不同平臺下大比例尺TIN建模與分析

趙杏英，顧德山，周宇艷

（1.浙江華東測繪有限公司，浙江杭州，310030；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司杭州分公司，浙江杭州，310000）

0 引言

數(shù)字高程模型（DEM）是利用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型（DSM）的一個(gè)分支。數(shù)字高程模型的表示形式主要有規(guī)則矩形格網(wǎng)DEM與不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）兩種。規(guī)則矩形格網(wǎng)DEM其存儲量很小，非常便于數(shù)據(jù)處理和管理，因而得到了廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)就是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)與細(xì)部。TIN能較好地顧及地貌特征點(diǎn)、線，表示復(fù)雜地形表面比規(guī)則格網(wǎng)更精確，其缺點(diǎn)就是數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因而使用與管理也較復(fù)雜。

TIN表面模型中每個(gè)點(diǎn)只有一個(gè)Z值，TIN數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)是在三維空間中描述點(diǎn)，但是表面的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)卻是二維的。由于這個(gè)原因，TIN表面模型有時(shí)被稱為2.5維模型。因此，它是一個(gè)單值方程的例子，即給定一個(gè)位置，只有一個(gè)Z值可以被插值，TIN模型的一個(gè)重要的缺陷是它不能模擬不常見的負(fù)坡度的情況，如懸垂的懸崖和山洞等。

目前支持TIN構(gòu)建的軟件非常多，如常用的ArcGIS、GeoTIN、AutoCAD、Microstation 等等，其中ArcGIS是測繪與地理信息行業(yè)最大的GIS軟件平臺，而Microstation是設(shè)計(jì)院所青睞的三維設(shè)計(jì)軟件，其中的Geopak模塊為運(yùn)輸和土木基礎(chǔ)設(shè)施工程提供了一整套集成工具，可用來完成從現(xiàn)場到成型的整個(gè)設(shè)計(jì)過程。其數(shù)字地面模型（DTM）工具功能強(qiáng)大，運(yùn)行速度快，用戶能從野外測繪數(shù)據(jù)、文本文件、Microstation的2D/3D及CAD的圖形文件來建立數(shù)據(jù)地面模型。鑒于公司的業(yè)務(wù)范圍、專業(yè)特點(diǎn)和成圖比例尺，目前主要采用上述兩大軟件進(jìn)行三維建模，采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）。

1 TIN建模流程

通過公司多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐和摸索，TIN模型制作作業(yè)流程一般包括四個(gè)方面：數(shù)據(jù)處理、TIN構(gòu)建、TIN編輯和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

1.1 數(shù)據(jù)處理

建模的數(shù)據(jù)來源一般為外業(yè)實(shí)測的地形圖，鑒于用途目的和側(cè)重不同，建模前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，包括數(shù)據(jù)檢查、等高線處理、特征點(diǎn)、特征線選取和采集等工序。

（1）數(shù)據(jù)檢查。主要檢查等高線、高程點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程值是否正確，是否存在點(diǎn)線矛盾、等高線賦值是否有誤或漏賦等現(xiàn)象。

（2）等高線處理。利用等高線進(jìn)行建模前首先要保證等高線首尾相連，等高線無明顯斷開，尤其是在遇地勢突變或陡峭處，等高線較密，地形圖上采用斷開表示，如圖1建模前需要對等高線尤其是計(jì)曲線進(jìn)行連接處理，以保證模型的效果。

圖1 等高線處理Fig.1 Contour treatment

（3）特征點(diǎn)、特征線采集。在山頂、洼地、鞍部區(qū)域添加相應(yīng)的特征點(diǎn)。根據(jù)地圖比例尺，選擇重要的路、河流、湖泊等地物要素，進(jìn)行三維多段線的繪制。

1.2 TIN模型構(gòu)建

利用高程點(diǎn)、等高線、特征線、邊界等要素，借助軟件工具生成TIN模型。

1.3 TIN編輯

TIN編輯包括平坦三角處理、裁切處理和接邊處理三部分。平坦三角形是指構(gòu)成三角形的3個(gè)頂點(diǎn)具有相同高程值，在使用等高線生成不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其常出現(xiàn)在兩個(gè)相鄰等高線之間或一條封閉的等高線內(nèi)。平坦三角形連接在一起形成平坦區(qū)域，平坦區(qū)域往往導(dǎo)致DEM地形模型失真，對數(shù)字地形的分析產(chǎn)生影響，所以必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗图m正。平三角處理是TIN編輯中最重要和最繁瑣的工作，解決平三角的方法就是改變局部地區(qū)的構(gòu)網(wǎng)方向，可以通過增加特征點(diǎn)、特征線或手動進(jìn)行三角形換向?qū)崿F(xiàn)。圖2是平三角未處理以前的網(wǎng)形，圖3是增加特征線后的網(wǎng)形。

圖2 平三角處理前Fig.2 Flat triangles before treatment

圖3 平三角處理后Fig.3 Flat triangles after treatment

TIN模型構(gòu)建時(shí)，圖幅邊緣部分由于缺少構(gòu)網(wǎng)的基本條件，造成邊界部分模型的失真或者錯(cuò)誤，因此需要對TIN模型進(jìn)行裁切。裁切可以按照范圍線進(jìn)行批量裁切，也可以手工進(jìn)行。

