水利水電工程三維地形建模技術研究論文
水利水電工程三維地形建模技術研究論文
摘要：隨著我國國民經濟的快速發展，水利水電事業的發展生機勃勃，水利水電工程建設與管理也有傳統的二維技術向三維技術發展，建立在數字化、視覺化、可量測基礎上的三維地形已越來越受到各行各業的青睞和關注。本文透過對工程中三維地形建模技術探討，對滿足水利水電工程建設和管理需求具有重要作用。
關鍵詞：水利水電工程；三維地形建模；技術探討
1、三維地形建模技術概述
三維地形建模技術是透過計算機技術對地貌、地表建築物、構築物等進行三維幾何重建、提取和修復、使用三維動畫進行展示的技術。可透過對遙感影像、地形圖、線劃圖、柵格圖等進行綜合處理，並結合虛擬現實技術、視覺化技術等實現三維地形建模[1]。
2、三維地形建模實現過程
2.1三維地形建模使用到的硬體工具包括數字掃描器、三維鐳射掃描器、全數字攝影測量系統等，透過軟體對影像資料進行處理，形成三維地形地貌，提取建築物模型後，利用人工對異形地面與不規則建築物進行人工建模。
2.2對於透過航片進行採集和提取的建築物的頂端的紋理，例如具有標誌性的建築物，利用數碼相機進行建築物的採集。使用數碼將採集紋理，要對建築物進行正直攝影，可以使用分塊正直攝影的方法，先分成幾張照片，然後在影象處理軟體中進行拼接和編輯。
2.3在貼上紋理的過程中，對建築物進行多個面的圳鐵，可以將整個建築物的紋理貼上成一種，然後對於貼上的效果進行抓取和刪除。注意相片的資料，防止資料移除。可以實現在影象處理軟體中對建築物的側面紋理進行連線，注意前後順序不要出錯，防止紋理電到或者出現側面紋理的互換等錯誤。
2.4對於較大範圍的異形地面的處理，可以在建模時將高度不同的建築物進行相應的處理，按照不同的顏色和形狀進行分塊貼上，實現逼真的景觀效果。
3、三維地形建模的特點
對於三維地形建模的系統的特點的體會，是三維實體建模工具的強大的功能。這種建模工具的三維實體的建模可以按照實際需要進行三維模型的生成。一些常用的軟體操作也簡單，沒有繁複的引數控制，只需要簡單的基本圖元就可以快速生成複雜的三維實體。另外，在互動式編輯方面，測繪三維建模的系統提供了二維和三維編輯功能，這種資料的編輯功能具有AutoCAD的特點，可以完成分層控制和簡單的操作。直觀地在三維空間內對物體進行操作，視角也靈活。使用滑鼠就iu可以任意地旋轉、縮放、平移等等，對空間實體也能夠完成整體的操控。第三個特點是三維地形建統可以實現屬性的管理和查詢與分析。在三維實體的編輯和建立方面進行資訊的管理。
4、工程中三維地形建模方法
4.1TIN和Grid模型。TIN方法是將無重複點多額散亂資料點進行三角剖分，使得各個不重疊的三角面形成連續的片網。以此描繪三維地形地貌的表面，考慮到取樣密度和分佈的不均勻分佈，應在內插處理後形成規則的平面分割網路，用於地形地貌表面的建模。
4.2邊界表示B-REP模型。透過定義形體的面、環、邊、點等進行平面曲線或者是空間曲線位置和形狀的建模。
4.3線框模型。利用線框建模的技術將目標空間輪廓上的取樣點和特徵點進行直線的連線，形成多邊形的拼接，最終模擬多邊形網路的開挖邊界。
4.4序列斷面模型。使用傳統的地形制圖方法進行建模，透過平面圖或者剖面圖建模。
4.5斷面三角網混合模型。透過不同地形介面形成二維剖面，將斷層礦體或者侵入體的邊界進行賦值，得到每條界線的屬性值，然後將相鄰的剖面的屬性上的三角面片的TIN連線，構成具有特定屬性的三維曲面。
