堤防工程的三維建模與可視化

2016-05-06 05:28:05江文萍吳兆良

測繪通報 2016年3期

劉　蕾，江文萍，鄒　富，吳兆良

(1. 武漢大學，湖北武漢 430079； 2. 重慶市國土資源與房屋勘測規劃院，重慶 400020；

3. 南四湖水利管理局，山東濟寧 272000)

堤防工程的三維建模與可視化

劉蕾1，江文萍1，鄒富2，吳兆良3

(1. 武漢大學，湖北武漢 430079； 2. 重慶市國土資源與房屋勘測規劃院，重慶 400020；

3. 南四湖水利管理局，山東濟寧 272000)

3D Modeling and Visualization Technology of Dike Project

LIU Lei，JIANG Wenping，ZOU Fu，WU Zhaoliang

摘要：針對堤防工程不同于其他三維場景的特點來研究其三維建模與可視化方法。首先介紹堤防工程場景中主要建筑物的構成與特點，然后詳細闡述地形和這些建筑物的三維建模方法，并討論了模型間的組織與整合策略及場景可視化的流程。堤防工程三維可視化場景的建立為管理者提供了真實的目標和研究對象，可以直觀了解每處工程的作用及各類工程之間的聯系，從而作出及時正確的判斷和決策。

關鍵詞：堤防工程；三維建模；場景組織；三維可視化

堤防工程是國民經濟和社會發展的重要基礎設施，也是防洪的屏障，堤岸的安全與否直接關系到保護區內百姓的生命財產安全和經濟建設。近年來，GIS技術被大量應用于水利行業，尤其是三維仿真技術與GIS結合后應用于堤防管理，搭建出具有豐富GIS功能的三維可視化仿真平臺，不僅能夠再現復雜場景，給用戶逼真的感受和對全局信息的把握，同時支持分析、量算等功能，為各種應用提供方便的指導，大大促進了堤防工程管理的信息化與現代化。

如今水利工程三維可視化的研究大多從三維場景構建與組織、系統的設計與實現等方面展開。在場景構建與組織方面，鐘登華等[1-3]詳細闡述了水利工程場景地形與地物模型的建立及整合方法；萬剛[4]探討了在模型構建過程中涉及的幾何形態建模與紋理映射建模技術并討論了模型間的匹配策略。在系統的設計與實現方面，鐘登華等[5]提出了一個面向水利工程的三維可視化仿真系統框架，并首先在引水工程施工可視化方面進行了實踐；隨后僧德文等[6-8]對三維可視化仿真中涉及的關鍵技術和難點進行了分析和研究并給出了相應的解決方法，展示了三維可視化技術在水利工程中的應用前景。目前水利工程三維可視化的研究已取得了一定的成果，但整體上仍處于探索階段[9]。

本文圍繞河流堤防工程三維可視化場景構建，對堤防工程的三維建模、三維顯示與場景可視化等技術進行研究，并應用于南四湖生態堤岸工程三維可視化仿真管理系統的構建，旨在為堤防工程的信息化管理工作提供研究基礎和技術支撐。

一、堤防工程要素構成

堤防工程是一個復雜的工程，不僅僅包括堤防堤身，而且還包括堤岸、穿堤跨堤建筑物、水文水位站、排灌站等，它們既是獨立的工程對象和地理對象，同時又是堤防工程完整系統中的一部分。堤防工程場景要素結構如圖1所示。

圖1　堤防工程場景要素結構

1. 堤防

堤防是沿河流、湖泊、海岸，排灌渠道或蓄滯洪區、水庫庫區周邊修筑的擋水建筑物，一般而言其橫截面為梯形，呈帶狀分布。堤防橫截面如圖2所示。

2. 穿堤跨堤建筑物

穿堤建筑物屬于堤防的一部分，也承擔著擋洪作用，數量較多的是穿堤涵閘。水閘是用以擋水，控制過閘流量，調節閘上、下游水位的低水頭水工建筑物，由上游連接段、閘室段和下游連接段3部分組成，如圖3所示。涵洞是橫穿路基的小型泄水構筑物，主要由洞身、基礎、端和冀墻等組成。涵洞可以迅速排除堤防沿線的地表水，保證堤防路基安全。有的涵洞還是一種洞穴式水利設施，有閘門以調節水量，如圖4所示。

圖2　堤防斷面與各部分構成1—堤頂；2—迎水坡；3—背水坡；4—迎水堤肩；5—背水堤肩；6—迎水堤腳；7—背水堤腳；8—浸潤線；9—戧臺；10—護堤地；11—工程保護范圍

