工程项目三维可视化在地勘单位的应用与实践

杨超 常宇

（1.河北省地矿局第五地质大队 2.河北省地质工程勘查院）

本文立足于地勘单位的视角和业务范围，讨论了工程项目三维可视化的需求，并以三维信息类型不同和建模方法差异为依据对需求进行了分类，讨论了每种类型需求建模的特点和建模技巧，最后给出地勘单位关于发展工程项目三维可视化技术的几点建议。

1.三维展示需求的发展

三维展示技术起源于人类对现实中复杂实体的表达的需求。在计算机的出现以前，古代建筑设计师想象三维的建筑，通过不同的视角绘制在图纸上，早期机械零件的设计师习惯绘制三视图。随着计算机的诞生与发展，三维建模辅助软件应运而生，然而人类对现实表达的需求从未真正满足。强大的需求动力使得三维辅助建模软件得到了长足的发展，3D电影、动漫、3D游戏，不断挑战着计算机软件和硬件的极限，同时测绘技术也在不断进步，GPS的商用对应着三维GIS概念的诞生，摄影测量技术在小型无人机上实现低成本化、高效率化对应着大量的高精度三维信息在工程项目中产生。

随之而来的三维信息的获得成本降低，工程项目的三维展示需求日益增多。

2.三维信息

三维建模是三维信息按照一定要求的表达，没有具体要求全面无限细致的表达一个现实世界，理论上工作量是无限大的。而有确定范围、确定目的、有限精度要求的建模工作往往更具实际意义。

在三维建模工作中讨论几类基本的三维信息类型：空间位置，时间，实体拓扑关系，编组关系，属性信息。在数据存储中所有信息都可以视为属性，但在查询、逻辑分析、图形显示时以上信息基本类型发挥着截然不同的作用。

空间位置信息和时间信息，定义了三维信息的维度。作为模型精度的承担，是模型拼接的基础，范围查询的基本抓手。

实体拓扑关系，表示三维信息的空间关系。同一个模型可以以不同的实体来表示，例如一个立方体可以是一个体实体，或者由6个面封闭而成，外观显示没有区别但是拓扑关系不同，数据结构不同，导致属性承载能力不同，最终模型的功能差异很大。

编组关系，表示三维信息的逻辑结构。编组使得模型可以以组件的概念重复利用，是一种面向对象的概念，既有群体属性的继承，又有个体属性的个性化。

属性信息，作为模型功能的承担，显示特征、材料属性、时间序列变化、物理化学场表达、责任人、维护记录等。不同模型功能对应着各类不同的属性和属性结构。

3.地勘单位建模需求

工程项目的类型不同三维信息的特点也不同，表达形式和表达技术也应分开讨论。

根据三维建模的主要技术手段不同，工程项目三维建模可分为：绘制类模型、数值类模型、监测类模型三个类型。

3.1 绘制类模型

绘制类模型，主要应用于建设类项目的设计与展示宣传，特点是涉及大量体绘制、贴图、调整地形、渲染等工作。有放眼全局的景观建模，也有着眼局部的单体建筑建模，不同的着眼点建模的侧重点也有所差异，需要注意的是模型的体量与建模经济效益的最大化问题。例如放眼全局的大范围景观模型可以通过粗化地形、墙面纹理、渲染效果等来减小模型体量，相反着眼局部的单体建筑建模也可以通过细化室内外结构、纹理、渲染效果来增加模型体量。

以唐山市古冶区王碾庄乡土地复垦项目为实践，辅助项目的设计、施工、宣传展示，项目顺利完成设计和前期施工，花卉景观逐渐成型，所设计的三维模型能够跟随服务项目的整个周期，通过对比现状与模型的差异，可以找出施工对设计的临时调整，通过模拟植被未来的生长情况可预览若干年后景观效果。利用landsim3D作为建模辅助软件，其参数化建模的特点，使得建模效率大大提高的同时，可以通过简单改变某一参数获得不同模型景观效果或者模型在不同季或不同天气条件下的景观效果。（如图1，见中间彩页，下同。）

该模型的地形来源于无人机倾斜摄影测量，纹理底图采用无人机摄影测量正射。该模型的特点是：花卉主产区精细建模，外围工厂村庄粗略建模，模型绘制与地形改造同时运用，植被建模大量运用编组结构减小模型体积。

3.2 数值类模型

数值类模型，主要应用于勘察类项目，辅助勘察类项目的分析与结论，灵活建立该类模型，需要掌握数值类软件的使用和计算方法的原理。插入少量体绘制作为修饰和地理标志能增加该类模型的可读性。在地质勘查以及工程勘查项目中，最终的勘查成果往往可以用这类模型体现。例如，地球物理场、地球化学场、地下水流场、三维地质体等。（如图2）

该模型以地面磁法勘探平剖图为参考，以视磁化率成像反演结果为三维数据体，对地下介质的视磁化率以半透明颗粒，和截面的形式展示出来。

3.3 监测类模型

监测类模型，作为项目的客观、直观的记录，如照片、视频一样。可以归档定期更新，来方便项目的检查、追溯。该类模型要求建模精度高，增加客观直观性，模型能够在三维GIS的辅助下进行距离和面积量测、方量统计等基本查询，还要求建模效率高，来缩短监测周期。（如图3）

4.结论

这三类模型都在实际生产中发挥信息表达的关键作用。不同类型模型对应着不同表达技术手段，需要不同三维信息的采集方式，为了保障模型的精度，和信息的完整，工程项目的三维建模工作往往需要通过多单位联合、多步骤分块的形式完成。

工程项目三维可视化在不同的行业有各自不同的理解和定义，同一个建模目的也同时存在多种实现方法和技术途径，淡化建模归属领域（软件、测绘、设计领域），仅针对特定功能，规范统一相应的模型属性结构、建模精度，更能促进建模技术的遍地开花。工程项目三维可视化是数字孪生、智慧化城市等未来GIS概念的重要组成部分，规范数据结构及其精度方便不同数据间分块对接，减少或避免重复工作，已经成为较为迫切的任务。