2011年 2月 第 1期 城 市 勘 测 Urban Geotechnical Investigation ＆ Surveying 文章 编 号 ：1672—8262(2011)01—40—03 中 图分 类 号 ：P208 Feb．2011 No．1 文 献 标 识 码 ：B 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) 摘 要 ：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 。 关 键词 ：等 高 线 ；三 维 地 形 ；建 模 技 术 l 概 述 自 1998年美 国副总统 戈尔提 出数字 地球 的概念后 ， 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 ， 数字地球的理念逐渐得到了人们 的广泛认 同。数 字地球 模 型精度视 格大小而定 ，格 网越小 ，格网密度越大 ，模型 是指 以地球作 为对象 的、以地理坐标为依据 ，具有 多分辨 精度越高 ，但数据量也越大 ；反之则模型精度较低 ，数据量 率 、海量的和多种数据融合 的，并可用多媒体 和虚 拟技术 较小 。使用规则格 网模型 表达地 形时 ，如 果选用较 小 的 进行多维 (立体 的 和动态 的 )表 达 的，具有 空 问化 、数 字 格 网，则会在地势平缓地 区出现数据冗余 ，而选 用较大格 化 、网络化 、智能化 和可视化特征 的技术系统 。 网时 ，又不能准确表 达地 形细部 特征 。这种 建模方 式大 计算机技术 、虚 拟技 术 、数 据库 技术 、可视 化 技术 、 多用在地 势比较平缓地区的地形建模 。 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 j。 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 1广三维建 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 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 i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 。 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 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 收稿 日期 ：2010— O5～3O 作者 简 介 ：魏 翔 (1980 )，男 ，工 程 师 ，主 要 从 事 虚拟 城 市 的建 设 与 研 究 工作 。 

第 1期 魏翔等 ．基 于等高线的三维地形建模 方法 41 求的前提下 ，都会 建 立 比较 精 细 的 地形 模 型 ，而埘 于大 (2)在 3ds Max 8软件 【{』导 入 dwg格 式 的等 高 线 规模 的地形 建模 ，则 会 造成 其 数据 量 t分 庞大 ，往 往 会 数 据 ，如 图 3所 示 。 在 Geometry Options中启 用 Corn— 发 生建立完 成 的精细 地 形模 型 不 能够 实 现 实 时渲 染 和 bine Objects by Layer选项 ，这 样 导 入 的 等 高 线 数 据将 交互 操作 ，因此 ，必 须 采 用有 效方 法 来 控 制 当前 场 景 中 会 按层 合并 对 象 ，即每一 层 等 高 线 合并 成 为 一 个 Edit— 的数据量 。一般人都 有这样 的经验 ，当视 点离 场 景 中的 able Spline对象 ，同时 将 会 自动 被 命 名 为 “Layer：区 域 地形 较远时 ，观 察 耆更 多是 从 宏观 上 进 行观 察 ，这 时 就 名称 一Layer一高程 值 ”。 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 多足从 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 ‘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 市不 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 ，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 图 3 等 高 线数 据 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 (3)在 3ds Max中 编 写 脚 本 代 码 ，根 据 Editable 范 围 。将 表 示视 角范 围 的上下 左 右 四个 面和 远 近剪 切 Spline对 象 名称 获 取 其 对 应 的 等 高 线 高 程 ，并 将 Edit— 面之 内的空 问定 义为 视 景 体 ，用 视 景 体 与场 景 进 行 比 able Spline对 象 移 至相应 高度 。主要 脚本代 码 如下 ： 较得 到有 效 的 可视 范 同 ，将 不在 可 视范 围内 的点 删 除 ， ctourail"= selection as array for i= l to ctouran"．count do 以减 少数 据量 。 4 建模 方 法 目前 ，大部 分 的 汁算 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 ，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 ，冈此 ，三 角 形 成 为 维模 型使 用 最多 的图元类 型 ，同时 ，儿 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 维 地 形 模 型 采用 三 角形 为基 本 图元 ，使 用 若 十 三 角 形 相 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 巾导 出等 高线数 据 。首 先选 取 ( ) etourspllne=ctourarr[i] ct0ur plinenaH】eslrarr=filterString ctourspline．nam e ” 一 ” ctour Plinezvalue=ctoursplinenamestran"[3]as float ctourspline．pos．z=ct0ursplinezvalue (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 建模 区域 内的等 高 线 ，然 后 按 照 等 高 线 高 程 属 性 进 行 (5)可 以使 用 Parameters、Simplification以及 Color 分层 ，并将 层名 以“区域 名称 一Layer一 高程 值 ”的方 式命 by Elevation等 卷 展 栏 里 的命 令 对 地 形 模 型 进 行 调 整 名 ，最后 输 出为 dwg格 式 的文 件 。 和 优化 ，调 整后 的地 形模 型 如 图 5所示 。 

42 城 市 勘 删 2011年 2月 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 。 参考文献 [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 J 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 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 二 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 8l0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t角 面构 成 。 (a)线框模型 (b)实体 模 型 图 6 较 精 细 模 型 (a)线框模型 (b)实体模型 图 7 较 简 单 模 型 述 [J]．化 工 矿 产 地 质 ，2006．4，245～250 M ethod of 3 D Terrain M odeling Based on Contour Data W ei Xiang，W u Xi (Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China) A bstract：W ith the rapid development of inform atization，the theory and technology of digital earth has gradually come to m aturity． The 3D terrain that is the most basic components of digital earth plays a very important role。 This pa— per presents the modeling technology and the optimization technology of 3 D terrain，and builds a 3 D terrain model in 3 ds Max based on contour data．Then the comparison and analyses of the optimized 3 D terrain models will be presented． Key w ords：contour；3 D terrain；m odeling technology