劉　蕾，江文萍，鄒　富，吳兆良

(1. 武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079； 2. 重慶市國(guó)土資源與房屋勘測(cè)規(guī)劃院，重慶 400020；

3. 南四湖水利管理局，山東 濟(jì)寧 272000)

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堤防工程的三維建模與可視化

劉蕾1，江文萍1，鄒富2，吳兆良3

(1. 武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079； 2. 重慶市國(guó)土資源與房屋勘測(cè)規(guī)劃院，重慶 400020；

3. 南四湖水利管理局，山東 濟(jì)寧 272000)

3D Modeling and Visualization Technology of Dike Project

LIU Lei，JIANG Wenping，ZOU Fu，WU Zhaoliang

摘要：針對(duì)堤防工程不同于其他三維場(chǎng)景的特點(diǎn)來(lái)研究其三維建模與可視化方法。首先介紹堤防工程場(chǎng)景中主要建筑物的構(gòu)成與特點(diǎn)，然后詳細(xì)闡述地形和這些建筑物的三維建模方法，并討論了模型間的組織與整合策略及場(chǎng)景可視化的流程。堤防工程三維可視化場(chǎng)景的建立為管理者提供了真實(shí)的目標(biāo)和研究對(duì)象，可以直觀了解每處工程的作用及各類(lèi)工程之間的聯(lián)系，從而作出及時(shí)正確的判斷和決策。

關(guān)鍵詞：堤防工程；三維建模；場(chǎng)景組織；三維可視化

堤防工程是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是防洪的屏障，堤岸的安全與否直接關(guān)系到保護(hù)區(qū)內(nèi)百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)。近年來(lái)，GIS技術(shù)被大量應(yīng)用于水利行業(yè)，尤其是三維仿真技術(shù)與GIS結(jié)合后應(yīng)用于堤防管理，搭建出具有豐富GIS功能的三維可視化仿真平臺(tái)，不僅能夠再現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景，給用戶(hù)逼真的感受和對(duì)全局信息的把握，同時(shí)支持分析、量算等功能，為各種應(yīng)用提供方便的指導(dǎo)，大大促進(jìn)了堤防工程管理的信息化與現(xiàn)代化。

如今水利工程三維可視化的研究大多從三維場(chǎng)景構(gòu)建與組織、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等方面展開(kāi)。在場(chǎng)景構(gòu)建與組織方面，鐘登華等[1-3]詳細(xì)闡述了水利工程場(chǎng)景地形與地物模型的建立及整合方法；萬(wàn)剛[4]探討了在模型構(gòu)建過(guò)程中涉及的幾何形態(tài)建模與紋理映射建模技術(shù)并討論了模型間的匹配策略。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，鐘登華等[5]提出了一個(gè)面向水利工程的三維可視化仿真系統(tǒng)框架，并首先在引水工程施工可視化方面進(jìn)行了實(shí)踐；隨后僧德文等[6-8]對(duì)三維可視化仿真中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究并給出了相應(yīng)的解決方法，展示了三維可視化技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用前景。目前水利工程三維可視化的研究已取得了一定的成果，但整體上仍處于探索階段[9]。

本文圍繞河流堤防工程三維可視化場(chǎng)景構(gòu)建，對(duì)堤防工程的三維建模、三維顯示與場(chǎng)景可視化等技術(shù)進(jìn)行研究，并應(yīng)用于南四湖生態(tài)堤岸工程三維可視化仿真管理系統(tǒng)的構(gòu)建，旨在為堤防工程的信息化管理工作提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

一、堤防工程要素構(gòu)成

堤防工程是一個(gè)復(fù)雜的工程，不僅僅包括堤防堤身，而且還包括堤岸、穿堤跨堤建筑物、水文水位站、排灌站等，它們既是獨(dú)立的工程對(duì)象和地理對(duì)象，同時(shí)又是堤防工程完整系統(tǒng)中的一部分。堤防工程場(chǎng)景要素結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　堤防工程場(chǎng)景要素結(jié)構(gòu)

