（大地测量学与测量工程专业论文）三维实体建模技术在公路测量中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机软件、硬件技术的快速发展，三维实体建模技术在许多行业中被 广泛研究和应用，但在公路测量中的研究和应用相对较少。公路测量野外作业强 度大，对三维实体建模技术进行研究并应用于公路测量，将使许多野外作业内业 化，减小劳动强度，缩短工期，取得良好的经济效益，因此具有重要的理论研究 意义和实际应用价值。针对三维实体建模在公路测量中的优越性，本文主要进行 了以下几方面的研究： ( 1 ) 数据的获取。对带状数字地形图进行预处理，关闭除高程点以外的所有 图层，然后以a u t o c a d 为开发平台，以v b a 为开发语言，结合s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据管理系统，利用选择集对象，经二次开发实现了空间三维数据的提取。分析 了从公路路基平面图、纵横断面图中提取三维数据的过程。 ( 2 ) 三维实体模型的构建。首先研究了数字高程模型( d e m ) 、t i n 三角网生 长算法中的边扩展算法；其次对三维实体模型创建过程进行了研究，即借助 a u t o c a d 强大的三维实体建模功能，用a u t o c a dv b a 语言编程，调用数据库， 建立了数字高程模型；最后在a u t o c a d 环境中将每一个三角形沿铅垂路径拉伸， 生成三棱柱，进行“并”布尔运算，创建了三维实体模型。 ( 3 ) 图形基本线形计算研究。系统地探讨了纵断面剖切路径( 公路中线) 在 不同区间任意点的坐标与里程的相互转换，并研究了直线、圆曲线、缓和曲线等 不同情况下横断面的确定方法。 ( 4 ) 纵横断面图的绘制。在研究a u t o c a d 剖切技术的基础上，通过编程实现 了公路纵断面图、横断面图的绘制。 ( 5 ) 土方量的计算。研究了用于土方量计算的方格网法和三棱柱法；基于 a u t o c a d ，实现了挖方实体和填方实体及其土方量的计算。 ( 6 ) 开发了公路断面测量软件，分析了开发平台、开发语言、数据库的选择 及其相互关系，结合某公路带状数字地形图验证了软件的主要功能。 关键词：三维实体模型纵断面横断面里程土方量a u t o c a dv b a a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g y , 3 d e n t i t ym o d e l i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ns t u d i e da n da p p l i e de x t e n s i v e l yi n al o to f p r o f e s s i o 璐，b u tt h e r ea r er e l a t i v e l yl e s sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h eh i g h w a ys u r v e y , b e c a u s et h el a b o ri n t e n s i t yi sh i g hd u r i n gf i e l do p e r a t i o n so f h i g h w a ys u r v e y , 3 de n t i t y m o d e l i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e da n da p p l i e dt oh i g h w a ys u r v e y , w h i c hw i l lt r a n s l a t e f i e l do p e r a t i o n si n t oi n s i d eo p e r a t i o n s ，r e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y , s h o r t e nc o n s t r u c t i o n t i m ea n dg a i nag r e a to fe c o n o m i c a lb e n e f i t , s oi th a sr t li m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e i nt e r m so ft h es u p e r i o r i t yo f3 de n t i t ym o d e l i n gi nh i g h w a ys u r v e y , t h i sp a p e r h a sm a i n l yc a r r i e do nt h er e s e a r c ho f t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) d a t aa c q u i s i t i o n a tf i