4.6多層DEM建模。基於各個底層的介面按照DEM的方法對各個底層進行插值和擬合，根據底層的屬性對多層DEM資料進行交叉劃分，引入地下空間的特殊資料資訊，例如建築物的點線面等，完成三維空間的完整剖分。工程中資料表達包含了資料結構、三維地形地貌建模基礎、水利水電工程區域的三維地形資料等。表達三維實體的資料結構包括了NURBS-TIN-BRep等基於曲面和體元的結構。前者對空間物件的邊界進行了表達，後者對空間物件的資訊進行了對比分析。不僅對水利水電工程的空間物件的邊界、地質條件等進行了設計，也針對地形地貌環境的施工進行了圍觀屬性的視覺化技術實現。經過摸索和研究，對於地形地貌的三維測繪建模的非均勻有理結構，結合三角網不規則邊界的模型結構進行了混合資料結構的表達。NURBS技術是建立在自由曲線曲面的表示方法，也是唯一的表示方法。對圖形和曲線曲面的解析提供了數學統一描述，針對複雜地形的規律性變化進行了NURBS幾何建模。可以節約儲存空間，簡單處理計算機，保證空間唯一性和幾何不變性的前提下管理資料庫。TIN的模型精度很高，儲存的空間按大，可以為NURBS三維數字地形提供中間轉換表達方式，這是一種建立在邊介面對實體進行定義的有效的體描述的方法，可以實現任意定向的.邊介面，也可以組織NURBS去免檢的拓撲關係，構造出複雜的地形體。形成包括NURBS曲線、曲面、三角形、BREP實體等在內的多種基本幾何元素的資料結構，不僅有效表達地形物件的幾何形態，也可以實現拓撲空間關係，將相關的地形屬性資訊和幾何物件結合。按照模型精度和資料儲存量進行布林運算，滿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
使用NURBS進行三維數字地形的建模，簡化為地形地貌形態中的直接和基本的部分，不僅要對整個地形地貌模型進行運算和操作，還要滿足儲存量小、精度高的圖形操作運算要求，建立起實用的三維地形模型。根據目前的TIN模型和規則格網進行的三維數字地形，資料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，都無法真正該滿足實際需要。需要引入NURBS技術構建DTM。結合TIN和NURBS-DTM等建模技術，對於複雜地形進行很好地建模。簡化後的建模方法包括：處理密度過密或者過稀的等高線，進行加密或者稀疏差值；生成TIN模型，處理GIS環境中的三維DTM,消除等高線資料或者採集資訊缺乏造成的細小和狹長的三角形，使得TIN模型的精度變高；對於TIN模型進行資料轉換，得到GIS環境下的NURBS處理系統的mesh資料曲線保證三角形不會丟失或者變化；獲取NURBS的控制點，按照u或者v的方向進行等間距的提取，或者足夠多的分佈均勻的輪廓線並進行離散化處理；擬合NURBS地形曲面，根據NURBS演算法設計出函式，對於地形控制曲面進行重新擬合；利用布林操作運算獲得區域地形輪廓體的模型[3]。
6、結語
水利水電工程三維地形建模方法著力於從二維向三維動態轉化的過程，使用NUBRS、TIN、Brep建構了面向水利水電工程三維建模的混合資料結構，解決了水利水電工程複雜地形資訊儲存量大和精度要求高的矛盾，確保了模型解釋真實情況的功能，快速耦合資料，實現了模型的及時更新。
參考文獻：
[1]萬雲輝,李小帥,錢富運等.三維勘測設計技術在水利水電工程中的應用研究[J].長江科學院院報,2015,(7):137-142
[2]張永光,劉豪傑,尹小磊等.點雲資料多站拼接在水利工程測繪中的應用[J].華北水利水電學院學報,2013,34(3):74-77.
[3]徐銳,康慨,王陸軍等.RIEGLVZ-4000三維鐳射掃描器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.