土地整治規劃設計三維建模方法的比較

張桀滈++李江風

摘要：當前土地整治規劃設計停留在二維基礎上，缺乏立體、多角度、全方位的展示，存在主觀性強、工作效率低、公眾參與度弱等缺陷，最終導致規劃設計質量不高、實施效果欠佳。而在三維環境下，規劃設計可充分利用地理信息系統技術，使大量屬性數據在三維場景中直觀地反映出來，以輔助規劃設計決策。目前，國土資源管理部門組織實施了一些研究項目來針對該領域進行探索，國內學者也應用不同的建模方法對土地整治三維規劃設計進行探索。該研究分析了土地整治項目的特點，明確了土地整治項目對三維模型的特殊需求，逐個分析了幾種主流建模方法的優缺點，總結出每種方法對于土地整治三維建模的適用性，最后提出了可供選擇的方案與建議。

關鍵詞：土地整治規劃設計；三維建模；建模方法；地理信息系統

中圖分類號：TU981.2+2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0957-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.043

Analysis and Comparison of 3D Modeling Methods Used in Land Consolidation Planning and Design

ZHANG Jie-hao， LI Jiang-feng

（School of Public Administration， China University of Geosciences（Wuhan）， Wuhan 430074， China）

Abstract： Currently， land consolidation planning and design are based on 2D circumstances with the disadvantages of strong subjective， low efficiency and low public participation， which eventually lead to low quality and poor effect. In the circumstances of 3D， geographic information system technology can be fully used； and lots of attribute data can be shown directly in 3D scenes， which can assist the planning and design. Ministry of Land and Resources and the land management departments of many provinces have organized and implemented some research subjects in the research field. And the domestic researchers have tried land consolidation planning and design in 3D circumstances by many different modeling methods. The research analyze the features of land consolidation project， and find out the specific requirements of 3D models， then analyze the advantages and disadvantages of several different modeling methods， and summarize the applicability of each method to land consolidation project. Finally， suggestions about several solutions of land consolidation 3D modeling were proposed.

Key words： land consolidation planning and design； 3D modeling； modeling method； geographic information system

土地整治三維規劃設計是指基于三維地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺、充分利用各項GIS功能輔助規劃設計、在三維場景下完成土地整治規劃設計的各項工作、形成土地整治規劃設計三維成果的過程。基于計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）的二維土地整治規劃設計是當前應用的主流，所得到的成果主要是在CAD平臺上制作的二維圖件。CAD平臺在制圖方面有很大的優勢，可把各種要素以線實體的形式表達出來，要素屬性以圖層的形式儲存，這種方式簡單便捷，大大提高了繪圖的快捷程度。但是與此同時，CAD平臺功能的簡單化難以滿足土地整治規劃設計更多的需求，缺乏足夠的空間分析功能，規劃設計人員往往需要借助除地圖以外的各種數據和資料來進行規劃工作，然后將這些數據、資料和實地情況在大腦中進行匹配、抽象，做出規劃決策，這會在一定程度上帶入規劃設計人員的主觀判斷，影響規劃設計的科學性與合理性。另外，規劃設計成果由于缺乏直觀性，使得非專業人士不能很好地理解規劃設計理念，影響公眾參與程度。

