基于等高线的三维地形建模方法

魏翔，吴熙

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

基于等高线的三维地形建模方法

魏翔∗，吴熙

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

随着信息化建设的快速发展，数字地球的理论与技术逐渐成熟。而三维地形作为数字地球最基本的组成部分，具有十分重要的作用。本文介绍了三维地形的建模和优化技术，并采用等高线数据，利用3ds Max软件完成了一个区域的三维地形建模，最后对优化后的模型进行了对比和分析。

等高线；三维地形；建模技术

1 概 述

自1998年美国副总统戈尔提出数字地球的概念后，数字地球的理念逐渐得到了人们的广泛认同。数字地球是指以地球作为对象的、以地理坐标为依据，具有多分辨率、海量的和多种数据融合的，并可用多媒体和虚拟技术进行多维(立体的和动态的)表达的，具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化特征的技术系统[1]。

计算机技术、虚拟技术、数据库技术、可视化技术、海量存储技术以及认知科学等技术于理论的发展，为现实世界三维数字化表达和再建奠定了理论技术基础[2]。美国Google公司于2005年推出Google Earth虚拟地球浏览软件，其中构建了全球的三维地形模型，并在此基础上添加了影像和道路信息，部分地区还构建了三维建筑模型，为人们提供了丰富的空间地理信息。

建设数字地球，三维地形建模是其首要工作。三维地形不仅作为影像信息、地理信息、建筑模型的承载物，更是实现三维空间分析的基础，可用来进行土方计算、线路选线、通视分析、地貌分析等等。

2 三维地形的建模技术

在虚拟场景中的地形面积少则几十平方千米，多则上百平方千米，有时甚至是一个城市，一个国家乃至全球范围。评价一个地形模型构建的成功与否，不仅要看其在可视化场景中的视觉效果，而且还要看其构建精度能否满足应用需求，所以，地形建模技术显得尤为关键。从模型特点来看，地形建模主要有以下两种方式。

2.1 规则格网模型

规则格网模型是将区域按照一定的单元大小划分成为规则排列的格网而构建的模型，如图1所示，格网大小一致，可以是正方形，也可以是矩形、三角形等规则形状。这种基于规则格网的地形模型数据排列整齐，结构简单，模型精度视网格大小而定，格网越小，格网密度越大，模型精度越高，但数据量也越大；反之则模型精度较低，数据量较小。使用规则格网模型表达地形时，如果选用较小的格网，则会在地势平缓地区出现数据冗余，而选用较大格网时，又不能准确表达地形细部特征。这种建模方式大多用在地势比较平缓地区的地形建模。

图1 规则格网模型

图2 不规则三角网模型

2.2 不规则三角网模型

不规则三角网模型是将地形特征点根据一定规则连接成覆盖整个区域且互不重叠的三角形而构建的模型，如图2所示。不规则三角网模型较多的选用了地形特征点，因此，能够比较准确地表示出地形特征，但这种模型数据结构复杂，数据量大。由于该模型是通过不规则分布的空间点来构建连续且互不重叠的三角面来表示地形表面，所以如何合理构建三角网是该建模方法的关键技术。目前大多数构建方法都是在平面中实现的，因此，利用空间点构建合理三角网的方法是今后值得研究的课题。

3 三维地形的优化技术

一般而言，在保证地形模型的可视化效果和应用需求的前提下，都会建立比较精细的地形模型，而对于大规模的地形建模，则会造成其数据量十分庞大，往往会发生建立完成的精细地形模型不能够实现实时渲染和交互操作，因此，必须采用有效方法来控制当前场景中的数据量。一般人都有这样的经验，当视点离场景中的地形较远时，观察者更多是从宏观上进行观察，这时就可以忽略某些地形细节，注重整体上的表现力；而当视点离场景中的地形较近时，观察者更多是从微观上进行观察，这时往往观察的是地形的一部分，所以必须要能够表现出细节特征。考虑到地形特点和计算机可视化技术，本文采用以下三种方法对地形模型进行优化:

(1)分区建模，根据地形特点，对不同地区建立不同精细程度的地形模型。可以根据地形特点，在地形复杂地区，建立较高精度的地形模型，而在地形平坦地区，建立较低精度的地形模型。

(2)分级建模，根据视点位置，对同一区域建立不同复杂程度的地形模型。利用LOD(细节层次)的方法，当视点离该区域较远时，采用较简单的地形模型表示，当视点离该区域较近时，采用较复杂的地形模型表示。

(3)视景体裁剪，根据计算视场的锥体裁减场景范围。将表示视角范围的上下左右四个面和远近剪切面之内的空间定义为视景体，用视景体与场景进行比较得到有效的可视范围，将不在可视范围内的点删除，以减少数据量。