1. 堤防

堤防是沿河流、湖泊、海岸，排灌渠道或蓄滯洪區(qū)、水庫(kù)庫(kù)區(qū)周邊修筑的擋水建筑物，一般而言其橫截面為梯形，呈帶狀分布。堤防橫截面如圖2所示。

2. 穿堤跨堤建筑物

穿堤建筑物屬于堤防的一部分，也承擔(dān)著擋洪作用，數(shù)量較多的是穿堤涵閘。水閘是用以擋水，控制過(guò)閘流量，調(diào)節(jié)閘上、下游水位的低水頭水工建筑物，由上游連接段、閘室段和下游連接段3部分組成，如圖3所示。涵洞是橫穿路基的小型泄水構(gòu)筑物，主要由洞身、基礎(chǔ)、端和冀墻等組成。涵洞可以迅速排除堤防沿線的地表水，保證堤防路基安全。有的涵洞還是一種洞穴式水利設(shè)施，有閘門(mén)以調(diào)節(jié)水量，如圖4所示。

圖2　堤防斷面與各部分構(gòu)成1—堤頂；2—迎水坡；3—背水坡；4—迎水堤肩；5—背水堤肩；6—迎水堤腳；7—背水堤腳；8—浸潤(rùn)線；9—戧臺(tái)；10—護(hù)堤地；11—工程保護(hù)范圍

圖3　水閘

圖4　涵洞

3. 水文水位站

水文站是指觀測(cè)及搜集河流、湖泊、水庫(kù)等水體的水文、氣象資料的基層水文機(jī)構(gòu)，如圖5、圖6所示。

圖5　水文站

圖6　水位站

在堤防工程三維場(chǎng)景中，不可能詳細(xì)描述每種要素的每個(gè)細(xì)節(jié)，需要根據(jù)要素在場(chǎng)景中的作用大小，選擇不同層次的模型來(lái)表現(xiàn)，這樣既可以提高模型的構(gòu)建效率，同時(shí)能達(dá)到理想的表現(xiàn)效果。堤防、水閘、涵洞等工程設(shè)施是場(chǎng)景中最重要的要素，應(yīng)視為精細(xì)模型構(gòu)建。防汛交通橋、生產(chǎn)橋等次要工程模型應(yīng)視為較精細(xì)模型來(lái)構(gòu)建。而房屋、樹(shù)木等其他地面模型只需用簡(jiǎn)單模型表現(xiàn)出其象征意義即可。

二、建模與場(chǎng)景可視化

1. 模型構(gòu)建

對(duì)于大規(guī)模的堤防工程場(chǎng)景而言，采取單一的建模技術(shù)不可能對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行完善的描述，需要對(duì)不同要素選取有針對(duì)性的建模方法，或采用幾種建模方法的結(jié)合來(lái)建立相應(yīng)的三維模型。

(1) 地形模型

根據(jù)真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)采用過(guò)程式建模是普遍采用的地形構(gòu)建方法。該方法將水利工程地形圖中提取的等高線、水深點(diǎn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用GIS工具生成不規(guī)則三角網(wǎng)。然后根據(jù)地形特征邊界線，刪除河流、湖泊、魚(yú)塘等范圍內(nèi)的三角網(wǎng)，留下島嶼、湖濱帶、陸地在內(nèi)的表示地形特征要素的區(qū)域。再對(duì)這些區(qū)域的三角網(wǎng)進(jìn)一步編輯，如適當(dāng)?shù)膬?nèi)插細(xì)化，消除數(shù)據(jù)缺失造成的狹長(zhǎng)三角形等，最后經(jīng)過(guò)紋理貼圖、光照等加工處理，表現(xiàn)出不同的地貌形態(tài)。

