三维地学建模与可视化三维模型的建立

3 三维模型的建立 三维地学建模与可视化 主要内容 三维空间构模方法地面三维景观模型的建立地下三维显式建模 三维空间构模方法 三维空间构模方法分类 1 基于几何描述的分类针对地学空间目标几何特征的描述分为面元模型和体元模型 2 基于拓扑描述的分类Zlatanova将三维拓扑空间模型数据结构分为两组 维护对象 维护关系 拓扑模型由二维向三维发展困难 三维拓扑模型往往针对具体领域 3 基于节点数据的分类矢量构模 栅格构模 矢栅混合构模或集成构模 三维空间数据模型 三维GIS和三维地质建模的核心和关键是三维空间数据模型的构建 目前三维空间数据模型理论和技术的不成熟 是影响三维GIS深入发展和应用的瓶颈 在过去的几十年内 国内外的许多专家学者在此领域内都做了相当多的探索 相继提出了多达30余种空间数据模型 一般归结为三种 面模型 体模型 混合模型 面模型 基于面表示的模型是用3D空间实体的表面来表示的 如地形表面 地质层面 构筑物 建筑物 及地下工程的轮廓与空间框架 所模拟的表面可能是封闭的 也可能是非封闭的 面模型 不规则三角网TIN格网模型Grid边界表示B Rep 通过面 环 边 点来定义形体的位置和形状 详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接关系 有利于以面 边 点为基础的各种几何运算和操作线框模型WireFrame 把目标空间轮廓上两两相邻的采样点或特征点用直线连接起来 形成一系列多边形 然后把这些多边形面拼接起来形成一个多边形网格来模拟三维物体的表面序列断面模型SerialSections 通过平面图或剖面图来描述矿床 记录地质信息 面模型 面模型侧重于三维空间实体的表面表示 易于形成三维实体的轮廓 便于数据显示和属性数据更新 不足之处是由于缺少三维几何描述和内部属性记录而难以进行三维空间查询与分析 体模型 基于体表示的模型是以3D空间实体的体元分割来表示的 体元的属性可以独立描述和存储 因而可以进行三维空间操作和分析 基于体表示的模型主要有结构实体几何 CSG 三维规则格网3DGrid或体素Voxel 四面体格网TEN 八叉树Octree 三棱柱体Tri Prism 非规则块体 体模型 实体 Solid 模型采用多边形网格来精确描述地质体边界 同时采用传统的块体模型来独立地描述形体内部的属性分布 既可以保证边界构模的精度 又可以简化体内属性表达和体积计算 似三棱柱体QTPV或类三棱柱体ATP 广义三棱柱体GTP用GTP的上下底面的三角形集合所组成的TIN面来表达不同的地层面 然后利用GTP侧面的空间四边形面来描述层面间的空间关系 用GTP柱体来表达层与层之间内部实体 体模型 体模型侧重于三维空间的体元分割 可完成实体的内部属性描述和实体的真三维表达 便于进行空间操作和空间分析 其缺点数据为存储量过大 占用过多计算机存储空间 混合模型 混合数据模型综合了面模型和体模型的优点 以及综合规则体元与非规则体元的优点 但因模型更复杂 实现起来难度更大 尤其在当前3DGIS的三维建模理论和技术还不成熟的情况下 混合模型 基于八叉树和四面体格网的混合数据模型Octree TEN的推出是因为随着空间分辨率的提高 Octree模型的数据量将呈几何级数增加 且八叉树模型始终只是一个近似表示 原始采样数据一般也不保留 而TEN模型则可以保存原始观测数据 具有精确表示目标和表示较为复杂的空间拓扑关系的能力 因此将两者优点结合起来从而建立八叉树和四面体网混合模型 混合模型 基于八叉树和四面体格网的混合数据模型Octree TEN的推出是因为随着空间分辨率的提高 Octree模型的数据量将呈几何级数增加 且八叉树模型始终只是一个近似表示 原始采样数据一般也不保留 而TEN模型则可以保存原始观测数据 