劉聰元 劉文巖

摘要：隨著三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，水利水電行業(yè)對(duì)三維地形的應(yīng)用要求日益提高，使用常規(guī)的地質(zhì)建模軟件如GOCAD、CATIA很難滿足高精度地形建模的要求。Civil 3D符合高精度地形建模的要求，但添加等高線時(shí)參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜，同時(shí)由于僅支持LandXML和DEM格式導(dǎo)出，大大限制了其應(yīng)用范圍。通過分析等高線優(yōu)化及平面三角形消除原理，給出了Civil 3D地形建模參數(shù)選擇建議，并結(jié)合水利水電工程實(shí)例討論了高精度地形的建模過程。最后自主開發(fā)了LandXML2ts軟件，將LandXML轉(zhuǎn)換為廣泛使用的ts格式，極大地拓展了地形模型的應(yīng)用范圍。

關(guān) 鍵 詞：

水利水電工程； 地形建模； Civil 3D； LandXML

中圖法分類號(hào)： TV222.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.034

0 引 言

近年來(lái)三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在水利水電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其所見即所得的設(shè)計(jì)模式更加符合人類的思維習(xí)慣，降低了從三維思考到二維表現(xiàn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能，減少了設(shè)計(jì)修改和設(shè)計(jì)變更的次數(shù)，可以有效提高設(shè)計(jì)效率［1］。但是所謂萬(wàn)丈高樓平地起，三維協(xié)同設(shè)計(jì)離不開高精度三維地形的支持。地形不僅是地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工等專業(yè)的工作基礎(chǔ)，也是水利水電工程協(xié)同設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的加深，水利水電行業(yè)對(duì)于三維地形的精度要求越來(lái)越高，常規(guī)的地質(zhì)建模軟件如GOCAD、CATIA等僅支持高程點(diǎn)生成地形模型［2-5］，建模效率低，很難取得理想的效果。因此有必要探尋一種新方法，既能充分利用已有地形數(shù)據(jù)，又能快速、高效地建立高精度地形模型。

Autodesk Civil 3D（簡(jiǎn)稱Civil 3D）軟件是Autodesk公司推出的一款面向基礎(chǔ)行業(yè)的建筑信息模型解決方案。它為基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的各類技術(shù)人員提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、分析以及文檔編制功能，廣泛用于勘察測(cè)繪、巖土工程、交通運(yùn)輸、水利水電等眾多領(lǐng)域［6］。國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員基于Civil 3D的地形建模技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究：李永勇從地形圖提取高程點(diǎn)建立三維地形模型［7］；陳立楠等基于高程點(diǎn)建立三維地形模型，并與緯地軟件生成的等高線、谷歌高清衛(wèi)星影像進(jìn)行了對(duì)比［8］；劉莉等梳理了使用高程點(diǎn)和特征線建立地形曲面的流程［9］；牛作鵬等實(shí)現(xiàn)了多源測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)集成，并對(duì)地形較為復(fù)雜及需要表現(xiàn)局部地區(qū)細(xì)節(jié)特征的重點(diǎn)地區(qū)，采用集成二維地形圖 DWG 數(shù)據(jù)中的等高線，并手動(dòng)添加特征點(diǎn)、特征線等方式完成地形曲面模型生成［10］；李萬(wàn)紅利用高程點(diǎn)、等高線、特征線等進(jìn)行了地形建模［11］。

等高線作為傳統(tǒng)地形圖的重要表達(dá)手段，對(duì)于地形表達(dá)起著重要作用，因此要實(shí)現(xiàn)高精度地形建模，必須將等高線作為建模依據(jù)之一納入建模過程。Civil 3D支持高程點(diǎn)、等高線和特征線建立地形模型，但加入等高線時(shí)參數(shù)較為復(fù)雜。從目前研究資料看，大部分研究者以高程點(diǎn)為基礎(chǔ)建立地形曲面。牛作鵬、李萬(wàn)紅等人建模時(shí)雖然使用了等高線，但并未詳述建模過程及參數(shù)選取原則。

本文參考Autodesk官方文檔，重點(diǎn)討論等高線優(yōu)化的原理及參數(shù)取值原則，并通過自主開發(fā)解決了模型格式的轉(zhuǎn)換問題。

