渤海海峡跨海通道地形三维可视化建模技术与实现

宋克志， 王梦恕， 谭忠盛， 侯洪超， 刘桂宾

(1. 鲁东大学土木工程学院， 山东 烟台　264025；

2. 北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京　100044)



渤海海峡跨海通道地形三维可视化建模技术与实现

宋克志1， 王梦恕2， 谭忠盛2， 侯洪超1， 刘桂宾1

(1. 鲁东大学土木工程学院， 山东 烟台264025；

2. 北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京100044)

摘要：为给渤海海峡跨海通道规划与建设提供可视化的三维地形模型，分析渤海海峡跨海通道的线位规划，确定跨海通道沿线地形建模范围。采用ASTER GDEM数据作为渤海海峡地形数据源，并将其转换成DED格式的数据，以适合MultiGen Creator建模；随后分析Creator中OpenFlight数据结构、LOD技术和Delaunay三角形面构建方法等关键技术；最后，对渤海海峡跨海通道三维地形模型系统进行总体结构设计及建模流程设计，成功构建了视觉效果较好的三维地形，给出了沿线部分地形的可视化模型，为渤海海峡跨海通道规划奠定了良好的基础。

关键词：渤海海峡； 跨海通道； 三维地形； 可视化建模

0引言

地形可视化问题最初是根据地理信息系统的三维可视化需求提出的。近年来，随着工程领域与地学领域的交叉及计算机可视化技术的发展，使大规模地形的三维可视化成为可能，其应用领域已不局限于地理信息系统，而且在工程建设仿真、视景仿真等领域中也得到了广泛的应用[1-2]。渤海海峡跨海通道是当前乃至今后几十年我国沿海地区经济和社会发展的一项重大研究课题。渤海海峡跨海通道的修建不仅具有重大的交通意义、经济开发意义和对外开放意义，而且在政治、军事和国防等方面都具有重要的战略地位[3-4]。跨海通道的修建不仅要考虑方案选型及工程技术，而且要充分考虑复杂的地形、地貌及周边环境的影响。开展渤海海峡跨海通道沿线三维地形建模研究，对通道选线、工程布局、登陆点选择及两端接线等工程规划问题都具有重要的作用和意义。

关于大规模地形可视化建模，文献[3]介绍了多分辨率LOD地形建模的相关理论和技术，提出了基于层次细节简化和分形的真实感地形生成方法；文献[4]利用LOD细节分层思想提出了一种地形 TIN模型，解决了不同分辨率TIN模型间的连续过渡问题，以及分块TIN模型的创建问题；文献[5]基于MultiGen Creator构建了大规模虚拟地形模型，并对模型进行了优化，以减少内存占用量，提高模型运行速度；文献[6]分析了数字地面模型的表示以及构建 Delaunay三角网的3种典型算法，研究了大规模三维带状地形简化技术，并运用 Creator/Vega 与Open GL相结合的工程技术方案进行了带状地形建模；文献[7] 基于Creator仿真建模平台，设计了海底隧道模型数据库的树状结构，创建了海底铁路隧道、公路隧道及悬浮隧道等不同跨海通道形式的可视化模型，使工程各部位的基本信息及空间上的逻辑关系得到较好的体现。这些研究为渤海海峡跨海通道地形可视化建模算法提供了理论基础，技术上也具有较好的借鉴意义，但针对渤海海峡跨海通道地形三维建模，目前未见有关报道。

本文以地形相关建模理论为基础，基于MultiGen Creator平台，对渤海海峡跨海通道沿线地形进行可视化三维建模，以期为工程决策与规划起到推动和指导作用。

1渤海海峡跨海通道线位规划

渤海海峡跨海通道就是利用我国渤海海峡的有利地形，建设固定式的桥隧工程，北接辽东半岛的旅顺，南连山东半岛的蓬莱，将渤海的“C”形缺口加以连通，变成“D”形交通，化天堑为通途，进而形成纵贯黑龙江到海南11个省、自治区和直辖市，全长5 700 km的中国东部沿海铁路交通大动脉，具有重要的战略意义。渤海海峡沿线有32个岛屿，从北向南主要有北隍城岛、南隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、猴矶岛、大黑山岛、小黑山岛、北长山岛、南长山岛等。沿线水道有14条，其中登州水道7 km，老铁山水道42 km。近年来，对渤海海峡跨海通道进行了战略规划研究[8-10]，形成了对跨海通道连岛工程的6条平面线位，如图1所示。经过综合比选研究，推荐线位2为较优方案，本文对渤海海峡跨海通道沿线的地形进行三维可视化建模即基于这条推荐线位展开。