在三維環境下，GIS技術使得大量在屬性中保存的數據可以在三維可視化模型中直接反映出來，如溝渠寬度、深度等可以在模型上直接看到，不僅可以構建一個三維場景，而且三維地形還能輔助進行土地平整工程、土地整治要素規劃、土方量計算等。可提高土地整治工作的效率，因而較之二維環境有很大的優勢。同時，使用三維可視化技術可以直觀地看到各種不同單體設施工程，通過一定的瀏覽工具，直觀地觀察土地整治項目區域，從而輔助規劃決策，使得土地管理部門決策人員、當地群眾以及相關輔助設計人員更容易地參與規劃設計。已有學者在三維環境下應用利用GIS技術進行土地整治規劃或工程設計研究，如胡秀麗[1]應用Maplnfo平臺進行二次開發，設計與實現了土地整理規劃設計系統，并將該系統通過某樣區的整理規劃設計工作來檢驗其性能，完成的系統是一個二維平面土地整治規劃設計輔助系統。唐祥云等[2]對數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）在農地整理規劃設計中應用的理論進行了比較，利用現有的GIS軟件、數字測圖軟件，對DEM在農地整理中的排水渠道規劃設計應用做了嘗試，重點介紹了基于地形表面流水分析提取溝谷線、山脊線的算法，并以此進行排水渠道規劃設計。賈明超等[3]通過建立空間數據庫和數字表面模型，探索了可視化技術在土地整治設計中的應用；陳家贏[4]將GIS和虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術結合，建立了土地整治規劃后的虛擬場景；石若明等[5]嘗試采用面向對象的方法來表達土地整治設計，通過編寫規劃規則組成規則庫與土地整治規劃三維要素表達模型相關聯，并利用規則在三維場景下指導土地整治智能輔助規劃。“十一五”期間，國土資源部就已組織實施過一項關于《土地整治關鍵技術集成與應用》的項目，其中的專題四《土地整理實施信息化管理技術研究》中的一項重要內容就是基于三維地形的土地整治項目智能化規劃設計技術研究，主要研究三維地形快速構建方法、土地整治的各大工程模型的建立與布置等。

2015年，在貴州省貴定縣水田開發項目中，規劃設計單位通過利用無人機獲取的影像數據，并結合相關數據快速建立了三維立體模型，以求實現三維化的規劃設計。河北省土地整理服務中心運用Skyline三維軟件平臺，結合土地整治規劃設計要求，開發了河北省土地整治項目三維設計系統，以提高土地整治規劃設計效率，保證設計精準度。目前，有多種三維建模方法用于土地整治規劃設計，但各種方法均有其自身的優越性和局限性。課題組基于對土地整治規劃設計工作特點的分析，深入分析不同建模方法對土地整治規劃設計的適用性，以求找到最優的土地整治三維規劃設計實現路徑。

1 土地整治三維建模技術需求分析

現在三維數字城市建設已在全國如火如荼地開展，這是由于三維數字城市的三維建模技術趨于成熟；而土地整治三維規劃設計尚處于探索階段，并未能總結出一種最適宜土地整治的建模方法。所以，諸多學者更傾向于從三維數字城市技術中進行借鑒，將三維數字城市的建模方法應用于土地整治三維建模。但是，土地整治項目對于三維模型的需求與三維數字城市應用有很大的區別，這就導致很多從三維數字城市照搬過來的方法構建的模型不能滿足土地整治規劃設計的需求。這是因為三維城市建設主要追求的是三維模型的美觀性、高逼真度、多細節層次等特性，這些特性大多都停留在三維可視化層面；而土地整治項目卻有很大的不同，相對于三維數字城市建模，土地整治項目三維建模的特點主要體現在以下幾個方面。

1.1 土地整治項目三維模型精度要求較高

土地整治三維模型包括地形模型和要素模型，精度類型包括平面精度、高程精度、紋理精度、表現精度。與三維數字城市不同，土地整治的三維模型不需要追求較高的逼真度和美觀性，而對于模型的精確性有較高要求。土地整治三維模型不僅要實現三維可視化，更要通過三維的各種優勢，實現各種地形分析提取功能，例如土方量計算、山脊（溝谷）線提取、水文水力分析等，要保證這些功能的應用，地形模型必須有很高的平面精度和高程精度。而要素模型涉及到多種結構復雜的單體工程，如溝渠、橋梁、涵洞、水閘，這些單體工程的設計若在三維場景下進行，就需要三維模型具有很高的表現精度，以滿足指導工程實施的需要。倘若模型誤差較大，則必然會影響后期工程施工的實施。

1.2 土地整治項目三維建模效率要求較高

土地整治規劃設計從二維到三維的轉變，毋庸置疑需要增加規劃設計成本與規劃設計人員的工作量，若增加的成本或工作量超過了一定限度，勢必使土地整治三維規劃設計的推廣應用產生障礙。因此，如何把成本和工作量的增加控制在一定限度內，是需要解決的重要問題。這就要求三維建模方法有明顯的高效性、便捷性與經濟性。

1.3 構建的土地整治項目三維模型能用于空間分析

三維場景的生成應在GIS平臺上實現，便于空間分析功能的整合與應用。只有與GIS系統相結合，充分應用GIS分析功能，土地整治項目三維模型才能擺脫“中看不中用”的狀況，真正實現利用三維模型輔助規劃設計土地整治項目。

