和剖面尺寸處理為合適的地表紋理與剖面紋理。三維地貌模型的構(gòu)成要素、數(shù)據(jù)來源以及基于SketchUp的建模流程如圖1所示。

2 基于等高線的三維地貌建模技術(shù)

圖1 三維地貌模型的構(gòu)成要素及建模流程

基于等高線建立三維地貌模型是三維地貌建模的主要技術(shù)手段。等高線數(shù)據(jù)可以使用GIS軟件（如ArcGIS）矢量化地形圖等高線、基于DEM的自動生成等高線或者對實測高程點進行插值計算生成等高線，這是等高線數(shù)據(jù)的主要來源；或者使用AutoCAD軟件對等高線或?qū)崪y高程點[7]進行處理，繪制生成多線段（PL）的等高線數(shù)據(jù)。基于等高線的三維地貌建模技術(shù)關(guān)鍵是對等高線進行高程賦值，有2種賦值方法：一種是在SketchUp軟件中編輯等高線組的高程，另一種是先在AutoCAD中設(shè)置等高線的標(biāo)高（如圖2 b所示），然后再將帶有標(biāo)高的等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp中。為等高線設(shè)置高程值后，在SketchUp中選中全部等高線，使用“繪圖-沙盒-從等高線生成”工具，自動創(chuàng)建三維地貌曲面，對地貌曲面進行三維體構(gòu)建及處理，刪除冗余的線和面，即制作成三維地貌骨架模型（見圖2 c）。然后，根據(jù)骨架模型的剖面及平面尺寸，在Photoshop中處理好合適的地表紋理和剖面紋理（剖面與地表平面形狀可以是規(guī)則的，也可以是不規(guī)則的，圖2示例中為不規(guī)則的）。最后，使用SketchUp提供的紋理編輯工具為骨架模型添加地貌紋理，三維地貌模型即建模完成（如圖2 d所示，圖中地表紋理為遙感影像圖，剖面紋理為巖性圖）。

圖2 基于等高線的三維地貌建模

3 基于高程點的三維地貌建模技術(shù)

基于高程點建立三維地貌模型，是在AutoCAD環(huán)境下，直接利用離散的高程點數(shù)據(jù)CAD輔助工具（如湘源控規(guī)軟件）生成格網(wǎng)狀三維地貌骨架模型（見圖3 b），然后再將格網(wǎng)模型導(dǎo)入SketchUp并建模為面狀結(jié)構(gòu)的三維地貌骨架模型，建立的模型剖面及水平面形狀通常只能為規(guī)則的（見圖3 c）。由離散高程點創(chuàng)建骨架模型的一個重要步驟是“字轉(zhuǎn)高程”，可以使用湘源控規(guī)軟件中“地形-字轉(zhuǎn)高程”工具將高程標(biāo)記點的標(biāo)高數(shù)字轉(zhuǎn)化為湘源控規(guī)軟件自定義的高程格式，然后使用其“地形-三維模型”工具建立三維地貌的格網(wǎng)模型。可以通過“軸側(cè)觀察”命令，改變視點來觀察格網(wǎng)模型的三維起伏變化。將格網(wǎng)模型導(dǎo)入SketchUp中，創(chuàng)建面狀的三維地貌曲面并創(chuàng)建三維體，即可建立地貌骨架模型。最后，使用SketchUp提供的紋理編輯工具為骨架模型添加規(guī)則的地表紋理（圖3 d中為遙感影像圖并疊加了藍色的水系與紅色的山脊線等地表要素）和剖面紋理（圖3 d中為巖性圖）。由于該建模技術(shù)需要CAD輔助工具，對離散點的數(shù)量和分布有一定要求，并且建立的地貌模型是規(guī)則的，所以在三維地貌建模中不常使用。

圖3 基于高程點的三維地貌建模

4 應(yīng)用實例

大連生態(tài)科技創(chuàng)新城核心區(qū)位于大連市甘井子區(qū)，地處北緯38°57′23″～59′35″，東經(jīng) 121°23′40″～25′45″，面積為15.26 km2。首先，采用基于等高線的三維地貌建模技術(shù)建立了該區(qū)的三維地貌模型（見圖4 a），然后，對該區(qū)內(nèi)大東溝村附近3.5 km2的一個規(guī)則的重點關(guān)注區(qū)塊，采用基于高程點的三維地貌建模技術(shù)建立了一個局部的三維地貌模型（見圖4 b），建模數(shù)據(jù)來源于1︰2 000的紙質(zhì)地形圖。

