渤海海峽跨海通道地形三維可視化建模技術與實現

宋克志， 王夢恕， 譚忠盛， 侯洪超， 劉桂賓

(1. 魯東大學土木工程學院， 山東 煙臺　264025；

2. 北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京　100044)

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渤海海峽跨海通道地形三維可視化建模技術與實現

宋克志1， 王夢恕2， 譚忠盛2， 侯洪超1， 劉桂賓1

(1. 魯東大學土木工程學院， 山東 煙臺264025；

2. 北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京100044)

摘要：為給渤海海峽跨海通道規劃與建設提供可視化的三維地形模型，分析渤海海峽跨海通道的線位規劃，確定跨海通道沿線地形建模范圍。采用ASTER GDEM數據作為渤海海峽地形數據源，并將其轉換成DED格式的數據，以適合MultiGen Creator建模；隨后分析Creator中OpenFlight數據結構、LOD技術和Delaunay三角形面構建方法等關鍵技術；最后，對渤海海峽跨海通道三維地形模型系統進行總體結構設計及建模流程設計，成功構建了視覺效果較好的三維地形，給出了沿線部分地形的可視化模型，為渤海海峽跨海通道規劃奠定了良好的基礎。

關鍵詞：渤海海峽； 跨海通道； 三維地形； 可視化建模

0引言

地形可視化問題最初是根據地理信息系統的三維可視化需求提出的。近年來，隨著工程領域與地學領域的交叉及計算機可視化技術的發展，使大規模地形的三維可視化成為可能，其應用領域已不局限于地理信息系統，而且在工程建設仿真、視景仿真等領域中也得到了廣泛的應用[1-2]。渤海海峽跨海通道是當前乃至今后幾十年我國沿海地區經濟和社會發展的一項重大研究課題。渤海海峽跨海通道的修建不僅具有重大的交通意義、經濟開發意義和對外開放意義，而且在政治、軍事和國防等方面都具有重要的戰略地位[3-4]?？绾Ｍǖ赖男藿ú粌H要考慮方案選型及工程技術，而且要充分考慮復雜的地形、地貌及周邊環境的影響。開展渤海海峽跨海通道沿線三維地形建模研究，對通道選線、工程布局、登陸點選擇及兩端接線等工程規劃問題都具有重要的作用和意義。

關于大規模地形可視化建模，文獻[3]介紹了多分辨率LOD地形建模的相關理論和技術，提出了基于層次細節簡化和分形的真實感地形生成方法；文獻[4]利用LOD細節分層思想提出了一種地形 TIN模型，解決了不同分辨率TIN模型間的連續過渡問題，以及分塊TIN模型的創建問題；文獻[5]基于MultiGen Creator構建了大規模虛擬地形模型，并對模型進行了優化，以減少內存占用量，提高模型運行速度；文獻[6]分析了數字地面模型的表示以及構建 Delaunay三角網的3種典型算法，研究了大規模三維帶狀地形簡化技術，并運用 Creator/Vega 與Open GL相結合的工程技術方案進行了帶狀地形建模；文獻[7] 基于Creator仿真建模平臺，設計了海底隧道模型數據庫的樹狀結構，創建了海底鐵路隧道、公路隧道及懸浮隧道等不同跨海通道形式的可視化模型，使工程各部位的基本信息及空間上的邏輯關系得到較好的體現。這些研究為渤海海峽跨海通道地形可視化建模算法提供了理論基礎，技術上也具有較好的借鑒意義，但針對渤海海峽跨海通道地形三維建模，目前未見有關報道。

本文以地形相關建模理論為基礎，基于MultiGen Creator平臺，對渤海海峽跨海通道沿線地形進行可視化三維建模，以期為工程決策與規劃起到推動和指導作用。

1渤海海峽跨海通道線位規劃

渤海海峽跨海通道就是利用我國渤海海峽的有利地形，建設固定式的橋隧工程，北接遼東半島的旅順，南連山東半島的蓬萊，將渤海的“C”形缺口加以連通，變成“D”形交通，化天塹為通途，進而形成縱貫黑龍江到海南11個省、自治區和直轄市，全長5 700 km的中國東部沿海鐵路交通大動脈，具有重要的戰略意義。渤海海峽沿線有32個島嶼，從北向南主要有北隍城島、南隍城島、小欽島、大欽島、砣磯島、猴磯島、大黑山島、小黑山島、北長山島、南長山島等。沿線水道有14條，其中登州水道7 km，老鐵山水道42 km。近年來，對渤海海峽跨海通道進行了戰略規劃研究[8-10]，形成了對跨海通道連島工程的6條平面線位，如圖1所示。經過綜合比選研究，推薦線位2為較優方案，本文對渤海海峽跨海通道沿線的地形進行三維可視化建模即基于這條推薦線位展開。

