基于Cyclone與AutoCAD二次開發的三維地形建模研究

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 研究背景

隨著工程數字化與企業信息化的日益發展，對三維建模的需求也愈加迫切，傳統二維圖紙的工程設計與施工方式已經越來越難以滿足信息化時代的要求。各種數字化測量儀器、計算分析軟件、三維建模軟件、虛擬現實軟件及管理系統的快速發展，顯著地提高了工程設計、建造、施工及運營管理水平，更為生產手段信息化奠定基礎，從而加快企業信息化建設的步伐[1]。

然而，面對種類繁多的三維建模軟件，其適用的專業或業務領域不可能面面俱到，例如AutoCAD軟件針對二維圖形設計領域非常強大和易用，但是在三維設計方面功能卻略顯不足；而Cyclone軟件，在點云三維運算處理方面功能強大，但是在數據輸入功能上限于格式要求，亦存在局限性。因此，本文提出在已有軟件基礎上通過一定的二次開發，彌補各軟件功能的不足，使其能夠協同作用，精準高效地滿足相關專業領域的工作需求，以實現可觀的經濟效益和實用價值。

2 Cyclone與AutoCAD協同三維地形建模原理

AutoCAD軟件是一款優秀的計算機輔助設計軟件，廣泛應用于各行業的二維設計制圖，然而該軟件本身的三維設計功能相對較弱，不能滿足測繪領域的三維地形建模及相關分析計算的要求。

Cyclone軟件是三維激光掃描領域內的主流軟件，可以高效地處理工程測量、制圖及各種改建工程中的海量點云數據，同時能夠方便進行三維地形建模與分析計算。然而，該軟件在圖形設計和數據輸入方面具有獨特性，與傳統設計軟件的成果數據不兼容。

鑒于兩款軟件的特點，本文研究并提出利用二次開發后的AutoCAD做地形開挖設計，并將設計成果按照一定規則導出。然后利用Cyclone三維處理功能建立地形開挖模型并進行相關分析計算。

3 AutoCAD二次開發過程與結果分析

AutoLISP是由Autodesk公司開發的一種LISP程序語言，LISP是List Processor的縮寫。AutoLISP語言作為嵌入在AutoCAD內部的具有智能特點的編程語言，是開發應用AutoCAD不可缺少的工具。本文利用AutoLISP語言，基于AutoCAD平臺進行二次開發，以實現兩個核心功能。

3.1 多段線上按規則添加頂點

程序設計思路見圖1。

圖1 AutoLISP程序流程

該程序在AutoCAD 2006中的執行結果情況參見圖2。

圖2 AutoLISP程序運行結果

結果分析表明，盡管AutoCAD本身能夠實現在多段線上插入頂點，但其功能比較單一，而且操作比較繁瑣。二次開發程序縮減了其中某些不必要的步驟，同時增添了額外的實用功能，使得操作更加方便直觀，優化了AutoCAD功能。

3.2 導出多段線頂點坐標至文件

程序設計思路見圖3。

圖3 AutoLISP程序流程

該程序在AutoCAD 2006中的執行結果情況參見圖4。

圖4 AutoLISP程序運行結果

輸出的成果為TXT文件，參見圖5。

圖5 AutoLISP程序輸出成果

結果分析表明，該功能是AutoCAD軟件平臺二次開發后的新增功能，輸出成果保存為TXT文本文件，適用范圍很廣，便于作為中間數據格式導入其他軟件進行后續處理，因此作用十分顯著。

4 三維地形建模實例與結果分析

以國內某大型水電站項目中石料場的邊坡開挖為例，結合本文研究成果進行分析。

4.1 基于AutoCAD平臺的邊坡開挖體線框模型

建模過程如下：

(1)根據邊坡開挖設計圖中的坡度等要求，繪制馬道線。

(2)根據邊坡開挖設計圖中給定的控制點坐標，擬繪制邊坡開挖開口線。

(3)根據開挖開口線，截掉馬道線多余部分。

(4)利用二次開發的加點功能，在馬道線上采樣加點，最后得到邊坡開挖體線框模型。

(5)利用二次開發的導出功能，將線框模型導出至TXT文本文件。

AutoCAD 2014中建立的三維線框模型結果參見圖6與圖7。

圖6 線框模型頂視

圖7 線框模型側視

結果分析表明，利用AutoLISP語言進行二次開發具有可移植性和通用性，在不同版本AutoCAD軟件之間都能較好地發揮作用。

4.2 Cyclone三維地形建模及相關分析計算

4.2.1 邊坡開挖體線框模型的導入

由于Cyclone軟件不能直接導入AutoCAD的dwg格式文件，因此，導入開挖設計體線框模型，是以TXT文本數據格式導入實現的。

以點云格式導入開挖體的線框模型，運行結果參見圖8與圖9。

圖8 開挖體點云頂視

圖9 開挖體點云側視

4.2.2 三維地形實體建模與相關分析計算

建立地形的模型，實現數字化設計，實質是通過一種算法來模擬現實中不規則的地形地貌等特征。目前，常用的算法是通過等高線或高程點建立不規則的三角網(Triangular Irregular Network，簡稱TIN)，然后在TIN基礎上通過線性和雙線性內插建DEM，即所謂的地形模型(數字高程模型)[2]。

Cyclone軟件通過對點云數據的運算處理，建立TIN Mesh，即三維地形模型。

(1) 導入原始地形的點云數據，進行去噪處理，建立原始地形的TIN模型(見圖10)。

圖10 原始地形TIN模型

(2) 根據導入的邊坡開挖體的點云數據，建立開挖體的TIN模型(見圖11)。

圖11 邊坡開挖體TIN模型

(3) 通過對原始地形TIN模型與開挖體TIN模型的運算處理，計算出開挖方量與開挖面積等數據(見圖12)。

(4) 建立邊坡開挖后最終的地形模型(圖13)。

4.2.3 結果分析

基于以上分析得出：

(1) 以TXT文本數據格式導入開挖體線框模型，能夠便捷地轉化為Cyclone可處理的點云數據格式；

(2) 利用Cyclone建立三維地形模型，效率高，同時成果非常直觀，便于進行后續分析參考和場景模擬；

(3) 實踐證明，采用此方法計算開挖土石方量，與采用傳統斷面法計算的開挖量相對誤差約為萬分

圖12 模型開挖方量數據

圖13 開挖后TIN模型

之一，精度能夠得到保證，同時，該方法使建模繪圖效率得到很大提高，為測繪工作者在算量方面節省了大量時間。

5 結 語

本文通過實例研究了基于二次開發的AutoCAD與Cyclone點云處理軟件建立的三維地形模型。結果表明，該方法能夠有效解決AutoCAD與Cyclone軟件在測繪領域的不足之處，并且能充分發揮兩者的優勢，準確高效地建立三維地形模型并完成相關分析計算工作，為測繪工作者在日常工作中提供很大的便利，同時也方便為決策層領導提供各種數據，實用性很強。

[1] 陳祖文，王芳，郭銳. 淺談工程數字化與企業信息化[J] . 水利水電技術，2013，44(8)：23-31.

[2] 代莉，陳春華，聶焱. 在AutoCAD環境下不規則三角網構建及等高線生成[J] . 地理空間信息，2011，9(2)：40-42.