图1　渤海海峡跨海通道线位方案

2渤海海峡跨海通道三维地形模型需求及数据分析

2.1模型需求分析

三维地形模型包括数据获取与预处理、数据转换、地形模型构建、地形模型转换、地形纹理构建和基本地物建模等部分。

渤海海峡跨海通道沿线地形模型形状复杂、数据量大，不可能采用人工建模，需采用地形自动建模方式。目前，用于进行三维地形建模的开发软件有很多，所需源数据格式因开发环境的不同而异。MultiGen Creator是杰出的实时三维仿真建模工具，可以在满足实时性的前提下，生成面向仿真的、逼真度高的大面积地形。ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)数据的预处理可采用Global Mapper软件，数据格式转换及地形模型构建采用MultiGen Creator软件。在MultiGen Creator中进行三维地形模型的生成算法及投影、纹理、层次细节等设置，将渤海海峡三维地形模型进行集成，并生成OpenFlight格式的模型数据文件。

2.2三维地形模型数据采集

目前，建立DEM的方法有多种，按照数据源及采集方式来分，有直接地面测量、航空或航天摄影测量及现有地形图采集。本文采用的ASTER GDEM即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型，是由美国NASA(宇航局)与日本METI(经贸及工业部)合作并由两国的科学界、工业界积极参与制作完成的，可供全球免费使用，其全球空间分辨率为1 rad/s，垂直精度约20 m，水平精度约30 m。ASTER GDEM每个文件记录1经度×1纬度网格范围内的数据，用1个3 601×3 601像素的.tiff格式图片来记录地形信息。渤海海峡的地理范围在N37°～N39°、E120°～E122°，因此，选取2经度×2纬度网格范围内的4个地形数据文件为研究对象，如图2所示。

图2　渤海海峡地形数据经纬网格

Fig. 2Longitude and latitude grids of Bohai Strait terrain data resources

2.3地形数据格式及转换

MultiGen Creator专用的数字高程数据为DED格式文件(Digital Elevation Data)[11-12]，获取的ASTER GDEM(.tiff格式)地形数据文件不能直接使用，必须先将GDEM地形数据文件转换成MultiGen Creator支持的USGS DEM(U.S.Geological Survey Digital Elevation Models)格式或者DTED 专用格式，转换由Global Mapper完成；然后，在Creator中将USGS DEM数据转换成DED格式数据。

3基于Creator的地形建模关键技术

3.1OpenFlight数据结构

OpenFlight格式的模型数据库[13]是Multigen Creator的根基，它是一种树状层次化结构。对于复杂的系统模型，它能把空间上各个独立模型元素之间的相对位置、相互关系和层次结构以及模型单元的属性和性质加以清楚地表达。OpenFlight模型数据库主要包括模型的几何特征(Geometry)、层次结构(Hierachy)及各种节点属性(Attributes)3类信息，利用它可以方便地按照层次组织模型的几何特性和属性，并将其转换为节点形式，便于编辑和移动，非常适合对实时系统进行遍历操作，如图3所示。

3.2地形模型构建算法

3.2.1利用DED文件构建地形

在Creator中，地形是一系列多边形数据集合，Creator将其存储为DED数字高程格式。将数字高程原始数据转换成DED后，Creator是采用标杆(Elevation Posts)来重新构建地形的，通常标杆间隔是原始数据网格的间隔，标竿顶点即为多边形顶点，如图4所示。该数据集由胞单元(Cell)组成，而每一个胞单元在Y方向(纬度方向)由若干个标竿划分，由于X方向(经度方向)要保证收敛，Creator会根据Y方向的标竿数自动确定X方向的标竿数，以保证标竿间距的连续性，从而生成过渡平滑的地形表面。