在堤防工程三維場(chǎng)景中，有些要素(蘆葦、苗圃、公路等)的建模與地形息息相關(guān)，可以通過(guò)對(duì)地形的修改來(lái)實(shí)現(xiàn)。提取這些要素的邊界線對(duì)地形三角網(wǎng)進(jìn)行切割，將其與地形分離后分別進(jìn)行處理與表達(dá)。如公路要素可通過(guò)提取公路邊界線，與地形三角網(wǎng)對(duì)齊，然后對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行切割、分離、擠出、貼圖等來(lái)表現(xiàn)。

通常情況下，堤防工程場(chǎng)景范圍較大，生成的地形三角網(wǎng)數(shù)量也很大，為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取效率及方便對(duì)地形進(jìn)行編輯，可將整個(gè)地形三角網(wǎng)分塊進(jìn)行編輯，然后再導(dǎo)入系統(tǒng)顯示。

(2) 地物模型

堤防工程三維仿真場(chǎng)景中的地物主要包括堤防、河閘、橋梁、涵洞等。

① 堤防

堤防是一條具有規(guī)則橫截面的帶狀地物模型，一般采用幾何形態(tài)建模方法進(jìn)行構(gòu)建。由于入湖河流眾多，堤防線長(zhǎng)，每段堤防的堤頂高程與堤頂寬度都有不同，需要分段進(jìn)行構(gòu)建。在實(shí)際建模時(shí)，堤防可以看作是橫截面沿著指定路徑生長(zhǎng)得到的模型，再對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的編輯，如賦予材質(zhì)、轉(zhuǎn)角圓滑等，最后得到大堤模型。

② 涵閘、水文水位站等地物實(shí)體模型

單獨(dú)的建筑物有河閘、橋梁、涵洞等，這些都屬于較復(fù)雜的三維實(shí)體，但均可分解為形態(tài)相對(duì)規(guī)則的單元體，如長(zhǎng)方體、圓柱體等，再采用幾何建模技術(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建。目前市場(chǎng)上有很多專(zhuān)業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件，如AutoCAD、3ds Max、Maya、Creator、Sketch up等，都提供了靈活的建模工具來(lái)構(gòu)建三維模型，以及方便快捷的各種參數(shù)的設(shè)置，使模型以一定的比例、角度在空間場(chǎng)景中定位。輔以紋理映射建模技術(shù)將處理過(guò)的透明貼圖貼在建筑物表面，即實(shí)現(xiàn)地物實(shí)體模型的三維構(gòu)建，如圖7所示。

圖7　地物模型可視化過(guò)程

(3) 地面附屬物模型

地面附屬物普遍利用簡(jiǎn)單的面片通過(guò)鏤空的透明貼圖來(lái)表現(xiàn)其立體效果，常用方法有十字面片法、廣告牌法和三維實(shí)體法。十字面片法是通過(guò)制作兩個(gè)相互垂直的面片，然后均貼上Photoshop處理過(guò)的透明植物貼圖；廣告牌法是對(duì)一個(gè)平行視口的單面進(jìn)行透明貼圖；三維實(shí)體法則是對(duì)一定的骨架模型貼圖表示。3種構(gòu)建方法效果圖對(duì)比如圖8所示。

十字面片法模型數(shù)據(jù)量小，立體感強(qiáng)，但當(dāng)視點(diǎn)移動(dòng)到模型頂部或一定高度時(shí)則表現(xiàn)出嚴(yán)重的失真。廣告牌法創(chuàng)造的面片由于其始終正對(duì)視點(diǎn)，效果逼真，但需要場(chǎng)景變換時(shí)不斷計(jì)算模型與視點(diǎn)的位置關(guān)系，增加了計(jì)算機(jī)CPU運(yùn)算負(fù)擔(dān)。三維實(shí)體法模型真實(shí)度較高，但同時(shí)數(shù)據(jù)量大，對(duì)計(jì)算機(jī)的顯示與渲染有很大的挑戰(zhàn)。因此，通常選擇十字面片法、廣告牌法來(lái)表現(xiàn)地面附屬物。