1 地形曲面概念及優(yōu)化原理

1.1 曲面的概念

Civil 3D中的曲面分為兩大類：一種是真正意義上的“曲面”，一種是體積曲面。按照剖分形式的不同，它們又各自分為“三角網(wǎng)”和“柵格”。其中三角網(wǎng)曲面通過空間上任意一組點(diǎn)進(jìn)行Delaunay而形成，適用于使用不規(guī)則分布的采樣數(shù)據(jù)來(lái)反映復(fù)雜多變的曲面和局部區(qū)域的分析（大比例地圖）［6］。由于水利水電工程對(duì)地形精度要求很高，地形曲面一般采用三角網(wǎng)曲面，以下所述曲面均為三角網(wǎng)曲面。

1.2 等高線優(yōu)化方法

為提高地形曲面三角網(wǎng)的質(zhì)量，建模前應(yīng)對(duì)等高線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方法包括頂點(diǎn)消除和頂點(diǎn)補(bǔ)充。

1.2.1 頂點(diǎn)消除

Civil 3D采用三點(diǎn)檢測(cè)法進(jìn)行判斷，消除程度由參數(shù)L0（距離）和θ0（角度）共同控制，二者取值越大，剔除的點(diǎn)越多。三點(diǎn)檢測(cè)法原理如圖1所示，圖中A、B、C為等高線上相鄰的三點(diǎn)，若AB+BC

1.2.2 頂點(diǎn)補(bǔ)充

頂點(diǎn)補(bǔ)充分別按直線段和弧線段兩種情況處理，前者由補(bǔ)充距離SD控制，后者由中點(diǎn)垂距d0控制，SD和d0取值越小，添加的頂點(diǎn)越多。

直線段補(bǔ)點(diǎn)原理如圖2所示。圖中A、B為等高線上的兩點(diǎn)，當(dāng)AB>SD時(shí)，將按照小于或等于SD的間隔添加頂點(diǎn)；弧線段補(bǔ)點(diǎn)原理如圖3所示。圖中d為中點(diǎn)垂距，如果d>d0，則向圓弧添加頂點(diǎn)，使中點(diǎn)垂距等于或小于d0。

1.3 最小化平面區(qū)域方法

平面三角形指三個(gè)頂點(diǎn)高程相等的三角形，連接相同高程的同一或不同等高線的三角形邊為平面邊［12］。圖4中陰影覆蓋的為平面三角形，虛線為平面邊。

平面三角形往往并不是真實(shí)地形的反映，因此構(gòu)建地形曲面時(shí)應(yīng)盡量抑制平面三角形的生成。Civil 3D主要采用4條措施消除平面三角形。

（1） 填充間距。

該選項(xiàng)通過填充斷開的兩條或多條高程相同的等高線之間的縫隙，創(chuàng)建一條連續(xù)的等高線。

（2） 交換三角形邊。

此選項(xiàng)通過掃描曲面查找與非平面三角形共有非等高線邊的平面三角形。如果這兩個(gè)三角形構(gòu)成凸四邊形，則交換其公共邊將兩個(gè)三角形變?yōu)榉瞧矫嫒切?，一直持續(xù)該操作直到?jīng)]有可能交換的邊為止（見圖5）。

（3） 向平面三角形邊添加點(diǎn)。

與交換三角形的邊選項(xiàng)一樣，通過掃描曲面，查找所有點(diǎn)都在數(shù)據(jù)等高線上且與非平面臨近三角形共享非等高線邊的三角形。不同的是不交換公共邊，而是在公共邊的中點(diǎn)處添加新點(diǎn)。此點(diǎn)的高程可以通過自然臨近內(nèi)插法來(lái)計(jì)算（見圖6）。

（4） 向平面邊添加點(diǎn)。

此選項(xiàng)查找是否存在兩個(gè)端點(diǎn)都位于數(shù)據(jù)等高線上的平面邊。如果包含此平面邊的兩個(gè)三角形相對(duì)點(diǎn)的高程都高于此邊的高程或都低于此邊的高程，那么將在此平面邊的中點(diǎn)處添加新點(diǎn)。新點(diǎn)的高程可以通過自然臨近內(nèi)插法來(lái)計(jì)算（見圖7）。

2 參數(shù)選擇建議

2.1 頂點(diǎn)消除因子

距離L0：高質(zhì)量的三角網(wǎng)應(yīng)盡量避免狹長(zhǎng)的三角形。為使地形曲面三角形盡量接近正三角形，頂點(diǎn)消除因子宜與等高線水平間距大致相當(dāng)。