r s tt h eb a n dd i g i t a lt o p o g r a p h i cm a pi sp r e t r e a t e d , a l l p i c t u r el a y e r sa r ec l o s e de x c e p to n ew i t he l e v a t i o np o i n t s ，t h e n3 ds p a t i a ld a t ai sa c q u i r e d u s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fa u t o c a ds o f t w a r ea n dv b al a n g u a g e b a s e do ns e l e c t i v eg a t h e ra n ds q ls e r v e r2 0 0 0d a t am a n a g e m e n ts y s t e m t h ep r o c e s s o f3 dd a ma c q u i s i t i o ni sa n a l y z e df r o mt h ep l a n ed i a g r a mo fr o a d b e da n dt h em a po f v e r t i c a la n dt r a n s v e r s es e c t i o n ( 2 ) 3 de n t i t ym o d e l i n g f i r s t l y , d i g i t a le l e v a t i o nm o d e lp e m ) a n dt h es i d e e n l a r g e ra r i t h m e t i ci nt h ea r i t h m e t i co ft r i a n g u l a ri r r e g u l a rn e t w o r k s ( t i n ) g e n e r a t i o n a r es t u d i e d s e c o n d l y , t h ep r o c e s so f3 de n t i t ym o d e l i n gi sr e s e a r c h e du s i n gt h e p o w e r f u lf u n c t i o no f3 de n t i t ym o d e l i n gi na u t o c a ds o f t w a r e , w h i c hi st r a n s f e r r i n g t h ed a t a b a s ea n de s t a b l i s h i n gd e mb ya u t o c a ds o f t w a r ea n dv b ap r o g r a m m i n g l a n g u a g e a tl a s t , e v e r ym a n g l ei se x t r u d e da l o n gv e r t i c a l l yi na u t o c a d ，t r i a n g u l a r p r i s m i sg e n e r a t e d , a n d3 de n t i t ym o d e li sb u i l tu s i n gu n i o nb o o l e a no p e r a t i o n s ( 3 ) r e s e a r c h o nc a l c u l a t i o no fd i a g r a m sb a s i cs t r i n g m u t u a lc o n v e r s i o nb e t w e e n c o o r d i n a t e sa n dm i l e p o s to fa r b i t r a r yp o i n t si ss y s t e m a t i c a l l yd i s c m s e di nt h ed i f f e r e n t b l o c k so fs e c t i o n i n gr o u t ei nv e r t i c a ls e c t i o n ( h i g h w a y sc e n t e r l i n e ) ，a n dd e t e r m i n i n g m e t h o d so ff f a n s v c r s es e c t i o na r es m d i e di nv i e wo fb a s e l i n e c i r c u l a rg u r v ea n d t r a n s i t i o no 1 l w e ( 4 ) m a p p i n gv e r t i c a la n df f r n s v e r s cs e c t i o n o nt h eb a s i so fs t u d y i n gs e c t i o n i n g t e c h n