一種多通道三維地形模型的可視化方法

一種多通道三維地形模型的可視化方法

3d地形可視化技術(shù)一直是信息系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字地形模型中地理數(shù)據(jù)的三維顯示、模擬和模擬的技術(shù)。用戶可以直觀地直觀地可視化、可視化、圖像和多層程序的方法，快速、真實(shí)地模擬三維地形，使地形模型與用戶有良好的相互作用，讓用戶體驗(yàn)在場(chǎng)的感覺。工程設(shè)計(jì)過程中,三維地形可視化技術(shù)不僅可以使設(shè)計(jì)人員迅速全面地了解工程范圍內(nèi)的地理信息,更在工程方案的比選和布置、方案動(dòng)態(tài)展示等方面得到了廣泛的運(yùn)用。然而,在項(xiàng)目建設(shè)初期,進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)常常由于制作三維地形模型的詳細(xì)資料匱乏,從而導(dǎo)致建模方式極為繁瑣,且不能便捷地反應(yīng)出工程特性及規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,因此如何方便快捷地完成三維地形建模是利用三維地形可視化技術(shù)服務(wù)于規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文結(jié)合新疆某項(xiàng)目實(shí)例利用一系列常用軟件對(duì)三維地形進(jìn)行建模,通過對(duì)模型成果的比較和分析,從而了解該三維地形建模方法的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍,為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段三維地形建模的實(shí)現(xiàn)提供了一種便捷可行的方法。1基本情況(1)站址比選缺乏資料本項(xiàng)目為新疆某供水項(xiàng)目的前期規(guī)劃設(shè)計(jì),擬建1座加壓供水泵站以滿足工業(yè)園水量需求。在前期規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中,需要根據(jù)地形資料進(jìn)行站址比選及管道布置等,然而由于缺乏航拍圖等相關(guān)資料,不能準(zhǔn)確直觀地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì),從而確定最優(yōu)方案。因此,需要借助一些常規(guī)的軟件及資料,建立滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)要求的本區(qū)域三維地形圖,從而準(zhǔn)確指導(dǎo)前期規(guī)劃設(shè)計(jì)。(2)維網(wǎng)格疊加由于DEM是對(duì)地貌形態(tài)的虛擬表現(xiàn),可派生出三維網(wǎng)格、等高線等圖形信息,從而在三維網(wǎng)格或由等高線生成的三維網(wǎng)格上疊加圖像紋理DOM,即可提高三維地形的真實(shí)性,完成三維地形的建模工作。(3)dem、利用數(shù)字線劃地圖地理信息產(chǎn)業(yè)的主要任務(wù)是建立基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng),而基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品包括4種基本模式,數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像圖DOM、數(shù)字柵格地圖DRG和數(shù)字線劃地圖DLG。其中DEM和DOM為三維地形建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)(X,Y)及其高程(Z)的數(shù)據(jù)集,它主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布,是通過等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(包括采樣和量測(cè)),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的。DOM是對(duì)航空(或航天)相片進(jìn)行數(shù)字微分糾正和鑲嵌,按一定圖幅范圍裁剪生成的數(shù)字正射影像集,它是同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征的圖像。(4)地圖繪制軟件全球gis信息本三維地形建模主要通過GoogleEarth、GlobalMapper、3DMax和AutoCADCivil3D等軟件完成,其中GoogleEarth和3DMax在工程設(shè)計(jì)中已廣為運(yùn)用,在此不再贅述,僅對(duì)GlobalMapper和AutoCADCivil3D進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。GlobalMapper是一款地圖繪制軟件,不僅能夠?qū)?shù)據(jù)顯示為光柵地圖、高程地圖、矢量地圖,還可以對(duì)地圖作編輯、轉(zhuǎn)換、打印、記錄及利用數(shù)據(jù)的GIS功能。該軟件可以利用全球GIS信息資源,根據(jù)DEM生成工程相應(yīng)范圍內(nèi)的等高線。AutoCADCivil3D是一款面向土木工程設(shè)計(jì)與文檔編制的建筑信息模型軟件,它包含了AutoCAD平臺(tái)的所有功能,并增加了很多土木建筑工程所需的插件,可實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格和DOM的疊加,并能在次基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的三維建模功能。2網(wǎng)絡(luò)模型與幾何模型通過GoogleEarth獲得DOM數(shù)據(jù),提取圖像紋理;利用GlobalMapper獲取DEM數(shù)據(jù),提取等高線,并生成三維網(wǎng)絡(luò)模型;再將兩者數(shù)據(jù)通過3DMax或AutoCADCivil3D疊加,從而生成三維地形圖。