圖8　3種構(gòu)建方法及效果圖對(duì)比

2. 場(chǎng)景集成

每個(gè)模型并不是單獨(dú)的在場(chǎng)景中起作用，而是與其他模型協(xié)同作用共同構(gòu)成三維場(chǎng)景，因此需要將地形模型與地面模型根據(jù)模型之間的語(yǔ)義關(guān)系來(lái)進(jìn)行組織與整合，以構(gòu)建仿真于現(xiàn)實(shí)的堤防工程三維場(chǎng)景。模型的語(yǔ)義關(guān)系是指各個(gè)模型之間的組合與聚合關(guān)系，可以根據(jù)影像圖來(lái)基本確定。

由于地形模型是所有地面模型的載體，因此不用進(jìn)行組織，而是根據(jù)模型語(yǔ)義分析將堤防、水工建筑物、地面附屬物等模型放置于合理位置的地形上。在現(xiàn)實(shí)世界中，堤防與地形是聚合關(guān)系，但由于其模型是不同于地形模型單獨(dú)構(gòu)建的，在計(jì)算機(jī)表達(dá)上則轉(zhuǎn)換為組合關(guān)系，即將大堤轉(zhuǎn)換為位于地形之上的地物模型。

水閘、涵洞與大堤是組合關(guān)系，在進(jìn)行場(chǎng)景的組織時(shí)，可以將模型分為地上與地下部分考慮。水閘模型位于河流的入口，地面部分基準(zhǔn)面需與大堤的堤頂高度相平，地下部分則插入水中起到控制水流的作用。涵洞的地上為水閘控制辦公室，位于大堤的斜坡面，地下部分是水閘，控制涵洞的水的出入。其他地面附屬物包括花草樹(shù)木、路燈等，只是簡(jiǎn)單地與地形或堤防形成組合關(guān)系，場(chǎng)景組織時(shí)可以將這些模型作為簡(jiǎn)單實(shí)體對(duì)象進(jìn)行批量處理。

對(duì)于水面與地形而言，要形成陸地，必須水面低于地形，被水面覆蓋區(qū)域則形成湖泊、河流等水體結(jié)構(gòu)。將地形中與水體語(yǔ)義相關(guān)的三角網(wǎng)切割刪除，向下拉伸并移動(dòng)邊界頂點(diǎn)，形成河流、湖泊、溝渠等的岸坡模型，再將剩余地形與整個(gè)水面疊加就可以表現(xiàn)出逼真合理的水陸交替效果。堤防工程三維場(chǎng)景模型語(yǔ)義組織如圖9所示。

圖9　堤防工程三維場(chǎng)景模型語(yǔ)義組織

堤防三維場(chǎng)景中有一些具有相似功能條件的區(qū)域，如成片的居民區(qū)、道路網(wǎng)、水生養(yǎng)殖區(qū)、經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)等，可以對(duì)其分類(lèi)后進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃與管理。對(duì)每個(gè)功能區(qū)進(jìn)行單獨(dú)編輯，通過(guò)三角網(wǎng)的合并形成一個(gè)完整的整體，能夠減少場(chǎng)景數(shù)據(jù)量，表現(xiàn)出優(yōu)良的整體效果。

3. 場(chǎng)景可視化

堤防工程的三維可視化過(guò)程是將復(fù)雜的地學(xué)信息轉(zhuǎn)換為直觀的三維圖形圖像，以深刻地描述場(chǎng)景中各種現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和相互之間關(guān)系的過(guò)程。具體的可視化過(guò)程如圖10所示。

圖10　三維可視化流程

(1) 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集是三維可視化的基礎(chǔ)，堤防工程的數(shù)據(jù)主要包括地形測(cè)量數(shù)據(jù)、工程信息、文本信息、CAD數(shù)據(jù)、遙感圖像信息、攝影測(cè)量信息、地圖數(shù)字化信息等?？臻g數(shù)據(jù)的處理包括坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)內(nèi)插、圖形編輯、數(shù)據(jù)壓縮等。