i q u ei na u t o c a ds o f a a r e , v e r t i c a la n dt r a n s v e r s es e c t i o n sd r a w i n ga r er e a l i z e d b yp r o g r a m m i n g ( 5 ) e a r t h w o r kc a l c u l a t i o n t h e 鲥dm e t h o da n dt r i a n g u l a rm e t h o da r es t u d i e df o r c a l c u l a t i n ge a r t h w o r k t h e n , t h ef i l le n t i t y , c u te n t i t ya n d c a l c u l a t i o no fe a r t h w o r ka r e r e a l i z e db a s e do i la u t o c a ds o f t w a r e ( 6 ) s o f f w a rf o rm a p p i n gv e r t i c a la n dt l a n s v c l s es e c t i o n si sd e v e l o p e d ，a n dt h e n d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，d e v e l o p m e n tl a n g u a g e ， s e l e c t i o no fd a t a b a s e ，a n dt h e i r c o r r e l a t i o n sa l ea n a l y z e di nd e t a i l f i n a l l y , ac a s ei ss t u d yf r o ms o m eh i g h w a yb a n d i n g d i 萄t a lt o p o g r a p h i cm a p ，t h u st h em a i nf i m e t i o n so f t h es y s t e ma l ev e r i f i e d k e y w o r d s ：3 de n t i t ym o d e l ，v e r t i c a ls e c t i o n , t r a n s v e r s es e c t i o n , m i l e a g e ，e a r t h w o r k v o l u m e ，a u t o c a dv b a m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 拖瞧型 2 。7 年厂月。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：监蝴建2 0 0 7 年厂月；。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外研究的历史与现状 随着计算机硬件和软件的快速发展，其计算、建模、绘图等多种功能得到了 巨大的开发和利用，在人类研究、设计的现实生活中发挥着重要作用。公路测量、 设计、计算等也积极地投入到了计算机软件的二次开发和应用的行列之中，其中 三维建模技术得到了一定的开发和应用，特别是对a u t o c a d 软件的二次开发和应 用相对较多。 从国际c a d 计算机辅助产业的发展来看，它大体经历了四个发展阶段，2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代是开创时期，7 0 年代到8 0 年代是第一次发展时期，8 0 年 代到9 0 年代是第二次发展时期，9 0 年代到现在是第三次发展时期”。c a d 技术 诞生于上个世纪5 0 年代后期，i v a ns u t h e r l a n d 开发了s k e t c h p a d ，他为c a d 产业的萌芽走出了第一步，随后他又开创了计算机图形学的先河，计算机图形学 的发展使在计算机屏幕绘图成为现实。从c a d 技术的出现到7 0 年代末都是以二 维绘图为主要目标的，在此期间应用比较普遍的是c a d a m 、a u t o c a d 、 m i c r o s t a t i o n 等软件。由于工业界对c a d 技术需求强劲，7 0 年代末到8 0 年代中 期曲面造型和实体造型技术得到很快的发展，法国达索飞机公司开发的三维曲面 造型系统( c o m p u t e r a i d e d1 1 l r 一d i m e n s i o ni n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n , c a t i a ) 使c a d 技术从二维走向三维。s d r c 公司推出了i d e a s 软件，该软件是第一个完全基于 实体造型技术的软件。