基于等高線的具體建模步驟為：①掃描地形圖并在ArcGIS中采用1∶2 000的大連行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)配準，然后矢量化1 m等高距的等高線，對等高線進行冗余刪除和斷線連接等處理后，生成1 m等高距的數(shù)字等高線（存儲為shp文件，WGS84坐標(biāo)系），并使用ArcGIS三維工具生成了DEM渲染圖；②使用SketchUp的ArcGIS插件SketchUp6ESRI將等高線數(shù)據(jù)（1 m等高距）導(dǎo)入SketchUp中建立三維地貌曲面，創(chuàng)建地貌三維體，建立三維地貌骨架模型；③根據(jù)三維骨架模型的不規(guī)則的地表及剖面尺寸，使用Photoshop軟件處理好匹配的地表紋理與剖面紋理（如調(diào)色、漸變、裁剪等），地表紋理采用ArcGIS生成的DEM暈渲圖，剖面紋理則是根據(jù)該地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)資料制作的地層巖性圖；④在SketchUp中用紋理編輯工具為三維骨架模型添加地表紋理與剖面紋理，從而完成三維地貌模型；⑤可以使用SketchUp的Google Earth放置模型工具，將三維地貌模型導(dǎo)入Google Earth中，實現(xiàn)三維地貌模型的三維可視化瀏覽與網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在Google Earth中的瀏覽展示效果如圖4 a所示。

基于高程點的具體建模步驟為：①掃描地形圖并在AutoCAD中采集了重點關(guān)注區(qū)內(nèi)的260個有代表性的離散高程點，矢量化了1條山脊線、1個湖泊及2條小溪流，存儲為CAD數(shù)據(jù)（dwg格式）；②使用CAD插件湘源控規(guī)軟件中“地形-字轉(zhuǎn)高程”工具將高程標(biāo)記點的標(biāo)高數(shù)字轉(zhuǎn)化為湘源控規(guī)軟件的自定義高程格式，然后使用其“地形-三維模型”工具建立三維地貌的格網(wǎng)模型；③將格網(wǎng)模型導(dǎo)入SketchUp中，創(chuàng)建面狀的三維地貌曲面并創(chuàng)建三維體，即可建立地貌骨架模型；④根據(jù)三維骨架模型的地表及剖面尺寸（規(guī)則的），使用Photoshop軟件處理好匹配的地貌紋理（如調(diào)色、漸變、裁剪等），地表紋理采用已處理好的航拍影像圖（2011年，0.5 m分辨率），剖面紋理為地層巖性圖；⑤將dwg格式的地表要素數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp，在SketchUp中編輯好地表要素（如顏色、線條樣式等），使用紋理編輯工具為三維骨架模型添加剖面紋理、地表紋理及地表要素，從而完成三維地貌模型的構(gòu)建（見圖4 b），并進一步將其導(dǎo)入Google Earth中。

圖4 大連生態(tài)科技創(chuàng)新城核心區(qū)的三維地貌模型

5 結(jié) 語

三維地貌建模是根據(jù)各種原始資料建立地貌可視化模型的過程，旨在揭示地貌的構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及動態(tài)演變，反映地球表面起伏狀態(tài)及其發(fā)生、發(fā)展、分布規(guī)律。三維地貌建模的結(jié)果以三維數(shù)字模型的形式展示虛擬地貌環(huán)境。本文提出了三維地貌模型的邏輯結(jié)構(gòu)，闡述了基于三維建模工具SketchUp的建模流程，介紹基于等高線和基于高程點的2種三維地貌建模技術(shù)，并以大連生態(tài)科技創(chuàng)新城核心區(qū)的地貌建模為例，詳細介紹了2種三維地貌建模技術(shù)的具體步驟?；赟ketchUp的三維地貌建模技術(shù)，在創(chuàng)建三維地貌模型的同時，也實現(xiàn)了地表要素（山脊線、河流、湖泊等）、地質(zhì)構(gòu)造（斷層、褶皺等）、地層巖性等地貌信息的三維可視化瀏覽，并可以充分利用Google Earth及其提供的免費影像與地形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維地貌模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與三維可視化瀏覽。基于SketchUp的三維地貌建模技術(shù)無疑是三維地貌快速建模的一種理想方法。

[1]楊景春, 李有利.地貌學(xué)原理[M].北京: 北京大學(xué)出版社,2006

[2]杜景龍, 楊世倫, 張文祥，等.海岸地貌建模方法研究[J].海洋通報, 2004, 23(6): 61-65

[3]申健, 徐大偉, 蔡雄翔.基于鉆孔數(shù)據(jù)的滑坡三維地質(zhì)建模研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2008, 31(2): 127-137

[4]Google公司.SketchUp用戶手冊[EB/OL].http://zh-cn.download.sketchup.com/OnlineDoc/gsu6_win/gsuwin.html,2007

[5]黃海峰, 易武.利用Google SketchUp快速構(gòu)建滑坡三維模型[J].地球與環(huán)境, 2010, 38(3): 333-338

[6]馬素顏, 吳健平, 周美娟,等.SketchUp構(gòu)建GIS三維模型方法研究[J].計算機與信息技術(shù), 2009 (Z1): 38-40

[7]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