圖3　水閘

圖4　涵洞

3. 水文水位站

水文站是指觀測及搜集河流、湖泊、水庫等水體的水文、氣象資料的基層水文機構，如圖5、圖6所示。

圖5　水文站

圖6　水位站

在堤防工程三維場景中，不可能詳細描述每種要素的每個細節，需要根據要素在場景中的作用大小，選擇不同層次的模型來表現，這樣既可以提高模型的構建效率，同時能達到理想的表現效果。堤防、水閘、涵洞等工程設施是場景中最重要的要素，應視為精細模型構建。防汛交通橋、生產橋等次要工程模型應視為較精細模型來構建。而房屋、樹木等其他地面模型只需用簡單模型表現出其象征意義即可。

二、建模與場景可視化

1. 模型構建

對于大規模的堤防工程場景而言，采取單一的建模技術不可能對整個場景進行完善的描述，需要對不同要素選取有針對性的建模方法，或采用幾種建模方法的結合來建立相應的三維模型。

(1) 地形模型

根據真實測量數據采用過程式建模是普遍采用的地形構建方法。該方法將水利工程地形圖中提取的等高線、水深點數據作為基礎數據，利用GIS工具生成不規則三角網。然后根據地形特征邊界線，刪除河流、湖泊、魚塘等范圍內的三角網，留下島嶼、湖濱帶、陸地在內的表示地形特征要素的區域。再對這些區域的三角網進一步編輯，如適當的內插細化，消除數據缺失造成的狹長三角形等，最后經過紋理貼圖、光照等加工處理，表現出不同的地貌形態。

在堤防工程三維場景中，有些要素(蘆葦、苗圃、公路等)的建模與地形息息相關，可以通過對地形的修改來實現。提取這些要素的邊界線對地形三角網進行切割，將其與地形分離后分別進行處理與表達。如公路要素可通過提取公路邊界線，與地形三角網對齊，然后對三角網進行切割、分離、擠出、貼圖等來表現。

通常情況下，堤防工程場景范圍較大，生成的地形三角網數量也很大，為了提高系統數據的讀取效率及方便對地形進行編輯，可將整個地形三角網分塊進行編輯，然后再導入系統顯示。

(2) 地物模型

堤防工程三維仿真場景中的地物主要包括堤防、河閘、橋梁、涵洞等。

① 堤防

堤防是一條具有規則橫截面的帶狀地物模型，一般采用幾何形態建模方法進行構建。由于入湖河流眾多，堤防線長，每段堤防的堤頂高程與堤頂寬度都有不同，需要分段進行構建。在實際建模時，堤防可以看作是橫截面沿著指定路徑生長得到的模型，再對其進行進一步的編輯，如賦予材質、轉角圓滑等，最后得到大堤模型。

② 涵閘、水文水位站等地物實體模型

單獨的建筑物有河閘、橋梁、涵洞等，這些都屬于較復雜的三維實體，但均可分解為形態相對規則的單元體，如長方體、圓柱體等，再采用幾何建模技術進行模型構建。目前市場上有很多專業的三維設計軟件，如AutoCAD、3ds Max、Maya、Creator、Sketch up等，都提供了靈活的建模工具來構建三維模型，以及方便快捷的各種參數的設置，使模型以一定的比例、角度在空間場景中定位。輔以紋理映射建模技術將處理過的透明貼圖貼在建筑物表面，即實現地物實體模型的三維構建，如圖7所示。

圖7　地物模型可視化過程

(3) 地面附屬物模型

地面附屬物普遍利用簡單的面片通過鏤空的透明貼圖來表現其立體效果，常用方法有十字面片法、廣告牌法和三維實體法。十字面片法是通過制作兩個相互垂直的面片，然后均貼上Photoshop處理過的透明植物貼圖；廣告牌法是對一個平行視口的單面進行透明貼圖；三維實體法則是對一定的骨架模型貼圖表示。3種構建方法效果圖對比如圖8所示。

十字面片法模型數據量小，立體感強，但當視點移動到模型頂部或一定高度時則表現出嚴重的失真。廣告牌法創造的面片由于其始終正對視點，效果逼真，但需要場景變換時不斷計算模型與視點的位置關系，增加了計算機CPU運算負擔。三維實體法模型真實度較高，但同時數據量大，對計算機的顯示與渲染有很大的挑戰。因此，通常選擇十字面片法、廣告牌法來表現地面附屬物。

圖8　3種構建方法及效果圖對比

2. 場景集成

每個模型并不是單獨的在場景中起作用，而是與其他模型協同作用共同構成三維場景，因此需要將地形模型與地面模型根據模型之間的語義關系來進行組織與整合，以構建仿真于現實的堤防工程三維場景。模型的語義關系是指各個模型之間的組合與聚合關系，可以根據影像圖來基本確定。