1.4 選擇建模方式應注意的問題

根據以上對土地整治模型需求特點的分析，在進行土地整治三維規劃建模方式的選擇時，除了要綜合考慮技術、成本等因素外，還要考慮行業發展的實際情況。在選擇時應考慮以下幾個問題。

1.4.1 從實際出發選擇建模方法 土地整治三維規劃設計現在尚停留在理論研究階段，在具體的土地整治項目中應用尚存在不小的差距。所以當前更需要的是技術成熟的、經濟可行的、方便眾多土地整治行業從業人員使用的建模方法。

1.4.2 注意精度要求 建模精度不高的方法若應用在土地整治規劃設計中，只能在模型精度要求不高的部分（如房屋、道路、田塊等）應用；對于有較高精度要求的部分（如橋、涵、渠、閘等）則需要選擇更高精度的建模方法。

1.4.3 注意模型的實用性 應用的模型保證可進行屬性管理、空間查詢與分析比較，避免“中看不中用”的情況發生。

1.4.4 具有推廣的可能性 從經濟上考量，選擇的建模方法成本須在可接受的范圍內，若相比傳統規劃設計方式增加費用過多，則該技術將難以推廣。

鑒于以上分析，下面將對地形和要素建模的各種方法進行分析，比較各自的優越性和局限性。

2 地形模型的構建方法

土地整治三維規劃設計所使用的地形模型一般是指以DEM為實體和遙感數字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）為紋理融合后獲得的，在這里討論的地形模型構建方法主要是指DEM數據的獲取方法。目前，DEM數據獲取的方法主要有野外實地測量、航空攝影測量、機載激光掃描（Light Laser Detection and Ranging，LIDAR）等。

野外實地測量是土地整治項目中地形數據獲取的傳統方法，由于其自身的局限性較大，費工費時，一般只在測量面積不大、地形狀況不太復雜的情況下使用，并不適合地形建模。航空攝影測量一般采用野外測繪獲取部分控制點，其他點用航空攝影測量的空三加密方法進行，也是目前最常用的方法[6]，現在基于無人機平臺的航空攝影測量技術正受到國土管理部門的重視，其具有靈活機動、高精度以及能在復雜地形完成遙測的特點。LIDAR技術是對傳統攝影測量技術在高程數據獲取及自動化快速處理方面的重要補充，它通過激光雷達傳感器發射的激光脈沖經地面反射后被LIDAR系統接收，能直接獲取高精度三維地表地形數據。從模型精度方面比較，LIDAR誤差的影響因素多，一般來說，在大于1 000 m的高度精度較高，高程精度比平面精度高出2～5倍。航空攝影測量在400～1 000 m的高度精度較高，平面精度比高程精度高50%。從建模效率方面比較，生成數字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）或數字表面模型（Digital Surface Model，DSM）屬LIDAR快得多。同時，LIDAR的經濟成本僅為航空攝影測量的25%～33%[7]。另外，根據行業現狀，航空攝影測量技術已經較為成熟，目前有大量單位具有應用這項技術的能力；而LIDAR在全國范圍內能夠掌握這項技術的單位很少。綜上所述，基于無人機平臺的航空攝影測量技術是土地整治項目中地形數據獲取及三維地形模型構建的最適宜方法。

3 三維要素模型的構建方法

土地整治三維要素模型建模方法是本研究討論的重點。三維要素建模是將真實世界或者規劃設計的對象物體在相應的三維虛擬世界中重構，并根據系統需求保存部分物理屬性；該建模包括實體建模和紋理建模。由于土地整治三維建模是一項復雜的工程，受技術和成本等各種因素的影響較大，因此借鑒國內外三維建模的研究成果，特別是城市三維建模的相關技術是本研究的出發點，可采用的方法主要有4種，分別是手工建模、參數化建模、航空攝影測量建模以及機載激光掃描建模。

