羅勝飛，童俊維，李志勇

（郴州市北湖區(qū)自然資源事務(wù)中心，湖南 郴州）

引言

三維地形模擬作為地形信息的重要組成部分，它逼真地展示了地形的立體形態(tài)，并模擬了地表的灰度變化，讓用戶可以直觀地觀察和感受[2]。用戶可以使用不同的需求來(lái)對(duì)同一個(gè)地形形態(tài)進(jìn)行多種三維立體顯示。三維地形模擬成為地理要素空間特征分析的重要工具，可以幫助用戶全面了解研究對(duì)象的空間變化特征。許多商業(yè)軟件擁有強(qiáng)大的三維立體渲染圖繪制功能，但它們通常只能在特定的軟件環(huán)境中使用。用戶開發(fā)的很多應(yīng)用程序需要使用三維立體渲染圖繪制功能，因此如何在專業(yè)軟件開發(fā)中將該功能二次開發(fā)，并成功地集成到客戶應(yīng)用程序中，成為一個(gè)難題。無(wú)論是展示三維地形模擬，還是進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算土方量，都離不開一系列核心技術(shù)的支持。這些關(guān)鍵技術(shù)包括三維地形建模、地形簡(jiǎn)化、插值、投影變換、紋理映射、光照處理以及DEM計(jì)算土方量等技術(shù)。這些技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高精度三維地形模擬和土方量計(jì)算中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)在通過(guò)對(duì)常用的軟件對(duì)三維地形瀏覽、動(dòng)態(tài)顯示和土方量計(jì)算的實(shí)現(xiàn)情況和效果的比較，本著先進(jìn)性、實(shí)用性、標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)充性原則，決定用南方CASS對(duì)柵格圖形進(jìn)行矢量化，獲得地形的原始數(shù)據(jù)，以AutoCAD 為平臺(tái)通過(guò)VBA 調(diào)用Surfer 軟件對(duì)地形進(jìn)行三維地形模擬和三維土方量算。

1 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AutoCAD 為平臺(tái)，運(yùn)用VBA 調(diào)用Surfer軟件實(shí)現(xiàn)三維地形模擬和土方量計(jì)算[5]。我們首要任務(wù)是熟悉Surfer 軟件的土方量計(jì)算功能，并掌握Surfer 軟件的Automation 技術(shù)，以便通過(guò)VBA更好地控制它。必須具備實(shí)際的測(cè)繪工程經(jīng)驗(yàn)，并全面掌握三維地形模擬和土方量計(jì)算需求。在使用Surfer 軟件時(shí)，可以采用一種高效的方法——“白化”技術(shù)，來(lái)確定不規(guī)則的區(qū)域和線路區(qū)域。利用“*.bln”文件可以定義一個(gè)區(qū)域，然后輕松地從已知的DEM數(shù)據(jù)中提取該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。利用Surfer 軟件進(jìn)行土方量計(jì)算時(shí)，其過(guò)程實(shí)際上是通過(guò)計(jì)算不同高度位置上相同區(qū)域內(nèi)DEM的體積差來(lái)完成的。在實(shí)際工程領(lǐng)域，對(duì)于上方的DEM，所需的形狀主要分為曲面DEM、傾斜平面DEM和水平平面DEM，而下方的DEM也具有相同的三種情況。問(wèn)題可分解為求解不同情況下體積差的和，每種情況都需計(jì)算土方量。當(dāng)上表面為曲面DEM時(shí)，下表面可以是曲面DEM、傾斜平面DEM和水平平面DEM。因此，共有9 種不同的土方量計(jì)算情況[1]。Surfer 軟件在生成曲面DEM時(shí)，會(huì)根據(jù)測(cè)量得到的高程散點(diǎn)進(jìn)行插值，從而生成具有規(guī)則格網(wǎng)的DEM。傾斜平面地形高程模型可以通過(guò)格網(wǎng)函數(shù)計(jì)算得到，而水平平面地形高程模型是一個(gè)固定值。需要注意的是，當(dāng)Surfer 軟件生成曲面DEM時(shí)，它使用的數(shù)據(jù)是有結(jié)構(gòu)的，并且默認(rèn)格式是“Surfer Worksheet”格式。從網(wǎng)格文件開始，創(chuàng)建直接渲染三維圖像。在Surfer 的后臺(tái)程序中進(jìn)行繪制過(guò)程，最終在客戶應(yīng)用程序界面上顯示繪制結(jié)果（參見圖1）。

圖1 挖方前地形

值得注意的是VBA 不能直接調(diào)用Surfer 生成的圖形，而是把生成的三維立體渲染圖保存為.bmp 圖，再用圖像框調(diào)用.bmp 圖顯示圖形, 圖像框可以顯示的圖形類型有位圖文件、圖標(biāo)文件等。調(diào)用LoadPicture 函數(shù)來(lái)加載圖形, 圖像框默認(rèn)會(huì)自動(dòng)調(diào)整大小以適應(yīng)圖形的大小[4]。

