水利水電工程三維地形建模技術(shù)研究論文
摘要：隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，水利水電事業(yè)的發(fā)展生機勃勃，水利水電工程建設與管理也有傳統的二維技術(shù)向三維技術(shù)發(fā)展，建立在數字化、可視化、可量測基礎上的三維地形已越來(lái)越受到各行各業(yè)的青睞和關(guān)注。本文通過(guò)對工程中三維地形建模技術(shù)探討，對滿(mǎn)足水利水電工程建設和管理需求具有重要作用。
關(guān)鍵詞：水利水電工程；三維地形建模；技術(shù)探討
1、三維地形建模技術(shù)概述
三維地形建模技術(shù)是通過(guò)計算機技術(shù)對地貌、地表建筑物、構筑物等進(jìn)行三維幾何重建、提取和修復、使用三維動(dòng)畫(huà)進(jìn)行展示的技術(shù)�？赏ㄟ^(guò)對遙感影像、地形圖、線(xiàn)劃圖、柵格圖等進(jìn)行綜合處理，并結合虛擬現實(shí)技術(shù)、可視化技術(shù)等實(shí)現三維地形建模[1]。
2、三維地形建模實(shí)現過(guò)程
2.1三維地形建模使用到的硬件工具包括數字掃描儀、三維激光掃描儀、全數字攝影測量系統等，通過(guò)軟件對影像數據進(jìn)行處理，形成三維地形地貌，提取建筑物模型后，利用人工對異形地面與不規則建筑物進(jìn)行人工建模。
2.2對于通過(guò)航片進(jìn)行采集和提取的建筑物的頂端的紋理，例如具有標志性的建筑物，利用數碼相機進(jìn)行建筑物的采集。使用數碼將采集紋理，要對建筑物進(jìn)行正直攝影，可以使用分塊正直攝影的方法，先分成幾張照片，然后在圖像處理軟件中進(jìn)行拼接和編輯。
2.3在粘貼紋理的過(guò)程中，對建筑物進(jìn)行多個(gè)面的圳鐵，可以將整個(gè)建筑物的紋理粘貼成一種，然后對于粘貼的效果進(jìn)行抓取和刪除。注意相片的數據，防止數據移除�？梢詫�(shí)現在圖像處理軟件中對建筑物的側面紋理進(jìn)行連接，注意前后順序不要出錯，防止紋理電到或者出現側面紋理的互換等錯誤。
2.4對于較大范圍的異形地面的處理，可以在建模時(shí)將高度不同的建筑物進(jìn)行相應的處理，按照不同的顏色和形狀進(jìn)行分塊粘貼，實(shí)現逼真的景觀(guān)效果。
3、三維地形建模的特點(diǎn)
對于三維地形建模的系統的特點(diǎn)的體會(huì )，是三維實(shí)體建模工具的強大的功能。這種建模工具的三維實(shí)體的建�？梢园凑諏�(shí)際需要進(jìn)行三維模型的生成。一些常用的軟件操作也簡(jiǎn)單，沒(méi)有繁復的參數控制，只需要簡(jiǎn)單的基本圖元就可以快速生成復雜的三維實(shí)體。另外，在交互式編輯方面，測繪三維建模的系統提供了二維和三維編輯功能，這種數據的編輯功能具有AutoCAD的特點(diǎn)，可以完成分層控制和簡(jiǎn)單的操作。直觀(guān)地在三維空間內對物體進(jìn)行操作，視角也靈活。使用鼠標就iu可以任意地旋轉、縮放、平移等等，對空間實(shí)體也能夠完成整體的操控。第三個(gè)特點(diǎn)是三維地形建統可以實(shí)現屬性的管理和查詢(xún)與分析。在三維實(shí)體的編輯和創(chuàng )建方面進(jìn)行信息的管理。
4、工程中三維地形建模方法
4.1TIN和Grid模型。TIN方法是將無(wú)重復點(diǎn)多額散亂數據點(diǎn)進(jìn)行三角剖分，使得各個(gè)不重疊的三角面形成連續的片網(wǎng)。以此描繪三維地形地貌的表面，考慮到采樣密度和分布的不均勻分布，應在內插處理后形成規則的平面分割網(wǎng)絡(luò )，用于地形地貌表面的建模。
4.2邊界表示B-REP模型。通過(guò)定義形體的面、環(huán)、邊、點(diǎn)等進(jìn)行平面曲線(xiàn)或者是空間曲線(xiàn)位置和形狀的建模。
4.3線(xiàn)框模型。利用線(xiàn)框建模的技術(shù)將目標空間輪廓上的采樣點(diǎn)和特征點(diǎn)進(jìn)行直線(xiàn)的連接，形成多邊形的拼接，最終模擬多邊形網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)挖邊界。
4.4序列斷面模型。使用傳統的地形制圖方法進(jìn)行建模，通過(guò)平面圖或者剖面圖建模。
4.5斷面三角網(wǎng)混合模型。通過(guò)不同地形界面形成二維剖面，將斷層礦體或者侵入體的邊界進(jìn)行賦值，得到每條界線(xiàn)的屬性值，然后將相鄰的剖面的屬性上的三角面片的TIN連接，構成具有特定屬性的三維曲面。