进入8 0 年代末期，计算机技术的迅猛发展、硬件成本的大 幅度下降为c a d 技术的应用提供了广阔的空间和发展的机遇，涌现了面向中端市 场的p r o e n g i n e e r 、id e a sm a s t e rs e r i e s 、c a t i a v 5 等软件。9 0 年代以来计算机 软、硬件技术的发展、创新以及计算能力的提高为c a d 技术的第三次发展带来了 前所未有的机遇，g r m d o w s 操作系统的普遍使用，也为c a d 提供了更好的发展前 景，国际c a d 产业进入了一个联合、收购、兼并繁荣的时期，在机械设计、建筑 设计、影视制作、视频制作、w e b 网的数据开发以及工程设计等方面都得到广泛 的应用【2 l 。 国外在交通工程中应用c a d 技术已有4 0 余年的历史，已能够将航测遥感所 拍摄的地形、地貌、地物信息存入计算机，构成基础地理信息库，进而对道路工 程进行系统分析，具有一系列很完善的理论模型和统计资料，形成了较为完善的 第一章绪论 c a d 系纠3 1 。如今有不少的c a d 软件都具备三维建模功能，如英国m o s s 公司 开发的h i g h w a y d e s i g n 系统、美国i n t e r g r a p h 公司开发的i n r o a d s 系统、德国i b & t 公司研制开发的c a r d 1 系统等等。目前公路c a d 软件系统分为独立自主型和二 次开发型两大类。独立自主型就是指不依靠其它图形系统的支撑，自己开发系统 所需的各项功能，整套系统自成一体，独立运行，比如德国汉堡i b & t 软件公司 研发的道路设计软件c a r d 1 ，它有独立的图形平台和统一的数据编译系统，从 测量数据采集、数据传输到道路平面图、纵断面图、横断面图设计以及土方量的 计算，形成勘测、设计、绘图一体化的道路设计软件。二次开发型是指对某图形 系统进行二次开发，充分挖掘所选图形系统本身所具有的二维和三维图形功能， 与独立自主型软件系统相比较而言其开发效率较高，但这种类型的软件必须在该 图形环境下运行，例如美国b e n t l e y 公司基于m i c r o s t a t i o n 基础平台二次开发 的g e o p a kr o a d ，它支持交互设计与可视化设计，其主要功能为项目管理、d t m ( 数字地面模型) 、平面与纵断面以及横断面的设计、土方计算、输出成果、3 d 模型、测量等，是一套基本涵盖道路工程勘测、设计、施工一条龙的专业系统d i 5 1 6 1 。 我国的c a d 技术应用与研究与国外相比起步较晚，许多国产的c a d 软件与 国外的优秀c a d 软件相比存在不少的差距，因而a u t o c a d 、s o u d e d g e 、c a t i a 、 p r o e 、u g 、a n s y s 、a d a m s 等国外c a d 软件几乎垄断了国内市场，这些软件 大量应用于我国的民用工业、航空航天等领域，潜伏着一定的不安全因素1 7 j 。面 对如此不堪的处境，国内一些研究院、高等院校等对c a d 进行了研究，开发了具 有自主知识产权的适应中国人使用特点的c a d 软件，如北京北航海尔软件公司研 制的c a x a 电子图板、c a x a m e 制造工程师软件，其中c a x a m e 是一种面向 机械制造业、中文界面、三维复杂形面的c a d c a m 软件。北京高华计算机有限 公司研制的高华c a d ，具有全程导航、图形绘制、明细表处理、圈阅、参数化设 计、尺寸标注、图像编辑等功能：合肥工业大学基于a u m c a d 与m d t 研制的三 维参数化注射模系统i p m c a d v 4 0 等等【引。 我国公路部门在7 0 年代末开始研究c a d 技术，同济大学于1 9 7 4 年在全国首 先收集和翻译国外关于道路路线优化技术和计算机辅助设计方面的资料。从1 9 7 9 年开始，重庆交通学院、同济大学、西安公路交通大学、交通部第二公路设计院 2 第一章绪论 等单位对公路平面线性优化和纵断面优化等技术进行了研究，对公路c a d 系统进 行了开发，如交通部第二公路勘察设计院开发的基于航测的计算机辅助设计软件、 交通公路规划设计院引进了e s p a d d 软件并进行了二次开发。上世纪8 0 年代， c a d 软件的开发平台转到微机上来，图形用户界面( g u i ) 技术广泛普及，公路 建设的高速发展，加快了我国公路c a d 系统的开发与应用。国内在航测技术的研 究与应用、计算机辅助勘测设计及计算机辅助绘图等方面做了大量的研究与开发 工作，开发出了一些有实用性的c a d 软件，如东南大学与交通部第一、第二公路 勘察设计院研制了自己的公路线路辅助设计软件，还有许多院校、交通设计院也 开发了公路路线微机辅助设计系统、公路涵洞c a d 系统、公路中小桥c a d 系统、 立交c a d 系统等，国内公路c a d 的研究基本上涵盖了路线、路基、路面、桥梁、 涵洞、交通工程、规划等各个方面的内容，其中路线c a d 系统和概预算系统的功 能较为完备。同时，国内在三维可视化方面也开始了研究，不过比较侧重于某一 特定范围的研究，而对线路及其道路上的各种建筑物的三维建模，特别是在线路 三维建模与地形三维建模之间的拼接而形成三维景观图方面还需要作进一步的研 究，这些是实现三维可视化的关键。