該系統(tǒng)主要由三大模塊組成：數(shù)據(jù)處理與三維建模、三維顯示與控制以及土方計(jì)算。

（1） 數(shù)據(jù)處理與三維建模模塊：此模塊功能在于它能將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或文件中的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM，同時(shí)也能將等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM。（2） 三維顯示與控制模塊：該模塊用于展示三維數(shù)據(jù)，并能夠疊加圖層以及實(shí)現(xiàn)一系列基本的三維操作，如放大、縮小、平移、拉框放大、拉框縮小、水平旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景、升降場(chǎng)景等[3]。（3） 土方計(jì)算模塊：此模塊提供多種填挖方量計(jì)算方式，包括規(guī)劃好的土方量計(jì)算、土方均衡計(jì)算和展示填挖方后的三維地形。

2 關(guān)鍵代碼

’以下生成曲面DEM

srf.GridData DataFile:=comDlg.FileName, xCol:=3, yCol:=4, zCol:=5, Algorithm:=srfKriging, ShowReport:=False,SearchEnable:=True, KrigStdDevGrid:=GetCurrentDvbFil ePath () & ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date & ″.grd″, OutGrid:=comDlg1.FileName, OutFmt:=srfGridFmtS7

’以下生成傾斜平面DEM

srf.GridFunction Function:=″z=z1-(((y2-y1)* (z3-z1)-(z2 -z1)*(y3-y1))*(x-x1)+((z2-z1)*(x3-x1)-(x2-x1)*(z3-z1))*(yy1))/((x2-x1)* (z3-z1)-(y2-y1)* (x3-x1))″,xMin:=minbjx,xMax:=maxbjx, xInc:=0.1, yMin:=minbjy, yMax:=maxbjy,yInc:=0.1, OutGrid:=GetCurrentDvbFilePath () & ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″& Date & ″wfsj.grd″, OutFmt:=srfGridFmtS7

’以下生成水平平面DEM

srf.GridFunction Function:=″z =sjbg″, xMin:=minbjx,xMax:=maxbjx, xInc:=0.1, yMin:=minbjy, yMax:=maxbjy,yInc:=0.1, OutGrid:=GetCurrentDvbFilePath () & ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date & ″wfsj.grd″, OutFmt:=srfGridFmtS7

’以下代碼為生成白化邊界文件

ThisDrawing.Application.ActiveDocument.Utility.GetEntity objPL, Pnt, vbCr & ″選擇白化邊界(閉合的輕量多段線):″

bjdd = GetVertexCount(objPL)

Tqzb bjddx, bjddy, objPL

’調(diào)用提取多段線坐標(biāo)的函數(shù)

Set fso = CreateObject(″Scripting.FileSystemObject″)

Set MyFile = fso.CreateTextFile(GetCurrentDvbFilePath()& ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date & ″.bln″, True)

MyFile.Close,Set fso = Nothing,Set MyFile = Nothing

Open GetCurrentDvbFilePath() & ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date& ″.bln″ For Output As #1

Print #1, bjdd & ″,0″ & ″″″ & ″; 0#; ″ & ″″″

For i = 1 To bjdd Print #1, bjddx (i) & ″,″ &bjddy(i) & ″,″ & 0 Next i Close #1

’以下完成網(wǎng)格數(shù)據(jù)的″白化″

srf.GridBlank InGrid:=comDlg1.FileName, BlankFile:=GetCurrentDvbFilePath () & ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date & ″.bln″, OutGrid:=comDlg2.FileName, OutFmt:=srfGridFmtS7’計(jì)算經(jīng)過(guò)白化處理的上下位置DEM體積差，即土方量。

Dim Results() As Double

srf.GridVolume Upper:=zsmbhsj, Lower:=sjmbhsj,

presults:=Results, ShowReport:=False

’土方量計(jì)算結(jié)果的顯示

Dim simpson38rule As Double

simpson38rule = Results(srfGVSimp38Vol)

Lable1.Caption = ″土方量計(jì)算結(jié)果為:″ + simpson38rule

’顯示模擬三維地形

Dim PlotDoc As Surfer.IPlotDocument

Dim MapFrame As Surfer.IMapFrame

Dim SurfaceMap As Surfer.ISurface ’定義對(duì)象

Set PlotDoc = SurferApp.Documents.Add(1)

Set MapFrame = PlotDoc.Shapes.AddSurface (comDlg.