3.1 手工建模

手工建模基于3Ds Max、Maya以及AutoCAD等當前主流建模軟件，其利用球體、棱錐、立方體等基本幾何元素組合成實體，并經過拉伸、旋轉、平移等幾何變換構建幾何場景，整個建模過程是建模人員手工在計算機上操作完成的。手工建模的特點是模型精細美觀，可滿足對精細程度的要求；技術實現難度不高，建模技術非常成熟，已經廣泛應用于三維城市、數字校園、影視、游戲等諸多領域；對建模技術人員素質要求不高；建模過程耗費時間長、耗費人工多、耗費資金多；模型難以應用，模型成果是靜態的、固化的作品，難于統計和分析。另外，手工建模人工干預主觀性強，對于數據標準有取舍，不能完全展示所有要素細節。綜合分析認為，單獨應用手工建模并不適合土地整治三維規劃設計，其給規劃設計增加成本的程度將達到難以接受的地步。但是，隨著土地整治三維模型庫的建設完成，會大幅提高建模效率，同時能降低成本，屆時該方法可廣泛應用。

3.2 參數化建模

參數化建模（Parametric Modeling）是用專業知識和規則來確定幾何參數與約束的一套建模方法，通過簡單地改變模型中的參數值就能建立和分析新的模型[8]。目前，參數化建模軟件的典型代表是Architecture和City Engine。City Engine由于和主流GIS軟件Arc GIS具有極好的兼容性，故目前研究均是基于此平臺運行。

土地整治參數化建模主要包括4個步驟：①基礎數據準備；②通過計算機編程確定建模規則；③應用規則，完成建模；④模型導出。該方法所需要的基礎數據與其他方法并無太多不同，其特點主要體現在編寫規則與應用規則的步驟上。規則是一組語句，該語句描述了對象的變化過程。規則應用就是根據規定好的參數（如房屋的高度、層數、顏色、門窗類型、道路的寬度、材質等）把定義好的上述變化過程賦予給一個或多個對象。這樣，只需要編寫完成建模規則、確定模型的各項參數，就可以實現模型的批量化生成。

參數化建模方法的特點，一是建模精度較高，模型誤差小；但不能很好地生成復雜模型，例如U型渠的曲面、復雜的渠系建筑物等。二是建模效率很高，只需編寫出完善的規則程序，建模過程就可以由計算機自動完成，幾乎不花費時間，同時成本也會很低；不過技術實現難度較大，模型編寫是一個技術門檻很高的工作，需要專業的編程人員完成，一般的土地整治規劃設計人員難以在很短的時間內掌握。三是模型的應用效果較好，參數化建模對于空間分析的應用有很大的幫助。目前參數化建模的平臺中，ESRI公司的City Engine軟件最為成熟，ESRI公司作為全球最大的GIS技術供應商，將City Engine與Arc GIS進行了深入整合，實現了很高的數據共享度。City Engine中生成的模型可以直接導入到Arc GIS中，這可以充分利用Arc GIS各種強大的編輯與分析能力以及屬性管理功能。另外，參數化建模方法使模型的修改和編輯變得更加方便，與傳統建模方法不同，模型的修改不需要針對單個對象逐個操作，參數化模型各個模型的形狀、紋理、方向、位置等均由屬性參數決定，所有模型都是動態的、靈活的，只需在屬性管理模塊中修改相關屬性參數、刷新后即可看到修改后的結果[9]，這就大大減少了建模工作量。

參數化建模具有建模速度快、規范性強、模型修改便捷、與GIS兼容性好等優勢，同時，也存在規則編寫難度高、精細模型建模不足等局限。用該方法確實可以增強土地整治規劃操作的可視化和規范性，提高土地整治規劃工作的質量和效率。但是，由于規則編制復雜，若希望完美表達模型構建過程，在規則的推理方面還有待做進一步的研究[10]。從土地整治規劃設計的實際出發，該方法若結合其他更為精細的建模方法使用，也可以得到很好的效果。

3.3 航空攝影測量建模和機載激光掃描建模

航空攝影測量和機載激光掃描技術都是利用航空平臺來取地表數據、通過專業軟件處理的自動化建模的方法，也是地形建模的方法，可用于三維要素建模。兩者可快速獲取DSM，對得到的DSM應用分類技術，可分別得到地形模型和地物模型，這里的地物模型就可用于三維要素建模。三維要素模型包括實體和紋理兩部分，通過分類得到的地物模型可作為模型實體，紋理數據可從機載數碼相機拍攝的相片提取。但是，由于機載相機只能從垂直一個角度拍攝相片，地物側面很容易受到遮擋，難以完整提取側面紋理，所以需要人工實地提取紋理作為補充。