目前，国内在三维建模方面也出现了一些比 较好的软件，如交通部第一公路勘测设计院开发的纬迪( h i n t c a d ) 系统，东南大学 开发的公路线路三维设计系统( 3 d r o a d ) 9 1 0 就目前而言，我国各省、区、直辖市的公路设计规划部门在公路项目的设计 过程中都应用了c a d 技术，具有真实背景的工程三维实体造型以及动画漫游在部 分大型公路工程可行性研究阶段和招投标中越来越多地出现，逐步兴起设计文档、 设计图库的计算机管理的潮流，基本上建立了单位。内部的计算机网络管理，使得 公路行业的技术有了很大的进步，也使得公路测设的质量和水平都有相当大的提 高1 9 。 综上所述，公路工程的三维化、可视化、动态化、集成化、网络化是国内外 公路c a d 技术的主要研究与发展方向，其中三维化具有不可争议的重要作用，必 将在我国的公路建设中得到广泛的研究和应用。 1 2 本文研究的目的和意义 公路是平、纵、横三方面组成的条带状的复杂的空间几何形体，其外形是否 美观、与周围环境是否协调，可运用公路陆续透视图、动态连续透视图、全景透 第一章绪论 视图或三维模型进行检验与评价【1 0 】。c a d 技术已经渗透到了公路测量、设计、施 工的每一个环节，尤其是计算机图形学的发展，使公路设计的三维可视化成为现 实，变静态设计为动态设计，如果利用c a d 软件系统建立三维模型可在任意视点 进行观察、分析和渲染得到具有真实感的效果图【1 。三维建模已经经历了从三维 线框造型到三维曲面造型、从三维曲面造型到三维实体造型的过程，并在三维实 体造型中引入了特征化技术、参数化技术和变量化技术【1 2 1 。三维设计对公路工程 有着显著的意义，尤其是对于复杂的公路立体交叉设计，因为公路立交设计除了 平面车道形式众多、参数繁杂以外，其纵断面上的高程设计也是相互牵制，必须 考虑诸多控制因素。在过去的二维设计手段下，要将平、纵这两者很好的结合起 来设计则是一件很难的事情，要完成立交桥的模型设计则更是一件不可能的任务。 目前常用二维工程设计图建立公路表面模型，然后再与地面表面模型进行交接、 融合而得三维组合表面模型，这种方法的基础是带约束条件的d d a u n a y 三角网 ( c d t ) 算法，由于公路设计面模型与地表面模型的不规则性和复杂性，对二者 的交接拼合计算较难实现，程序开发实现的难度也挺大，更何况曲面模型不能进 行剖切和切割，就不能直观方便地得到设计前、施工前所需的各种工程图，而公 路三维实体建模技术则能很好地解决公路表面建模所面临的难题。 三维实体模型与线框模型和曲面模型相比，是一种最为完善的几何模型，可 以很方便地对它进行任意断面的剖切，能够得到工程应用中所需要的各种信息， 因此公路三维实体模型在公路工程建设中将会有非常美好的应用前景，具体表现 在如下几方面【1 3 】 1 4 1 ： ( 1 ) 利用公路三维实体模型可以形象逼真地描绘出整个公路在设计过程中的 状态，可以让设计人员、工程管理人员、决策者事先直接全面地了解工程的情况， 加快工程的设计、审批速度，更快地进入施工程序。 ( 2 ) 由于有公路三维实体模型，所以在保存图的时候可以不必保存某些二维 图，只要通过剖切功能就可以容易地得到，这样使图的保存工作更加的简洁。 ( 3 ) 利用公路三维实体模型可以实现三维关联优化设计。公路的设计过程是 一个反复比选的过程，当发现土方量过大、横断面与实际地面组合不很合理、挖 填方严重失衡、边坡较高或受地质条件的限制而需要不断地调整平面中心线、纵 坡等时，应用三维关联优化就能实时地见到调整后的公路形状，使方案更加美观、 4 第一章绪论 切实、可行1 5 1 1 1 棚。 ( 4 ) 在公路工程中土方量的费用在整个工程造价中占有相当大的比例，精确 计算出土方量尤为重要。利用公路三维实体模型计算土方量，与常用的断面法、 格网法相比，具有方便快捷、结果精确的特剧埘。 简而言之，在公路设计之前如何在保证测量平面图、纵断面图、横断面图达 到所需精度的前提下，既省工而又及时高效地向设计人员提供这些图就成为测量 人员一个研究的课题，而充分利用目前比较普及的数字化地形图，通过三维实体 建模技术来完成这一课题是一个比较有效的途径，所以开展三维实体建模技术的 研究是很有必要的。 1 3 本文研究的主要内容 本文首先论述应用t i n 网生长算法建立地形表面模型和公路设计路基表面模 型的方法，在此基础上利用a u t o c a d 强大的三维实体建模功能，通过二次开发建 立带状地形三维实体模型和公路设计路基三维实体模型，并利用a u t o c a d 中的布 尔运算功能生成公路与地面三维实体整体模型，对带状地形三维实体模型进行剖 切，经过编程，生成公路设计时所需纵断面图、横断面图。利用带状地形三维实 体模型与公路三维实体模型的布尔运算，探讨计算公路土方量的计算方法，利用 a u t o c a d 内嵌的v b a 语言结合某地形资料实现上述思想。主要内容如下： ( 1 ) 在查阅大量文献的基础上，对c a d 技术及其在公路勘测、设计的发展 和现状，尤其是对三维模型的发展与应用加以较为详细的阐述。 ( 2 ) 数据的获取是三维实体建模的关键，直接利用数字地形图获取数据具有 很大的实用价值，本文利用a u t o c a d 的选择集对象，运用内嵌的v b a 语言编程， 实现从带状地形图的d w g 文件高程点图层中自动获取三维数据。进行t i n 网生 长算法中的扩展算法和数字高程模型的研究，通过编程建立数字高程模型，再运 用a u t o c a d 的拉伸功能，完成地形和公路的三维实体模型的构建。 ( 3 ) 系统地分析公路中线的计算和绘制；探讨纵断面图和横断面图生成过程 中任意点坐标和里程相互转化的计算方法；并探讨确定横断面的计算方法。同时 进行a u t o c a d 剖切技术的应用研究，利用a u t o c a dv b a 语言进行二次开发，生 成公路设计所需的纵断面图和横断面图。 ( 4 ) 对土方量计算方法进行研究，利用a u t o c a d 中的布尔运算功能对地形 5 第一章绪论 三维实体和公路路基三维实体进行求差、求交运算得到挖方实体和填方实体，即 当沿铅垂路径向上拉伸的公路路基实体模型，与沿铅垂路径向下拉伸的地形三维 实体进行“交”布尔运算时，获得挖方实体，利用a u t o c a d 的体积查询功能得到 挖方实体体积；当均为沿铅垂路径向下拉伸至同一水平面的地形三维实体与公路 路基三维实体求“交”后，得到新实体，利用a u t o c a d 的体积查询功能分别得到 公路路基三维实体和新实体的体积，则填方实体体积等于公路路基体积减新实体 体积。 ( 5 ) 应用前述的理论和方法，通过分析软件开发的研制思路、开发平台的选 择、数据库的选取、开发语言的选择及其与开发平台和数据库的关系，研制基于 w m d o w s2 0 0 0x p 操作系统、以a u t o c a d 为开发平台、以v b a 为开发工具、结 合s q l s e r v e r2 0 0 0 的公路断面测量软件。最后，应用某公路带状数字地形图测试 软件的各个功能模块，展示测试结果。 6 第二章兰维实体建模技术 第二章三维实体建模技术 2 1 三维建模的基本方法 在计算机图形系统中，三维建模的方法可以分为三大类，即线框模型、表面 模型、实体模型，这也代表了三维建模理论和应用的发展历程，它们都各有其特 有的编辑技术和创建方法【l s 】。 2 1 1 线框模型 如图2 1 ，线框模型最简单，只包含三维物体的顶点、边信息，即只能反映物 体的边界轮廓，不能进行消隐、渲染等。用a u t o c a d 可在三维空间的任何位置放 置二维( 平面) 对象来创建线框模型。a u t o c a d 也提供一些三维线框对象，如三 维多段线( 3 d p o l y ) 和样条曲线( s p t i n e ) 。在道路工程三维建模过程中，线框 模型只用于某些中间环节，如创建物体的边界轮廓、拉伸( 或称放样路径) 、旋转 轴、对称轴等。 图2 - 1 线框模型示例 2 1 2 表面模型 如图2 - 2 ，表面模型包括三维物体的顶点、边、面信息，可反映物体表面外观 形状。a u t o c a d 的曲面模型使用多边形网格定义镶嵌面。由于网格面是平面，所 以网格只能近似于曲面，多边形的网格越密，曲面的光滑程度就越高。常用的曲 面模型有三维多边形网格( 包括由3 d 命令创建的长方体、圆锥体、球体、圆环体、 楔体和棱锥体的外表面) 、自由形式的多边形网格( 3 d m e s h ) 、多面( 多边) 网格 ( p f a c e ) 、直纹曲面( r u l e s 切玎) 、平移曲面( 1 a b s u l 强) 、旋转曲面( r e s u r f ) 、 边界曲面( e d g e s u r f ) 、三维面( 3 d f a c e ) 等等，而在道路工程三维建模中使 用较多的是三维面，因为它是一种三边或四边曲面，形式简单，使用方便、灵活。 7 第二章三维实体建模技术 a u t o c a d 的三维平面模型主要是面域( r e g i o n ) ，它是以封闭边界创建的封 闭区域。边界可以是一条曲线或一条相近的曲线，组成边界的对象可以是直线、 多段线、圆、圆弧、椭圆、椭圆弧、样条曲线等，这些对象或者是自行封闭的， 或者与其他对象有公共端点从而形成封闭的区域，但它们必须共面，也就是在同 一平面上。面域在道路工程三维建模中应用较多，如创建物体的表面或截面。 念 图2 - 2 表面三维模型示例 2 1 3 实体模型 三维实体模型不仅包括三维物体所有的顶点、边、面的信息，而且包括体的 信息：不仅可对它的顶点、边、面进行操作，而且可定义物体的物理及材料性质， 计算体积、重心等质量特性，以用于工程分析( 如有限元计算) 。实体建模方法实 现创建基本实体，基本实体包括长方体、圆锥体、圆柱体、球体、楔体、圆环体 等，另外还有旋转实体、拉伸( 又称扫描) 实体，再经过如图2 3 ( 图中a 、b 分 别表示两个不同的实体) 所示的并、交、差等布尔运算而得到所需的任意形状组 合实体。共面的面域之间也可以进行布尔运算，以创建任意形状的组合面域。布 尔运算是面域和实体所具有的非常有价值的操作，是地面、路基等三维实体建模 的基础，如果对三维实体运用着色、渲染等技术，就可以使实体的表面表现出较 好的可视性，在三维动画、广告设计等领域也得到广泛的应用1 2 0 。 