(2) 模型構(gòu)建與簡(jiǎn)化

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理完成后，需要對(duì)堤防工程場(chǎng)景涉及的模型分別構(gòu)建。對(duì)于不需要精細(xì)構(gòu)建的地物如房屋，可以在盡量不影響模型外觀的前提下對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)。模型簡(jiǎn)化的工作可以在構(gòu)建的過(guò)程中進(jìn)行，如減少基礎(chǔ)模型的分段數(shù)、刪除不可見(jiàn)多邊形，也可以在構(gòu)建完成后使用3ds Max中的Polygon Cruncher插件進(jìn)行簡(jiǎn)化。

(3) 模型整合與匹配

各工程實(shí)體空間關(guān)系復(fù)雜，因而需要進(jìn)行模型間的整合與匹配。根據(jù)模型之間的語(yǔ)義關(guān)系，通過(guò)構(gòu)造三維場(chǎng)景的模型樹(shù)以實(shí)現(xiàn)模型的管理與組織。

(4) 場(chǎng)景優(yōu)化

真實(shí)感與運(yùn)行速度是衡量場(chǎng)景實(shí)時(shí)可視化效果的兩個(gè)重要指標(biāo)[10]，需要基于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化。通過(guò)紋理映射、光照處理、顏色設(shè)置、消隱等工作，使三維模型更加逼真以滿(mǎn)足更高層次的視覺(jué)要求。同時(shí)充分利用實(shí)例化技術(shù)、模型分割等技術(shù)在不影響場(chǎng)景仿真效果的同時(shí)大幅提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

(5) 系統(tǒng)集成

將堤防工程信息化管理原型系統(tǒng)與三維仿真系統(tǒng)集成融合，建立堤防工程三維可視化管理系統(tǒng)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)、局部縮放、虛擬漫游、二三維聯(lián)動(dòng)等人機(jī)交互功能，以及各類(lèi)地學(xué)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)與空間分析功能。

三、應(yīng)用

本文針對(duì)南四湖堤防工程進(jìn)行三維可視化研究。南四湖位于山東省濟(jì)寧市南部，是我國(guó)第6大淡水湖，地勢(shì)特殊、支流眾多，夏季特別容易發(fā)生洪災(zāi)。因此，對(duì)南四湖湖東地區(qū)堤防工程的良好管理非常重要。以湖東大堤為主的湖濱帶及陸地為試驗(yàn)對(duì)象，采用各種三維建模技術(shù)與可視化技術(shù)構(gòu)建了具有強(qiáng)烈真實(shí)感并可以快速顯示與交互的三維可視化信息系統(tǒng)。三維場(chǎng)景效果如圖11、圖12所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞堤防工程三維場(chǎng)景的構(gòu)建，詳細(xì)闡述了要素模型構(gòu)建方法、場(chǎng)景組織原則及可視化流程，并以南四湖湖東大堤為例，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜堤防工程三維可視化信息系統(tǒng)的構(gòu)建，方便了管理者全面、真實(shí)、快速地掌握管理及運(yùn)行情況，也為其他水利工程管理系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考。

圖11　地面建筑物模型

圖12　場(chǎng)景局部效果圖

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中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)03-0126-04

作者簡(jiǎn)介：劉蕾(1991—)，女，碩士生，主要從事數(shù)字地圖與地理信息三維可視化方面的研究。E-mail: 1278549086@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41371428；41201473)；國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(J1103409)；語(yǔ)用視角下基于認(rèn)知理論的空間信息符號(hào)化表達(dá)機(jī)制研究(41201473)

收稿日期：2015-04-14

引文格式： 劉蕾，江文萍，鄒富,等. 堤防工程的三維建模與可視化[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(3)：126-129.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0104.