圖1　渤海海峽跨海通道線位方案

2渤海海峽跨海通道三維地形模型需求及數據分析

2.1模型需求分析

三維地形模型包括數據獲取與預處理、數據轉換、地形模型構建、地形模型轉換、地形紋理構建和基本地物建模等部分。

渤海海峽跨海通道沿線地形模型形狀復雜、數據量大，不可能采用人工建模，需采用地形自動建模方式。目前，用于進行三維地形建模的開發軟件有很多，所需源數據格式因開發環境的不同而異。MultiGen Creator是杰出的實時三維仿真建模工具，可以在滿足實時性的前提下，生成面向仿真的、逼真度高的大面積地形。ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)數據的預處理可采用Global Mapper軟件，數據格式轉換及地形模型構建采用MultiGen Creator軟件。在MultiGen Creator中進行三維地形模型的生成算法及投影、紋理、層次細節等設置，將渤海海峽三維地形模型進行集成，并生成OpenFlight格式的模型數據文件。

2.2三維地形模型數據采集

目前，建立DEM的方法有多種，按照數據源及采集方式來分，有直接地面測量、航空或航天攝影測量及現有地形圖采集。本文采用的ASTER GDEM即先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型，是由美國NASA(宇航局)與日本METI(經貿及工業部)合作并由兩國的科學界、工業界積極參與制作完成的，可供全球免費使用，其全球空間分辨率為1 rad/s，垂直精度約20 m，水平精度約30 m。ASTER GDEM每個文件記錄1經度×1緯度網格范圍內的數據，用1個3 601×3 601像素的.tiff格式圖片來記錄地形信息。渤海海峽的地理范圍在N37°～N39°、E120°～E122°，因此，選取2經度×2緯度網格范圍內的4個地形數據文件為研究對象，如圖2所示。

圖2　渤海海峽地形數據經緯網格

Fig. 2Longitude and latitude grids of Bohai Strait terrain data resources

2.3地形數據格式及轉換

MultiGen Creator專用的數字高程數據為DED格式文件(Digital Elevation Data)[11-12]，獲取的ASTER GDEM(.tiff格式)地形數據文件不能直接使用，必須先將GDEM地形數據文件轉換成MultiGen Creator支持的USGS DEM(U.S.Geological Survey Digital Elevation Models)格式或者DTED 專用格式，轉換由Global Mapper完成；然后，在Creator中將USGS DEM數據轉換成DED格式數據。

3基于Creator的地形建模關鍵技術

3.1OpenFlight數據結構

OpenFlight格式的模型數據庫[13]是Multigen Creator的根基，它是一種樹狀層次化結構。對于復雜的系統模型，它能把空間上各個獨立模型元素之間的相對位置、相互關系和層次結構以及模型單元的屬性和性質加以清楚地表達。OpenFlight模型數據庫主要包括模型的幾何特征(Geometry)、層次結構(Hierachy)及各種節點屬性(Attributes)3類信息，利用它可以方便地按照層次組織模型的幾何特性和屬性，并將其轉換為節點形式，便于編輯和移動，非常適合對實時系統進行遍歷操作，如圖3所示。

3.2地形模型構建算法

3.2.1利用DED文件構建地形

在Creator中，地形是一系列多邊形數據集合，Creator將其存儲為DED數字高程格式。將數字高程原始數據轉換成DED后，Creator是采用標桿(Elevation Posts)來重新構建地形的，通常標桿間隔是原始數據網格的間隔，標竿頂點即為多邊形頂點，如圖4所示。該數據集由胞單元(Cell)組成，而每一個胞單元在Y方向(緯度方向)由若干個標竿劃分，由于X方向(經度方向)要保證收斂，Creator會根據Y方向的標竿數自動確定X方向的標竿數，以保證標竿間距的連續性，從而生成過渡平滑的地形表面。