a 7 。a bc j 一、 、一，、。 ( c )( d ) 图2 3 布尔运算 8 第二章三维实伴建模技术 2 2 建模数据的获取 三维实体模型表面的数据包括平面和高程两种信息，获取建模数据的方法主 要有野外直接测量法、摄影测量数据采集法、从地形图直接获取数据的方法三种， 分述如下： 2 2 1 野外直接测量法 该方法比较适宜在比例尺较大、精度要求高，而采集范围小的条件下运用。 因为全站仪精度高、速度快、效率高、内业整理速度快等优点，所以在野外大多 选用全站仪测量。直接测量的优点是能够获得高精度的d e m 数据，缺点是人员的 劳动强度大、相对效率低。 2 2 2 摄影测量数据采集方法 该方法以航空、航天摄影以及遥感所拍摄的立体像对作为数据源，根据摄影 测量的基本原理，通过一定的人工比对获得所需d e m 的数据。这种方法优点是能 够在大范围内快速地完成任务，缺点是所需设备都很专业，且价格较高，对人员 的专业素质要求也较高。 2 2 2 3 从地形图获取数据的方法 长期以来，纸质地形图是公路测量的主要产品，它以图解的形式表达地面的 形状和起伏，只有通过数字化仪转换成数字信息，才能被计算机接受、处理。数 字化仪分为两大类，即图形数字化仪和图像扫描仪，与这两类数字化仪对应的方 法分别是手扶跟踪数字化和扫描数字化。该方法的主要优点是原始数据源( 地形 图) 较容易得到，对作业所需的仪器设备以及作业人员的能力要求不高，另外可 以在分版图上进行各要素的采集，利于提高作业效率。 目前，我国测绘生产部门大多采用基于a u t o c a d 开发的软件来生成和管理地 形图数据。在a u t o c a d 中，数据一般是按照地形要素分层存放的，如离散高程注 记点和高程注记文字一般放在一个图层名为“g c d ”的层中。由于应用a u t o c a d 的目的仅为绘制地形图，再加上软件功能的某些限制，一般把地物注记、高程注 记等作为属性数据，按注记文本在a u t o c a d 中进行组织、管理，在这种组织管理 的方式之下，图形和属性间的联系就仅体现在平面位置的靠近，因此就需要解决 所有地形点三维坐标的提取这个问题，通常利用a u t o c a d 所附的a u t o l i s p 、v i s u a l 9 第二章三维实体建模技术 l i s p 、v b a 、o b j e c t a x x 四种语言对a u t o c a d 进行二次开发，实现直接从数字 地形图中提取地形、地物点的三维坐标。 从数字地形图中提取数据的方法一般有两种，一种是从a u t o c a dd x f 图形 文件中提取，再选用适当的三维建模方法生成所需d e m 【1 9 1 ；另一种方法就是从 a u t o c a d 的d w g 图形文件中提取三维坐标。 本文利用a u t o c a d 内置的v b a 开发语言，直接在a u t o c a d 环境中实现离 散高程点和高程注记文本的匹配和提取，并输出三维坐标，存入s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库之中。 在v b a 程序中提取地形点数据的主要技术就是对象选择集( s e l e c t i o n s e t ) ， 它是被指定作为一个整体来处理的一组a u t o c a d 对象。一个选择集可以是由一个 对象组成，也可以是多个对象的组合。在编写v b a 的程序中，需要先创建选择集， 然后使用s e l e c t 方法向选择集中添加对象口们。该方法的语法如下： o b i e c t s e l e c tm o d e ，p o i n t l ，p o i n t 2 ，f i l t e r t y p e ，f i l t e r d a t a 其中：o b j c c t - - j 盘择集对 m o d e - 窗口模式( 选择位于矩形区域内的对象) 和窗交模式( 选择穿越多 边形区域的对象) ，其取值a c s e l e c t i o n s e t w i n d o w ，a c s e l e c t i o n s e t c r o s s i n g a c s e l e c t i o n s e t p r e v i o u s ，a c s e l e c t i o n s e t l a s t ，a c s e l e c t i o n s e t a l l p o i n t l v a r i a n t三维坐标，指定的第一点 p o i n t 2 一v a r i a n t三维坐标，指定的第二点 f i l t e r t y p e - 一i n t e g e r 可选，过滤器类型 f i l t e r d a t a - 一v ；埘a n t可选，过滤值 为了提高数据提取的效率，需要对图形进行预处理。首先把a u t o c a d 图形中 的离散高程注记点和高程注记文字使用粘贴( p a s t e o r i g ) 命令原位粘贴到一个新 的图形文件中。其次，考虑到图形中的注记点可能采用了点、多段线、圆、多边 形、块等多种实现方式，用程序把它们统一替换成块。