航空攝影測量建模和機載激光掃描建模的特點主要有：一是都屬于基于測量技術的建模方法，建模精度達到測繪級精度，極度準確；建模數據獲取可以與土地整治項目前期測量同時進行，不需增加額外的工作，這就使建模成本大幅減少；二是涉及設備較多，且無人機及機載設備價格昂貴。基于無人機平臺的航空攝影測量技術目前已經走向成熟，并得到大范圍推廣。但是，機載激光掃描技術的操作難度大，對技術人員素質要求較高，導致培訓費用較高，并且處于探索階段，短期內難以大范圍推廣。

在模型應用方面，兩種方法只能對現有地物建模、土地整治規劃設計涉及的各類新建工程布設，全部完成需結合其他方法。而且得到的地表模型本身并不是一個一個的單體模型，所有的地物都連在了一起，因此如何管理、查詢、分析、應用也是非單體化模型應用的難點。

值得一提的是，國際測繪領域近些年發展起來了一種新的航空攝影測量技術——傾斜攝影測量，該技術可以很好地解決側面紋理提取的問題。傾斜攝影測量技術在2010年引入國內，目前在大范圍數字城市三維建模中有所應用。傾斜攝影測量系統與普通航空攝影測量系統的主要區別在于數據獲取和數據處理兩方面；數據獲取方面，普通航空攝影測量系統只有一個垂直攝影相機，傾斜攝影測量系統一般由5個數碼相機組成[10]；數據處理方面，傾斜攝影測量相比普通航空攝影測量數據量大，處理難度也大。傾斜攝影測量技術目前國內雖然已經有單位成功研制并且生產出一些硬件設備，但是后期數據處理軟件的研發并沒有跟上，能熟練應用該項技術的單位還較少。

3.4 建模方法總結

根據以上分析，對土地整治三維要素模型建模方法進行了比較，詳見表1。

4 建模方案與建議

從以上分析可知，每種地形建模和要素建模方法對于土地整治三維建模的需求均有其優勢和局限性，重要的是如何利用分析的結果，找出最適合土地整治三維建模方法的組合，這也是研究的出發點和目的所在，下面提出幾種可供選擇的方案。由于規劃設計階段主要涉及要素模型，所以這里主要討論了要素建模方法的選擇。

4.1 手工建模+參數化建模

手工建模和參數化建模具有不同的特點，如果結合使用可以取長補短，達到更好的效果。手工建模在構建精細模型方面具有很大的優勢，但是建模效率低、成本高；而參數化建模方法建模速度快、效率高，但是難以構建復雜模型。所以，可以采取手工建模方法對復雜工程（如橋、涵、閘等）進行單體建模，對溝、路、渠以及田塊等簡單工程可以采取參數化建模的方法，這種方案既可以滿足模型精細度的要求，同時兼顧了建模效率的需要，是一種比較理想的方案。

4.2 手工建模+航空攝影測量建模

手工建模和航空攝影測量建模結合使用也是一種可行的方案。可以先用航空攝影測量建模方法對現狀場景進行全面的模擬，再用手工建模的方法進行新增工程的建模，并將其添加到已生成的三維場景中。采用這種方案會使場景真實度更強、美觀度更高、可視化效果更好，但是建模效率比手工建模+參數化建模方案低。對于新增工程較少的規劃設計項目，采用這種方案可以達到很好的效果。

4.3 參數化建模+航空攝影測量建模

參數化建模和航空攝影測量建模相結合的方案可以達到很高的建模效率，兩種建模方法都是自動或半自動化程度較高的，不需太多的人力投入，也可大大節省時間；但同時模型的美觀性和精細度不足。技術人員在進行規劃設計的過程中，若是對可視化效果要求不高，則可采用這種方案快速生成三維場景，以直接輔助規劃設計人員決策。

參考文獻：

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[3] 賈明超，李滿春，王宋輝，等.可視化技術在土地整理規劃中的應用—以韶山市為例[J].安徽農業科學，2007，35（21）：6468-6470.

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