角度θ0：取值宜與L0適配，取值過小會(huì)造成等高線轉(zhuǎn)彎處節(jié)點(diǎn)過于密集，取值過大會(huì)降低模型精度，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，認(rèn)為取值30°較為合適（見圖8）。

2.2 頂點(diǎn)補(bǔ)充因子

距離SD：軟件要求頂點(diǎn)補(bǔ)充因子距離必須大于L0，建議SD按L0的2～3倍取值。

中點(diǎn)垂距d0：無(wú)特別要求，保留默認(rèn)值即可。

2.3 最小化平面區(qū)域的方法

在平面三角形消除方法中，交換三角形邊與向平面三角形邊添加點(diǎn)的功效是相同的，后者雖然增加了三角形，但可以避免狹長(zhǎng)三角形的生成，因此建議選后者。

2.4 參數(shù)選擇建議

綜上，地形建模過程中參數(shù)取值建議見表1。

3 高精度地形建模實(shí)例

以某抽水蓄能電站為例，工程區(qū)屬典型的構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌，總體為向斜山、背斜谷，嶺谷相間的地貌特征。工程區(qū)域涉及面積14.6 km2，高程范圍為48.37～764.13 m，高程點(diǎn)2.6萬(wàn)個(gè)，等高線節(jié)點(diǎn)191.1萬(wàn)個(gè)。

地形建模的一般順序?yàn)閿?shù)據(jù)預(yù)處理、新建曲面、添加高程點(diǎn)、添加等高線、網(wǎng)格查看和曲面編輯。

3.1 地形數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行地形建模前，應(yīng)對(duì)地形圖進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清理、粗差處理和重復(fù)對(duì)象刪除等。

（1） 數(shù)據(jù)清理。

數(shù)據(jù)清理主要是對(duì)原始地形圖進(jìn)行整理，刪除不相關(guān)的內(nèi)容，僅保留建模需要的高程點(diǎn)、等高線和特征線等圖層，必要時(shí)對(duì)圖層進(jìn)行合并或重命名處理。

（2） 粗差處理。

粗差是指離群的誤差［13］，在地形圖中主要表現(xiàn)為標(biāo)高異常的點(diǎn)或線。目前鑒別粗差主要采用“目視法”：通過選擇視圖方向（如切換到前視圖）可以較容易發(fā)現(xiàn)粗差對(duì)象（如標(biāo)高或Z值為0的對(duì)象）。選擇這些對(duì)象并賦予特定顏色，回到俯視圖，查看紅色等高線或高程點(diǎn)，并參考周邊高程修正其標(biāo)高，對(duì)于無(wú)法修改的對(duì)象則應(yīng)進(jìn)行刪除處理。

（3） 重復(fù)對(duì)象刪除。

有時(shí)地形圖會(huì)出現(xiàn)重復(fù)對(duì)象，不僅增加了圖件體積，也不利于后期地形模型的生成，因此需要進(jìn)行處理。利用Civil 3D的刪除重復(fù)對(duì)象命令（overkill）可自動(dòng)刪除重復(fù)對(duì)象。

3.2 新建曲面

從左側(cè)工具箱曲面的右鍵菜單中選擇“創(chuàng)建曲面...”，打開創(chuàng)建曲面對(duì)話框。

通過單擊曲面圖層右側(cè)的按鈕可以選擇或新建圖層（本例為新建Topo圖層）用于存放曲面對(duì)象。將曲面名稱改為“地形面”，點(diǎn)擊【確定】按鈕，工具空間中出現(xiàn)曲面“地形面”。點(diǎn)擊“+”，依次展開“地形面”和“定義”。

在“地形面”的右鍵菜單中選擇【編輯曲面樣式...】彈出曲面樣式對(duì)話框，選擇“顯示”選項(xiàng)卡，將“三角形”和“邊界”設(shè)置為可見，如圖9所示。

3.3 添加高程點(diǎn)

高程點(diǎn)在地形圖中一般以圖塊或點(diǎn)的形式存在，可以通過定義中的【圖形對(duì)象】>【添加...】，彈出對(duì)話框。

對(duì)象類型根據(jù)實(shí)際情況選擇（本例為“塊”）。描述輸入“GCD”，點(diǎn)擊【確定】按鈕，根據(jù)提示從圖形區(qū)域選擇高程點(diǎn)，軟件自動(dòng)構(gòu)建三角網(wǎng)，見圖10（a）。由于未控制三角形邊長(zhǎng)，因此邊界存在問題，正確設(shè)置后如圖10（b）所示。設(shè)置方法如下：