具有精确表示目标和表示较为复杂的空间拓扑关系的能力 因此将两者优点结合起来从而建立八叉树和四面体网混合模型 混合模型 八叉树与不规则三角形格网的混合模型TIN Octree即以TIN表达三维空间物体的表面 以Octree表达内部结构 用指针建立TIN和Octree之间的联系 其中TIN主要用于可视化与拓扑关系表达 线框与块段混合模型即以WireFrame模型来表达目标轮廓 以Block模型来填充其内部 地面三维景观模型的建立 在构建数字城市的过程中 城市三维景观建模是一个重要的组成部分 城市三维景观的建立 将以全新的方式表达和处理地理空间信息 在城市规划 房地产开发 交通管理 旅游等领域起着重要的作用 城市地面景观模型包括地形与地物模型 可细分为地表 建筑物 道路 园林绿化等模型 地面三维景观模型的建立 基于Skline的地面三维景观模型的建立 Skyline软件是利用航空影像 卫星数据 数字高程模型和其它的2D或3D信息源 包括GIS数据集层等创建的一个交互式环境 它能够允许用户快速的融合数据 更新数据库 快速和实时地展现给用户3D地理空间影像 利用Skyline软件来对城市快速建立三维景观和地下管线模型 可以起到其它软件难以达到的快速 形象的效果 由于Skyline在三维显示及分析方面具有独特的优势 利用Skyline进行二次开发能够很好展示三维模型 Skline三维建模软件 Skyline包括TerraBuilder TerraExplorerPro TerraGate等产品 TerraBuilder支持多种数据格式 能够将不同分辨率 不同大小的数据进行融合 投影变换 构成一个公共的参考投影 创建地理精准的三维模型 通过叠加航片 卫星影像 数字高程模型以及各种矢量地理数据 能迅速创建海量三维地形数据库 Skyline包括TerraBuilder TerraExplorerPro TerraGate等产品 TerraExplorePro包含实时三维地形可视化功能 同时还能够在三维场景上创建和编辑二维文本 图片对象和三维模型对象 从标准GIS文件和空间数据库中读取各种地形叠加所需要的信息 将整合之后的三维虚拟数字地球场景发布到局域网或互联网上 使用户在任何地方都可以实现轻松快捷的三维交互式体验 以场景的独特视角展现地貌特征 视域 地物间关系等 Skline三维建模软件 TerraExplorerAPI提供了一套强大的接口用来集成TerraExplorer TerraExplorerPro和用户自定义应用 它提供了一些访问外部信息扩展的方法 如 访问数据库或基础地理空间数据 所有这些以COM协议为基础的API接口都可以通过脚本语言操作 例如Javascript 也可以通过非脚本语言来控制操作 例如 C VB或者 net TerraExplorer也提供了一套ActiveX控件 可将三维窗口 信息树和导航图以控件对象的方式嵌入到用户自定义的可视化界面中 Skline三维建模软件 Skyline支持多种模型格式 SketchUP 3DSMax制作的模型文件转换格式之后可直接加载到TerraExplorerPro中 提供Oracle ArcSDE等数据库接口 拥有强大数据处理能力 支持交互式绘图工具 提供三维测量及地形分析工具 Skline三维建模软件 基于Skline的地面三维景观模型的建立 在Skyline中 地形建模的方法主要是在DEM数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示 地物建模则要根据地物的不同特点分别采用不同方法进行建模 对居民楼 道路 水池等比较规则的一般建筑物可采用Skyline批量建模或单独建模 对标志性建筑和一些特殊地物则可采用3DSMax进行精细建模 基于Skline的地面三维景观模型建立 1 