圖3　OpenFlight模型數據層次結構

圖4　地形構建的標桿

3.2.2地形模型的Delaunay三角網及其轉換算法

不規則三角網TIN (Triangulated Irregular Networks)[5]是通過從不規則分布的數據點生成的連續三角面來逼近地形表面。渤海海峽跨海通道地形建模，即采用Delaunay三角剖分[14-15]構建數字地形結構模型。Delaunay轉換算法主要用于使用 Z-buffering進行遮擋計算的實時系統，所產生的地形數據庫完全是由三角形組成。使用Delaunay算法時，數字高程數據中的每個高程點都會被采樣，從最低的LOD地形模型生成，較低的 LOD 模型中的多邊形頂點被合并到較高的 LOD 地形模型中，實現了不同 LOD 地形之間的平滑過渡。Delaunay三角網的每個高一級LOD由低一級LOD的4個組來表示。采用 3 級 LOD 和 Delaunay 算法進行轉換的結果如圖5所示。

(a) 頂級

(b) 1級

4渤海海峽跨海通道地形可視化建模

根據上述分析，對渤海海峽跨海通道三維地形模型系統的總體結構及建模流程進行設計，如圖6所示。地形可視化建模的部分結果如圖7和圖8所示。

渤海海峽沿線總體地形模型經緯度范圍取自N37°45′00″～N38°48′45″及E120°33′45″～ E121°15′00″，USGS DEM Level 1格式數據以1經度×1緯度描述地形起伏，網格數量為3 601×3 601。采用Delaunay算法生成地形三角形面，緯度和經度方向標桿(Posts)尺寸皆取1，緯度和經度方向標桿數量為3 826×2 476，設置2級LOD細節模型，共生成高級LOD的三角形面302 940 000個。

5結論與體會

1)基于MultiGen Creator建模平臺，運用大規模地形建模理論，設計了渤海海峽跨海通道三維地形的建模流程及模型結構，構建了渤海海峽跨海通道地形的OpenFlight數據結構，實現了渤海海峽跨海通道沿線地形的三維可視化模型。

圖6　渤海海峽跨海通道三維地形模型結構及建模流程

圖7　渤海海峽跨海通道沿線地形總體建模效果

圖8　北隍城島和南隍城島地形模型及其之間的懸索橋模型

2)通過OpenFlight數據結構，渤海海峽跨海通道沿線地形空間上各個獨立模型元素之間的相對位置、相互關系、層次結構以及模型單元的屬性和性質得以清楚、直觀地表達。

3)ASTER GDEM數據具有免費、獲取容易、精度高等特點，作為渤海海峽跨海通道地形建模數據來源，具有較好的可行性。

4)本文推動了渤海海峽跨海通道工程向可視化、數字化方向發展，使得用戶和決策者對工程建設場地有直觀、形象地感受，對跨海通道工程決策和方案選擇具有一定的指導作用。

6致謝

本文地形原始數據來自http: //gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/網站，特此感謝。

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3D Terrain Visualized Modeling Technologies for Bohai Strait-crossing Tunnel

SONG Kezhi1, WANG Mengshu2, TAN Zhongsheng2, HOU Hongchao1, LIU Guibin1

(1.CollegeofCivilEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,Shandong,China; 2.TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofMinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:A visualized 3D terrain model of Bohai Strait-crossing tunnel is established, so as to analyze the alignment arrangement of the tunnel and to decide the modeling scope of the tunnel. The ASTER GDEM data are adopted as the resources for Bohai strait terrain; and then they are turned into DED mode. The technologies, OpenFlight data structure, LOD technology and modeling method of Delaunay triangle surface, are analyzed. The structural design and modeling sequence design of 3D terrain modeling system are made. Finally, the 3D terrain with good effect is established and the visualized model of local terrain of the tunnel alignment is established, so as to provide foundation for the planning of Bohai Strait-crossing tunnel.

Keywords:Bohai Strait; sea-crossing tunnel; 3D terrain; visualized modeling

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0137-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.003

作者簡介：第一 宋克志(1970—)，男，山東魚臺人，2005年畢業于北京交通大學，橋梁與隧道工程專業，博士后，教授,主要從事隧道及地下工程方面的教學與研究工作。E-mail: ytytskz@126.com。

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2012EEL27); 國家自然科學基金資助項目(51278237)

收稿日期：2015-10-13; 修回日期: 2015-11-04