图3　OpenFlight模型数据层次结构

图4　地形构建的标杆

3.2.2地形模型的Delaunay三角网及其转换算法

不规则三角网TIN (Triangulated Irregular Networks)[5]是通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面。渤海海峡跨海通道地形建模，即采用Delaunay三角剖分[14-15]构建数字地形结构模型。Delaunay转换算法主要用于使用 Z-buffering进行遮挡计算的实时系统，所产生的地形数据库完全是由三角形组成。使用Delaunay算法时，数字高程数据中的每个高程点都会被采样，从最低的LOD地形模型生成，较低的 LOD 模型中的多边形顶点被合并到较高的 LOD 地形模型中，实现了不同 LOD 地形之间的平滑过渡。Delaunay三角网的每个高一级LOD由低一级LOD的4个组来表示。采用 3 级 LOD 和 Delaunay 算法进行转换的结果如图5所示。

(a) 顶级

(b) 1级

4渤海海峡跨海通道地形可视化建模

根据上述分析，对渤海海峡跨海通道三维地形模型系统的总体结构及建模流程进行设计，如图6所示。地形可视化建模的部分结果如图7和图8所示。

渤海海峡沿线总体地形模型经纬度范围取自N37°45′00″～N38°48′45″及E120°33′45″～ E121°15′00″，USGS DEM Level 1格式数据以1经度×1纬度描述地形起伏，网格数量为3 601×3 601。采用Delaunay算法生成地形三角形面，纬度和经度方向标杆(Posts)尺寸皆取1，纬度和经度方向标杆数量为3 826×2 476，设置2级LOD细节模型，共生成高级LOD的三角形面302 940 000个。

5结论与体会

1)基于MultiGen Creator建模平台，运用大规模地形建模理论，设计了渤海海峡跨海通道三维地形的建模流程及模型结构，构建了渤海海峡跨海通道地形的OpenFlight数据结构，实现了渤海海峡跨海通道沿线地形的三维可视化模型。

图6　渤海海峡跨海通道三维地形模型结构及建模流程

图7　渤海海峡跨海通道沿线地形总体建模效果

图8　北隍城岛和南隍城岛地形模型及其之间的悬索桥模型

2)通过OpenFlight数据结构，渤海海峡跨海通道沿线地形空间上各个独立模型元素之间的相对位置、相互关系、层次结构以及模型单元的属性和性质得以清楚、直观地表达。

3)ASTER GDEM数据具有免费、获取容易、精度高等特点，作为渤海海峡跨海通道地形建模数据来源，具有较好的可行性。

4)本文推动了渤海海峡跨海通道工程向可视化、数字化方向发展，使得用户和决策者对工程建设场地有直观、形象地感受，对跨海通道工程决策和方案选择具有一定的指导作用。

6致谢

本文地形原始数据来自http: //gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/网站，特此感谢。

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3D Terrain Visualized Modeling Technologies for Bohai Strait-crossing Tunnel

SONG Kezhi1, WANG Mengshu2, TAN Zhongsheng2, HOU Hongchao1, LIU Guibin1

(1.CollegeofCivilEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,Shandong,China; 2.TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofMinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:A visualized 3D terrain model of Bohai Strait-crossing tunnel is established, so as to analyze the alignment arrangement of the tunnel and to decide the modeling scope of the tunnel. The ASTER GDEM data are adopted as the resources for Bohai strait terrain; and then they are turned into DED mode. The technologies, OpenFlight data structure, LOD technology and modeling method of Delaunay triangle surface, are analyzed. The structural design and modeling sequence design of 3D terrain modeling system are made. Finally, the 3D terrain with good effect is established and the visualized model of local terrain of the tunnel alignment is established, so as to provide foundation for the planning of Bohai Strait-crossing tunnel.

Keywords:Bohai Strait; sea-crossing tunnel; 3D terrain; visualized modeling

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0137-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.003

作者简介：第一 宋克志(1970—)，男，山东鱼台人，2005年毕业于北京交通大学，桥梁与隧道工程专业，博士后，教授,主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。E-mail: ytytskz@126.com。

基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2012EEL27); 国家自然科学基金资助项目(51278237)

收稿日期：2015-10-13; 修回日期: 2015-11-04