经过预处理之后，就只有 文本和块两种类型的图元存在于“g c d ”图层中。由于可能存在重复的要素，所 以还需要清理重复的文本和块。 程序实现的主要代码( 对块选择集中的每个块进行处理) 如下： ( 1 ) 获取块插入点坐标，其平面坐标视为高程注记的平面坐标。 ( 2 ) 以插入点为中心，建立对文字过滤的窗交选择集s s c t o b j c c t 。 第二章三维实体建模技术 ( 3 ) 程序框图如图2 - 4 所示。 ( 4 ) 数据获取关键程序如下： i f s s e t o b j e l c o u n t = 0 t h e n e x i t f o r e l s e i f s s e t o b j e e t c o u n t = l t h e n f o re a c hc a ti ns s e t o b j e l d i mp t a sv a r i a n t p t = e n t c o o r d i n a t e s d i mh a s r e c o r da sb o o l e a n i s u s e r o p r t = f a l s e w i t ha d o d c l r e c o r d s e t m o v e f i r s t i fh a s r e c o r dt h e n m o v e n e x t e l s e a d d n 唧 f i e l d s ( 1 ) = v a l ( p t ( o ) ) f i e l d s ( 2 ) = v a l “1 ) ) f i e l d s ( 3 ) = v a l q “2 ) ) u p d a t e i s u s e r o p r t = t r u e m o v e l a s t e n d i f i s u s e r o p r t = t r u e e n d w i 血 n e x t e n d i f 该点是孤点，可以移出或删除 c a t 为对象实体 第二章三维实体建模技术 图2 - 4 从地形图获取数据程序框图 需要说明的是，窗交选择集窗口( p o i n t l 和p o i n t 2 ) 的设置和地形图的比例尺密切 相关，要根据处理的图形来试验优选。实际程序应该设置成可以在外部存取的变 量。有多个文字匹配时，因为文字对齐方式的缘故，不能根据块插入点到文字插 入点的距离进行简单的判断。 。 2 3 数字高程模型的建立 创建三维实体模型的关键是建立三维表面模型，笔者借用建立数字高程模型 的理论和方法建立三维表面模型，因此进行数字高程模型的研究在此是必要的。 辜 第二章三维实体建模技术 2 3 1 数字高程模型 数字高程模型( d e m ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 最早应用的领域之一就是 道路工程，1 9 5 7 年r o b e r t 在高速公路的设计中建议使用数字高程数据。1 9 5 5 年到 1 9 6 6 年间，麻省理工学院摄影测量试验室的c h a i r l m i l l e r 教授首次将摄影测量和 计算机结合起来，解决了道路工程的计算机辅助设计问题，最为重要的是他和 l a f l a m m e 一起提出了数字地面模型( d t m ，d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ) 的概念，其实 质就是利用任意坐标系中x 、y 、z 已知的坐标点对连续地面的统计表示。随后， r o b e r t 和其同事共同开发了第一个d e m 系统，该系统能够进行沿剖面的内插、剖 面间的土方填挖量的计算等，从而为土木工程设计提供一些有用数据。1 9 7 8 年， e t d o y l e 在其数字地面模型综述中对数字地面模型下了一个更广的定义，他 认为数字地面模型就是描述地面诸特性空问分布的有序数字阵列，在最通常的情 况下，所描述的地面特性是地面点的高程z ，它们的空间分布由x ，y 平面坐标 来描述，也可以用经纬度来描述。由e t d o y l e 的定义可知，数字地面模型并不完 全局限于对地面起伏形态的描述，它还可以描述比如地价、土壤类型、矿物储量、 人口密度等与空间分布有关的地面特性。通常认为数字地面模型有两个分支：其 中一个就是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度因子在内的 线型和非线性组合的空间分布，而d e m 则是零阶的单纯数字地面模型；另一个是 各种非地貌特性的以矩阵形式表示的数字模型，包括自然地理要素以及与地面有 关的社会经济及人文要素，如土壤类型、岩层深度类型、土地利用类型、地价、 商业区等等。由此看出，d e m 是d t m 的子集，是d t m 中最基本的一个部分， 是对地球表面地形地貌的离散的数学表达，其表达形式为： = ( ，】；，弓) ( 2 1 ) 式中：i = 1 ，2 3 j l ，( 五，巧) 是平面坐标，五是与( 置，巧) 相对应的值 2 1 】啦引。 d e m