三维地表模型的生成三维地表模型的生成具体操作是通过TerraBuilder模块来实现的 TerraBuilder可以将海量的影像以及高程资源建立成无缝的地理数据库 生成三维地形场景文件 首先建立一个球体工程 对该工程进行参数设置 其中包括对生成的地表数据集中高程数据的最小值 min 和最大值 max 的设置 然后将坐标系统一的地形DEM和遥感影像导入工程 生成分辨率金字塔文件 mpt格式 以便能够流畅地显示空间信息 该格式的文件即为反应地形起伏和表达真实地面纹理的地形数据集 从而得到三维地表模型 基于Skline的地面三维景观模型建立 2 地物建模 Skyline的批量建模城市景观建模中 许多居民楼不需要表现结构细节 如 对于大片的简单建筑群进行建模时 可以使用Skyline的批量建模功能 能够显著提高建模效率 建模时 在TerraExplorerPro模块里 加载要素层 有多种格式的文件可以加载 如 CAD图形交换格式 dxf和ArcGIS的 shp格式都可以直接导入到skyline的地形模型上 将二维建筑图层拉伸成简单的三维建筑 再对建筑物的高度 样式进行调整 并进行纹理贴图 添加建筑物的属性数据 包括名称 标签等信息属性 基于Skline的地面三维景观模型建立 3 地物建模 专业的三维精细建模对于一些结构比较复杂的建筑物是无法使用Skyline批量建模的 因为简单的拉伸会使其建筑结构失真 尤其是一些标志性建筑 必须采用专业的三维建模软件3DSMax来对其进行精细建模 如 将经过筛选的CAD底图导入3DSMax建模 所有模型以一栋建筑为一个对象进行输出 输出前首先获取此建筑物中心点坐标值 然后调整好位置和相关属性 再导入Skyline中 基于Skline的地面三维景观模型建立 4 地物建模 Skyline自带的三维模型库其他的地物 也可以使用Skyline自带的三维模型库中的模型 在TerraExplorer的安装目录下有一个Data Library 里面有Skyline自带的三维模型 比如汽车模型和垃圾桶模型 在菜单栏TOOLS目录下 里面的urbandesign可以创建城市道路 在创建道路的同时可以选择道路两边的树木和路灯模型 通过复制可以得到树木和路灯模型 也可在几何建模基础上 通过对其赋予不同的纹理贴图来得到不同的模型 基于Skyline的校园三维建模与信息发布实例 本实例以大学校园数字地形图 CAD 遥感影像图作为源数据 通过Skyline进行校园三维场景的建立实验 1 首先通过ArcGIS软件将CAD数据转换成shp格式的矢量数据 根据高程点图层的高程点信息建立TIN 然后使用ArcGIS软件提供的3DAnalyst模块功能 将TIN输出为栅格图像 获得校园高程模型 DEM 同时 将原始的遥感图像进行配准等处理 将其与得到的数字高程模型一同导入TerraBuilder中生成三维地形模型 MPT 文件 基于Skyline的校园三维建模与信息发布实例 本实例以大学校园数字地形图 CAD 遥感影像图作为源数据 通过Skyline进行校园三维场景的建立实验 2 在TerraExplorerPro环境中 可以导入由CAD图提取的Shape图层 作为建筑物的底图进行大批量的建筑物建模 同时 对于一些复杂的建筑物 在三维建模软件3DSMax中建立好模型后再导入到Skyline中 移动到相应的位置 在TerraExplorerPro环境中 将地表模型和三维模型数据集合 最终生成一个Fly格式的高仿真三维景观文件 基于Skyline的校园三维建模与信息发布实例 基于Skyline的校园三维建模与信息发布实例 Skyline系统集成是指TerraExplorer新建一个工程 将之前生成的地物模型和虚拟校园的三维地表模型导入其中 生成最终用于网络发布的飞行文件 FLY 研究的虚拟校园系统主要实现了三维地图的拖动 漫游 