4 建模方法

目前，大部分的计算机显卡都是使用多边形作为最终渲染图元，一个图元就是在任何显卡上面所能使用的最低级别的绘制单位，包括点、线、面(多边形)等。从空间几何特性来看，一个三角形只需要三个顶点来表示，而三点即可确定一个平面，因此，三角形成为三维模型使用最多的图元类型，同时，几乎所有的图形显示硬件和软件都是支持使用三角形来完成三维模型的绘制。基于上述原因，本文建立的三维地形模型采用三角形为基本图元，使用若干三角形相互连接所构成的三角网来构建地形模型。

4.1 建模过程

本文采用等高线数据，利用3ds Max 8软件完成了一个区域的三维地形建模，建模步骤如下:

(1)从ArcGIS软件中导出等高线数据。首先选取建模区域内的等高线，然后按照等高线高程属性进行分层，并将层名以“区域名称_Layer_高程值”的方式命名，最后输出为dwg格式的文件。

(2)在3ds Max 8软件中导入dwg格式的等高线数据，如图3所示。在Geometry Options中启用Combine Objects by Layer选项，这样导入的等高线数据将会按层合并对象，即每一层等高线合并成为一个Editable Spline对象，同时将会自动被命名为“Layer:区域名称_Layer_高程值”。

图3 等高线数据

(3)在3ds Max中编写脚本代码，根据Editable Spline对象名称获取其对应的等高线高程，并将Editable Spline对象移至相应高度。主要脚本代码如下:

(4)选中所有导入的等高线数据，使用Compound Objects中的Terrain命令，开始建立地形模型，如图4所示。

图4 地形线框模型

(5)可以使用Parameters、Simplification以及Color by Elevation等卷展栏里的命令对地形模型进行调整和优化，调整后的地形模型如图5所示。

图5 地形实体模型

4.2 模型优化

在3ds Max中是选取等高线上的特征点来构建三角网，并可根据需要进行内插或者简化。为保证在三维浏览中实现实时渲染，本文对该区域建立三种精度级别的地形模型，分别为:

(1)使用等高线上所有顶点来创建的精细模型(如图4、图5所示)，由35 613个三角面构成。

(2)使用等高线上二分之一的顶点来创建的较精细模型(如图6所示)，由17 810个三角面构成。

(3)使用等高线上四分之一的顶点来创建的较简单模型(如图7所示)，由9 023个三角面构成。

图6 较精细模型

图7 较简单模型

在三维地形模型的浏览中，可以根据视点与地形模型的远近程度，实现LOD变换。当视点距离模型比较近时，采用精细模型，重点反映地形细节；当视点逐渐远离模型时，就需要从宏观上观察模型，因此，采用较精细或较简单模型，忽略模型部分细节特征，突出模型整体效果。采用LOD方法后，对减轻计算机实时渲染的压力有很大的帮助。

5 结 论

在数字地球的发展进程中，三维地形建模始终都是最基本也是最重要的环节。同时，在虚拟城市、三维数字地图、模拟沙盘、三维GIS等虚拟现实系统中，三维地形模型也发挥着重要作用。本文所采用的利用等高线进行三维地形建模的方法也只是众多地形建模方法中的一种，这种建模方法主要具有以下三个方面的特点:

(1)构建的地形与等高线的精度有密切的关系，等高线精度越高，表达地形越理想。

(2)对数据要求简单，利用等高线即可完成地形建模，甚至是残缺和不闭合的等高线都可以完成建模。

(3)利用3ds Max中定义的三角网生产方法，构网准确合理，建模简单迅速，使得建模人员将更多的精力放在模型优化和美化方面。

[1] 李成名，王继周，马照亭.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].北京:科学出版社，2008

[2] 刘晓艳，林珲，张宏.虚拟城市建设原理与方法[M].北京:科学出版社，2004

[3] [美]Kelly L.Murdock，田玉敏，沈金河译.3ds max8宝典[M].北京:人民邮电出版社，2007

[4] 靳海亮，高井祥.三维地形可视化技术研究进展[J].测绘科学，2006.11，162～165

[5] 卞海红，王峰.基于三维GIS的地形可视化研究及实现[J].计算机技术与发展，2006.7，230～232

[6] 赵九文，杜庆，孟凡奎等.大规模真实感三维地形技术综述[J].化工矿产地质，2006.4，245～250

Method of 3D Terrain Modeling Based on Contour Data

Wei Xiang，Wu Xi
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

With the rapid development of informatization，the theory and technology of digital earth has gradually come to maturity.The 3D terrain that is the most basic components of digital earth plays a very important role。This paper presents the modeling technology and the optimization technology of 3D terrain，and builds a 3D terrain model in 3ds Max based on contour data.Then the comparison and analyses of the optimized 3D terrain models will be presented.

contour；3D terrain；modeling technology

1672－8262(2011)01－40－03

P208

B

2010—05—30

魏翔(1980—)，男，工程师，主要从事虚拟城市的建设与研究工作。