在“地形面”的右鍵菜單中選擇“曲面特性...”，在“定義”選項(xiàng)卡中找到“使用三角形最大邊長(zhǎng)”設(shè)置為“是”，并將“三角形最大邊長(zhǎng)”設(shè)置為“200 m”（具體根據(jù)實(shí)際情況確定），點(diǎn)擊【確定】按鈕后，按提示重新生成網(wǎng)格即可。

3.4 添加等高線

選擇【等高線】>【添加...】時(shí)需要正確選擇參數(shù)。經(jīng)實(shí)測(cè)，該地形中等高線水平間距為4 m，設(shè)置參數(shù)如圖11所示。點(diǎn)擊【確定】按鈕，并選擇等高線完成等高線添加。

3.5 網(wǎng)格查看

選中網(wǎng)格，在頂部菜單選擇“三角網(wǎng)曲面：地形面”，執(zhí)行命令“網(wǎng)格查看器”，可以多種方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行查看。必要時(shí)刪除等高線，修改參數(shù)并重新添加。

3.6 曲面編輯

【定義】>【編輯】的右鍵菜單中提供了多種編輯命令，可對(duì)地形模型進(jìn)行手動(dòng)修改。

4 模型應(yīng)用

Civil 3D曲面支持的LandXML格式無(wú)法直接用于常用地質(zhì)建模軟件，通過自行研發(fā)的軟件，成功將Civil 3D曲面用于其他三維地質(zhì)建模軟件。

4.1 導(dǎo)出為L(zhǎng)andXML

在“地形面”的右鍵菜單中選擇“導(dǎo)出為L(zhǎng)andXML”，彈出對(duì)話框。所有參數(shù)默認(rèn)，直接點(diǎn)擊【確定】按鈕，輸入文件名即可完成導(dǎo)出。

4.2 格式轉(zhuǎn)換

通過解析LandXML 格式和TS格式［14］，開發(fā)了LandXM2ts程序，實(shí)現(xiàn)了文件格式的轉(zhuǎn)換。

4.3 導(dǎo)入三維建模軟件

ts格式是GOCAD自帶的一種明碼三維模型格式，目前已被BM_GeoModeler、CATIA、3DE等軟件廣泛采用。因此轉(zhuǎn)出的ts格式文件不僅可用于GOCAD，也可以用于BM_GeoModeler、CATIA和3DE地質(zhì)建模，有效彌補(bǔ)了其在高精度地形建模方面的不足。

4.4 與傳統(tǒng)建模方法對(duì)比

Civil 3D與傳統(tǒng)地質(zhì)建模軟件三維地形建模性能對(duì)比見表2，詳述如下：

（1） Civil 3D可直接將CAD格式地形圖用于建立地形模型，圖塊形式的高程點(diǎn)無(wú)需額外進(jìn)行數(shù)據(jù)提取操作。

（2） 與傳統(tǒng)地質(zhì)建模軟件將等高線作為“點(diǎn)”建模不同，Civil 3D將等高線作為“線”參與建模。一方面能避免出現(xiàn)跨等高線的三角形，另一方面可以有效抑制平面三角形的生成。

（3） Civil 3D僅需合理設(shè)置參數(shù)，即可自動(dòng)完成等高線優(yōu)化和平面區(qū)域最小化操作。

（4） Civil 3D所建地形模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)良好，通過等高線和特征線，可以對(duì)微地形進(jìn)行雕琢，達(dá)到良好的效果。

（5） Civil 3D建模效率更高，本例由于數(shù)據(jù)量較大，在BM_GeoModeler等軟件中建模時(shí)均出現(xiàn)假死等待的現(xiàn)象，但在Civil 3D中建模過程非常流暢。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1） Civil 3D可充分利用CAD格式地形圖中的等高線和高程點(diǎn)，快速建立高質(zhì)量的地形模型。

（2） 利用等高線優(yōu)化和平面三角形消除原理，選擇合理的參數(shù)，可有效提高地形網(wǎng)格的質(zhì)量。

（3） Civil 3D曲面支持LandXML格式導(dǎo)出，通過軟件開發(fā)可將其轉(zhuǎn)換為ts格式，可彌補(bǔ)水利水電工程常用地質(zhì)建模軟件在地形建模方面的不足。

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（編輯：鄭 毅）