FileName) ’添加對(duì)象

Set SurfaceMap = MapFrame.Overlays(1) ’設(shè)置對(duì)象

SurfaceMap.ShowBase = True ’設(shè)置底部不顯示

SurfaceMap.BaseFill.color = vbYellow’設(shè)置底部顏色

SurfaceMap.ShowColorScale = True ’設(shè)置比例尺

SurfaceMap.xMeshFreq = 0 ’設(shè)置X表面線顯示的頻率

SurfaceMap.yMeshFreq = 0 ’設(shè)置Y表面線顯示的頻率’設(shè)置光照角度

MapFrame.LightAzimuth = 130 ’設(shè)置光照水平角

MapFrame.LightZenith = 45 ’設(shè)置光照垂直角

MapFrame.LightModel = srfLMSmooth ’設(shè)置光照模式

MapFrame.ViewProjection = srfPerspective ’設(shè)置視角投影

’設(shè)置觀察角度

MapFrame.ViewFOV = Val(qxjd.Text)

MapFrame.ViewRotation = Val(xzjd.Text)

MapFrame.ViewTilt = Val(syjd.Text)

’用戶可以選擇將生成的三維立體渲染圖保存為bmp 圖像，并自行指定所需輸出圖像的尺寸和儲(chǔ)存路徑

PlotDoc.Export FileName:=GetCurrentDvbFilePath() & ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date & ″.bmp″, Options:=″ Defaults= 1,Widtli =600, Height =700, ColorDepth= 24″

Image1.PictureSizeMode = 1

Image1.Picture = LoadPicture (GetCurrentDvbFilePath()& ″臨時(shí)數(shù)據(jù)″ & Date & ″.bmp″)

3 應(yīng)用實(shí)例

我們?cè)诟∏裆降娜S地形模擬和區(qū)域土方計(jì)算中運(yùn)用了此系統(tǒng)，無(wú)論是在三維地形模擬還是土方計(jì)算，都取得了比較好的效果，為工程的順利開展提供了很好的幫助。

在柵格地形圖光柵插入南方CASS 之前，應(yīng)對(duì)區(qū)域的柵格地形圖的圖幅號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在南方CASS 新建一個(gè)圖形文件，在圖上畫出圖幅號(hào)方格網(wǎng)。然后再把所有的光柵地形圖光刪插入，通過(guò)圖像糾正對(duì)光柵地形圖進(jìn)行校正，再把所有的光柵地形圖進(jìn)行拼接，得到整個(gè)地區(qū)的整體柵格地形圖。然后是對(duì)柵格地形圖進(jìn)行矢量化，當(dāng)時(shí)選擇用南方CASS進(jìn)行矢量化，就考慮了南方CASS 的編輯能力是其他矢量化軟件所不能媲美的，再加上南方CASS已經(jīng)有了現(xiàn)成的實(shí)體編碼庫(kù)，還有就是，南方CASS有很多對(duì)等高線進(jìn)行處理的功能。綜合以上幾點(diǎn)，用南方CASS進(jìn)行柵格地形圖的矢量化工作是很方便，很快捷的。

做完以上的工作后就是利用本系統(tǒng)進(jìn)行處理，有以下步驟：

（1） 導(dǎo)出數(shù)據(jù)，按“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕，根據(jù)提示，就可導(dǎo)出散點(diǎn)三維數(shù)據(jù)。（2） 數(shù)據(jù)處理，按“數(shù)據(jù)處理”按鈕，指定散點(diǎn)三維數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)文件和指定圖形上的閉合多段線（白化邊界），就可生成Surfer 軟件可識(shí)別的網(wǎng)格數(shù)據(jù)了。（3） 挖方前地形模擬，地形狀態(tài)選擇“挖方前地形”，按“刷新”按鈕，即可在圖片框顯示三維圖形了，見圖1。（4） 土方計(jì)算，按“土方計(jì)算”按鈕，指定圖形上的閉合多段線（挖方邊界），即可計(jì)算出區(qū)域的填挖方和在圖形中生成施工零線，見圖2 和圖3。（5） 挖方后地形模擬，地形狀態(tài)選擇“挖方后地形”，按“刷新”按鈕，即可在圖片框顯示三維圖形了，見圖4。

圖2 土方計(jì)算

圖3 施工零線

圖4 挖方后地形

結(jié)束語(yǔ)

這個(gè)系統(tǒng)可以快速且簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)三維地形模擬和土方量計(jì)算，因此大大提高了工作效率，滿足了實(shí)際工作的緊迫需求。本系統(tǒng)使用了VBA開發(fā)語(yǔ)言的ActiveX技術(shù)，并通過(guò)控制Surfer 軟件來(lái)完成計(jì)算程序。因此，要保證本系統(tǒng)正常運(yùn)行，必須在計(jì)算機(jī)上安裝Surfer 軟件，并且用戶需要具備一定的Surfer 軟件操作基礎(chǔ)。本系統(tǒng)在以AutoCAD2006、南方CASS7.0、Surfer11.0 為平臺(tái)，順利的通過(guò)了調(diào)試測(cè)試，并在浮邱山的三維地形模擬和區(qū)域土方計(jì)算中運(yùn)用了此系統(tǒng)。本系統(tǒng)在功能方面還有進(jìn)一步擴(kuò)充的空間，比如：提供更多的原始數(shù)據(jù)的接口、土方計(jì)算提供放坡功能、三維模擬提供更多動(dòng)態(tài)的效果等等。