4.6多層DEM建模�；诟鱾�(gè)底層的界面按照DEM的方法對各個(gè)底層進(jìn)行插值和擬合，根據底層的屬性對多層DEM數據進(jìn)行交叉劃分，引入地下空間的特殊數據信息，例如建筑物的點(diǎn)線(xiàn)面等，完成三維空間的完整剖分。工程中數據表達包含了數據結構、三維地形地貌建�；A、水利水電工程區域的三維地形數據等。表達三維實(shí)體的數據結構包括了NURBS-TIN-BRep等基于曲面和體元的結構。前者對空間對象的邊界進(jìn)行了表達，后者對空間對象的信息進(jìn)行了對比分析。不僅對水利水電工程的空間對象的邊界、地質(zhì)條件等進(jìn)行了設計，也針對地形地貌環(huán)境的施工進(jìn)行了圍觀(guān)屬性的可視化技術(shù)實(shí)現。經(jīng)過(guò)摸索和研究，對于地形地貌的三維測繪建模的非均勻有理結構，結合三角網(wǎng)不規則邊界的模型結構進(jìn)行了混合數據結構的表達。NURBS技術(shù)是建立在自由曲線(xiàn)曲面的表示方法，也是唯一的表示方法。對圖形和曲線(xiàn)曲面的解析提供了數學(xué)統一描述，針對復雜地形的規律性變化進(jìn)行了NURBS幾何建模�？梢怨澕s存儲空間，簡(jiǎn)單處理計算機，保證空間唯一性和幾何不變性的前提下管理數據庫。TIN的模型精度很高，存儲的空間按大，可以為NURBS三維數字地形提供中間轉換表達方式，這是一種建立在邊界面對實(shí)體進(jìn)行定義的有效的體描述的方法，可以實(shí)現任意定向的.邊界面，也可以組織NURBS去免檢的拓撲關(guān)系，構造出復雜的地形體。形成包括NURBS曲線(xiàn)、曲面、三角形、BREP實(shí)體等在內的多種基本幾何元素的數據結構，不僅有效表達地形對象的幾何形態(tài)，也可以實(shí)現拓撲空間關(guān)系，將相關(guān)的地形屬性信息和幾何對象結合。按照模型精度和數據存儲量進(jìn)行布爾運算，滿(mǎn)足水利水電工程地形地貌三維建模和分析的需要[2]。
5、工程中三維地形建模技術(shù)
使用NURBS進(jìn)行三維數字地形的建模，簡(jiǎn)化為地形地貌形態(tài)中的直接和基本的部分，不僅要對整個(gè)地形地貌模型進(jìn)行運算和操作，還要滿(mǎn)足存儲量小、精度高的圖形操作運算要求，建立起實(shí)用的三維地形模型。根據目前的TIN模型和規則格網(wǎng)進(jìn)行的三維數字地形，數據量小但是精度低的傳統建模方法以及現在的數量較大精度高的建模方法，都無(wú)法真正該滿(mǎn)足實(shí)際需要。需要引入NURBS技術(shù)構建DTM。結合TIN和NURBS-DTM等建模技術(shù)，對于復雜地形進(jìn)行很好地建模。簡(jiǎn)化后的建模方法包括：處理密度過(guò)密或者過(guò)稀的等高線(xiàn)，進(jìn)行加密或者稀疏差值；生成TIN模型，處理GIS環(huán)境中的三維DTM,消除等高線(xiàn)數據或者采集信息缺乏造成的細小和狹長(cháng)的三角形，使得TIN模型的精度變高；對于TIN模型進(jìn)行數據轉換，得到GIS環(huán)境下的NURBS處理系統的mesh數據曲線(xiàn)保證三角形不會(huì )丟失或者變化；獲取NURBS的控制點(diǎn)，按照u或者v的方向進(jìn)行等間距的提取，或者足夠多的分布均勻的輪廓線(xiàn)并進(jìn)行離散化處理；擬合NURBS地形曲面，根據NURBS算法設計出函數，對于地形控制曲面進(jìn)行重新擬合；利用布爾操作運算獲得區域地形輪廓體的模型[3]。
6、結語(yǔ)
水利水電工程三維地形建模方法著(zhù)力于從二維向三維動(dòng)態(tài)轉化的過(guò)程，使用NUBRS、TIN、Brep建構了面向水利水電工程三維建模的混合數據結構，解決了水利水電工程復雜地形信息存儲量大和精度要求高的矛盾，確保了模型解釋真實(shí)情況的功能，快速耦合數據，實(shí)現了模型的及時(shí)更新。
參考文獻：
[1]萬(wàn)云輝,李小帥,錢(qián)富運等.三維勘測設計技術(shù)在水利水電工程中的應用研究[J].長(cháng)江科學(xué)院院報,2015,(7):137-142
[2]張永光,劉豪杰,尹小磊等.點(diǎn)云數據多站拼接在水利工程測繪中的應用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2013,34(3):74-77.
[3]徐銳,康慨,王陸軍等.RIEGLVZ-4000三維激光掃描儀在水利水電工程地形測繪中的應用[J].地礦測繪,2015,31(1):38-40.
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