由于地形模型是所有地面模型的載體，因此不用進行組織，而是根據模型語義分析將堤防、水工建筑物、地面附屬物等模型放置于合理位置的地形上。在現實世界中，堤防與地形是聚合關系，但由于其模型是不同于地形模型單獨構建的，在計算機表達上則轉換為組合關系，即將大堤轉換為位于地形之上的地物模型。

水閘、涵洞與大堤是組合關系，在進行場景的組織時，可以將模型分為地上與地下部分考慮。水閘模型位于河流的入口，地面部分基準面需與大堤的堤頂高度相平，地下部分則插入水中起到控制水流的作用。涵洞的地上為水閘控制辦公室，位于大堤的斜坡面，地下部分是水閘，控制涵洞的水的出入。其他地面附屬物包括花草樹木、路燈等，只是簡單地與地形或堤防形成組合關系，場景組織時可以將這些模型作為簡單實體對象進行批量處理。

對于水面與地形而言，要形成陸地，必須水面低于地形，被水面覆蓋區域則形成湖泊、河流等水體結構。將地形中與水體語義相關的三角網切割刪除，向下拉伸并移動邊界頂點，形成河流、湖泊、溝渠等的岸坡模型，再將剩余地形與整個水面疊加就可以表現出逼真合理的水陸交替效果。堤防工程三維場景模型語義組織如圖9所示。

圖9　堤防工程三維場景模型語義組織

堤防三維場景中有一些具有相似功能條件的區域，如成片的居民區、道路網、水生養殖區、經濟作物種植區等，可以對其分類后進行統一的規劃與管理。對每個功能區進行單獨編輯，通過三角網的合并形成一個完整的整體，能夠減少場景數據量，表現出優良的整體效果。

3. 場景可視化

堤防工程的三維可視化過程是將復雜的地學信息轉換為直觀的三維圖形圖像，以深刻地描述場景中各種現象的發生、發展和相互之間關系的過程。具體的可視化過程如圖10所示。

圖10　三維可視化流程

(1) 數據采集與處理

數據采集是三維可視化的基礎，堤防工程的數據主要包括地形測量數據、工程信息、文本信息、CAD數據、遙感圖像信息、攝影測量信息、地圖數字化信息等。空間數據的處理包括坐標變換、數據內插、圖形編輯、數據壓縮等。

(2) 模型構建與簡化

數據的存儲與處理完成后，需要對堤防工程場景涉及的模型分別構建。對于不需要精細構建的地物如房屋，可以在盡量不影響模型外觀的前提下對其進行精簡。模型簡化的工作可以在構建的過程中進行，如減少基礎模型的分段數、刪除不可見多邊形，也可以在構建完成后使用3ds Max中的Polygon Cruncher插件進行簡化。

(3) 模型整合與匹配

各工程實體空間關系復雜，因而需要進行模型間的整合與匹配。根據模型之間的語義關系，通過構造三維場景的模型樹以實現模型的管理與組織。

(4) 場景優化

真實感與運行速度是衡量場景實時可視化效果的兩個重要指標[10]，需要基于這兩個標準進行場景優化。通過紋理映射、光照處理、顏色設置、消隱等工作，使三維模型更加逼真以滿足更高層次的視覺要求。同時充分利用實例化技術、模型分割等技術在不影響場景仿真效果的同時大幅提高系統的運行速度。

(5) 系統集成

將堤防工程信息化管理原型系統與三維仿真系統集成融合，建立堤防工程三維可視化管理系統。同時，實現任意角度旋轉、局部縮放、虛擬漫游、二三維聯動等人機交互功能，以及各類地學查詢、統計與空間分析功能。

三、應用

本文針對南四湖堤防工程進行三維可視化研究。南四湖位于山東省濟寧市南部，是我國第6大淡水湖，地勢特殊、支流眾多，夏季特別容易發生洪災。因此，對南四湖湖東地區堤防工程的良好管理非常重要。以湖東大堤為主的湖濱帶及陸地為試驗對象，采用各種三維建模技術與可視化技術構建了具有強烈真實感并可以快速顯示與交互的三維可視化信息系統。三維場景效果如圖11、圖12所示。

四、結束語

本文圍繞堤防工程三維場景的構建，詳細闡述了要素模型構建方法、場景組織原則及可視化流程，并以南四湖湖東大堤為例，實現了復雜堤防工程三維可視化信息系統的構建，方便了管理者全面、真實、快速地掌握管理及運行情況，也為其他水利工程管理系統的建設提供了參考。