生產(chǎn)流程技術(shù)路線圖如圖1所示。2.1通過程序的位置約束范圍的合理確定是建模工作的基礎(chǔ),既要包含工程可能涉及到的位置,又要考慮到計(jì)算機(jī)配置對(duì)模型大小的限制,因?yàn)榈匦文Ｐ驮酱?顯示和編輯的速度就越慢,建模后工作的流暢性就越差。2.2地形范圍的提取地形建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)主要為DEM和DOM,一般可通過航拍技術(shù)等方式獲得,但當(dāng)建設(shè)單位無法提供工程范圍內(nèi)的地理信息資料時(shí),就可根據(jù)確定的地形建模范圍通過GlobalMapper和GoogleEarth兩款軟件來提取,但在提取過程中,應(yīng)選取適當(dāng)?shù)木?精度過低會(huì)造成三維模型失真,精度過高也會(huì)降低顯示和編輯的速度。針對(duì)本工程,提取了以下相應(yīng)地形數(shù)據(jù)。(1)邊線dem提取在GlobalMapper中可直接根據(jù)確定的地形建模范圍的邊線提取本市工程范圍的DEM,如圖2所示。可根據(jù)DEM直接生成相應(yīng)位置的三維網(wǎng)格圖形文件和等高線圖形文件,但考慮到等高線在三維建模工作中可編輯性較強(qiáng),因此僅生成等高線圖形文件如圖3所示。(2)從程序數(shù)據(jù)中獲取數(shù)據(jù)在GoogleEarth中,截取與DEM邊界相同的衛(wèi)星圖像,如圖4所示。2.3推進(jìn)三維地形模型的建立三維網(wǎng)格生成及與DOM的疊加使用3DMax和AutoCADCivil3D均可實(shí)現(xiàn),且均可在三維地形上進(jìn)行建模工作,盡管運(yùn)用這兩款軟件完成該步驟的原理和方法類似,但兩款軟件在三維地形建模上有較大差異,AutoCADCivil3D根據(jù)項(xiàng)目方案在三維地形模型上的瀏覽、計(jì)算、編輯和處理上有明顯的優(yōu)勢(shì),而3DMax則側(cè)重于項(xiàng)目方案的動(dòng)畫展示。下面以3DMax為例,實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格的生成及與DOM的疊加。通過3DMax導(dǎo)入等高線文件,利用“復(fù)合對(duì)象”的“地形”工具生成三維網(wǎng)格模型,如圖5、圖6所示,并設(shè)置“材質(zhì)球”中“位圖”為DOM衛(wèi)星圖片即可完成三維網(wǎng)格與DOM的疊加,進(jìn)行渲染后,三維地形模型如圖7所示。3比較和分析三維地形模型的結(jié)果3.1建模的優(yōu)勢(shì)相比傳統(tǒng)地形建模方法,本建模方法有如下主要優(yōu)點(diǎn)。(1)建模過程簡(jiǎn)單便捷,對(duì)建模人員技術(shù)能力要求不高,僅通過成熟軟件就能迅速的完成建模工作。(2)建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取方便,在缺乏詳細(xì)的地理信息數(shù)據(jù)時(shí),基于全球GIS信息資源能夠生成任何地理位置的地理信息數(shù)據(jù),適應(yīng)面廣。(3)模型成果能較全面地展現(xiàn)工程環(huán)境的地形地貌特征,能較好地滿足項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)的要求。3.2在分析的過程中的應(yīng)用模型成果雖然在模型精度和顯示流暢性上略低于GoogleEarth的地形模型,但卻有GoogleEarth不可比擬的優(yōu)勢(shì)。(1)在GoogleEarth的地形模型上,只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算和地理信息提取,而在模型成果的基礎(chǔ)上能利用專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)挖填方、匯流、碰撞等復(fù)雜的分析計(jì)算功能。(2)在GoogleEarth的地形模型無法編輯,也不能根據(jù)工程方案布置新的模型,而在模型成果上可直接進(jìn)行道路、渠道、管網(wǎng)和建筑物等工程要素的建模布置,實(shí)現(xiàn)方案建設(shè)前后和方案間的對(duì)比。3.3更新數(shù)據(jù)庫(kù)(1)建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。目前,由于地理信息數(shù)據(jù)不可能實(shí)時(shí)更新,因此工程范圍地形建模所采用的數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)情況會(huì)存在一定的誤差,但一般不會(huì)在規(guī)劃設(shè)計(jì)和方案布置上造成較大影響,隨著設(shè)計(jì)階段的不斷深入,則應(yīng)采用更新的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。(2)建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的精度。由于從GlobalMapper和GoogleEarth兩款軟件從提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度相對(duì)于詳細(xì)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏低,因此模型成果只能在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的工程布置、工程量估算、方案比選和展示等工作中使用,如需滿足詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的標(biāo)準(zhǔn),則應(yīng)采用大比例尺的實(shí)測(cè)地形圖進(jìn)行建模。(3)對(duì)模型成果中的建筑物需要在三維地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模才能形成三維實(shí)體,無法同模型成果同步生成。4適用面廣,方便(1)本文結(jié)合實(shí)例利用一系列常用軟件對(duì)三維地形進(jìn)行建模,并詳細(xì)地介紹了建模的步驟,