翻转这三个基本功能 同时还实现了三维对象查属性和属性查图这两个自定义功能 用户可以在对象搜索选项中输入要查询对象的名称 确定后系统便会自动搜索定位到目标对象 并且弹出一个页面来介绍该建筑的基本情况 基于Skyline的校园三维建模与信息发布实例 城市地下管网三维建模 城市地下各类管网是一个城市重要的基础设施 担负着信息传输 能源输送及给水排水等任务 是城市生存和发展的基础 因此被称为城市的 生命线 目前的地下管网管理大多是采用人工方式 信息化程度高的建立了二维管理信息系统 不利于直观展示管线的分布 管理效率低下 难以动态管理地下管网 地下管网三维建模与分析应用 能够为城市地下资源管理 管线规划和3D虚拟城市建设等提供辅助决策 具有重要意义 城市地下管网三维建模 地下管网三维模型的建立要求动态实现基于节点 管道接头 阀门 三通 四通 数据 管井数据 二维管线数据的地下三维管网模型与可视化 并对遥感影像数据 DEM 三维建筑模型等数据进行组织管理和导入系统 使地下三维管网模型与地面建筑物对应 以更直观的方式快速定位管段位置 将各类管网间的空间位置关系直观形象的表达 方便快捷地查看管网的连接和交叉情况 将其中的复杂关系呈现给城市规划部门及施工单位的技术人员 可以进一步提高系统人机交互性 同时利用GIS空间分析功能 可以实现基于管网数据的空间分析 为决策部门提供支持与服务 城市地下管网三维建模 基于Skyline的地下管网三维建模与分析首先需要将遥感影像数据和DEM数据在TerraBuilder中融合并建立金字塔模型 输出模型文件 再导入到TerraExplorerPro中以显示三维效果 管网节点三维建模则运用三维建模软件3DSMax实现 通过3DSMax中点和线的三维渲染方法对管点生成三维模型 由于Skyline在三维显示及分析方面具有独特的优势 利用Skyline进行二次开发能够很好地展示三维模型 基于Skyline的城市地下管网三维建模主要是对矢量化的管线数据进行Skyline开发生成管网 并结合管点的三维符号化 更加直观地查看管网的连接和交叉情况 基于Skyline的城市地下管网三维建模与分析应用实例 本实例结合3DSMax三维建模技术 在VS2008编程环境下 采用Skyline和ArcGISEngine相结合开发建立地下综合管网系统 1 三维管线的生成 根据管线的属性数据 管线种类 起点坐标与埋深 终点坐标与埋深 在Skyline软件中根据接口CreateCylinder方法 创建三维管线 在Skyline软件的最新版本 V6 中已提供直接生成管线的接口方法 但是在以前的版本中需根据生成圆柱体等方法变相生成管线 基于Skyline的城市地下管网三维建模与分析应用实例 2 三维管点的生成 运用三维建模软件3DSMax对管点进行三维建模 通过3DSMax中的点和线的三维渲染方法对管点生成三维模型 然后基于管点的属性数据 坐标 旋转角等信息在Skyline软件中根据接口CreateModel的方法 创建三维管点数据 基于Skyline的城市地下管网三维建模与分析应用实例 实例开发了一个基于某3D虚拟城市的地下管网辅助设计原型系统 系统能够动态管理管网的空间数据和属性数据 可以实现属性查询 最短路径分析 缓冲区分析并搜索需要关闭的阀门以及进行三维显示等功能 通过缓冲区分析 自动建立管网周围一定距离的带状区系统的特色是能进行管线的预铺设 将预铺设的管线数据导入系统中 生成三维管线与其他综合地下管线比较 发现遮挡穿越的管线 直观的进行高程调整 与地表路面和建筑结合判断埋设位置的合理性 基于3D虚拟城市的地下管网系统示例 基于3D虚拟城市的地下管网系统示例 系统采用VisualStudio2008 ArcEngine10作为开发平台 开发语言为C 系统实现功能包括 三维地形场景的快速构建 存储管理和调度显