對于分塊構(gòu)建的TIN數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行接邊和融合處理。若接邊處兩邊三角網(wǎng)趨勢相差較大，則要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，待修改完善后重新構(gòu)TIN及接邊處理。

1.4 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

根據(jù)需要，把TIN模型轉(zhuǎn)換成其他數(shù)據(jù)格式，供其他軟件平臺使用。

2 不同軟件平臺TIN技術(shù)分析

為了使模型整體效果較好或使局部更加精細(xì)、光滑，同時(shí)在軟件自動化處理后，盡量減少后期的人工勞動，對ArcGIS和Geopak兩套軟件TIN建模的底層技術(shù)問題進(jìn)行分析與研究，主要包括模型參數(shù)控制、平坦三角形處理、模型編輯、模型的導(dǎo)入導(dǎo)出四個(gè)方面。

2.1 模型參數(shù)控制

模型參數(shù)指三角網(wǎng)的邊長和三角網(wǎng)的角度，合理控制三角網(wǎng)的邊長和角度可以避免平三角和狹長三角形的產(chǎn)生。ArcGIS利用等高線進(jìn)行TIN模型構(gòu)建時(shí)，在提取等高線節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，會計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，對節(jié)點(diǎn)較稀的部分會自動插入節(jié)點(diǎn)，避免由于節(jié)點(diǎn)過稀形成狹長三角形。Geopak利用等高線進(jìn)行TIN模型構(gòu)建時(shí)，只提取等高線節(jié)點(diǎn)用于建模。圖4是原始等高線的節(jié)點(diǎn)，圖5和圖6是分別在ArcGIS和Geopak中生成的三角網(wǎng)。從兩者的網(wǎng)形可以看出，圖5的三角網(wǎng)較合理，視覺效果較佳，對兩者精度的分析發(fā)現(xiàn)差異不大，都能滿足精度要求。

圖4 原始等高線節(jié)點(diǎn)Fig.4 Original contour nodes

圖5 ArcGIS中構(gòu)建的三角網(wǎng)Fig.5 Triangle net in ArcGIS

圖6 Geopak中構(gòu)建的三角網(wǎng)Fig.6 Triangle net in Geopak

此外，Geopak需要對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行論證，邊長設(shè)置的合理性將直接影響到三角網(wǎng)的形狀和地形的逼近程度，該功能在構(gòu)建大面積河流、湖泊、島嶼等三維地形時(shí)尤為重要。同時(shí)，通過最小曲線長度和直線長度的控制，盡量避免平三角和狹長三角形的產(chǎn)生。由于ArcGIS中各項(xiàng)參數(shù)都不用設(shè)置，也不能進(jìn)行設(shè)置，因此用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行TIN模型構(gòu)建，ArcGIS中產(chǎn)生的平三角形的數(shù)量比Geopak明顯要多，見圖7和圖8。

圖7 ArcGIS中生成的平三角Fig.7 Flat triangles in ArcGIS

圖8 Geopak中的生成的平三角Fig.8 Flat triangles in Geopak

2.2 平坦三角的處理

Geopak對于平坦三角形的處理沒有好的解決方案，不論是檢查還是修改都需要手工進(jìn)行；Arc?GIS軟件通過組合利用空間處理工具和TIN編輯工具，可以實(shí)現(xiàn)平坦三角形的批量修正，不但可避免繁瑣的編程工作和手工勞動，而且可得到理想的修正結(jié)果。

2.3 模型的編輯

在ArcGIS中，TIN模型的編輯是通過向已有TIN模型添加要素對其進(jìn)行改進(jìn)，模型作為一個(gè)整體，不能單獨(dú)分解。Geopak中對于TIN模型的編輯功能比較完善，不僅提供了一套TIN編輯工具，如增加刪除三角網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)、邊換向、多余三角形、三角邊刪除等等，可以對三角網(wǎng)進(jìn)行逐個(gè)修改，也可以通過向已有TIN模型添加要素進(jìn)行TIN模型的批量修改。TIN模型不僅可以分解，也可以對分解后的多個(gè)模型進(jìn)行融合，便于大數(shù)據(jù)量模型的處理，提高工作效率，因此是真正意義上的TIN編輯。

2.4 模型導(dǎo)入導(dǎo)出

ArcGIS支持影像數(shù)據(jù)格式如GRID的導(dǎo)出，ArcGIS 10.0版本新增了對Landxml的支持，可以利用Landxml數(shù)據(jù)生成TIN模型。Geopak目前不支持影像數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)出，只支持矢量數(shù)據(jù)格式如Landxml的導(dǎo)出，因此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)平臺的數(shù)據(jù)交換和共享需要一定的努力。

3 結(jié)語

對ArcGIS和Geopak軟件TIN建模底層技術(shù)問題進(jìn)行分析與研究發(fā)現(xiàn)，可以在作業(yè)中綜合使用兩大軟件平臺建立精細(xì)、光滑的大比例尺數(shù)字高程模型，取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高工作效率。另外，通過多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，在數(shù)據(jù)的處理上也探索出了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

（1）在利用已有數(shù)據(jù)進(jìn)行建模時(shí)，數(shù)據(jù)需要經(jīng)過篩選，并不是越多模型效果越好，特別是大比例尺數(shù)字三維建模。在利用高程點(diǎn)數(shù)據(jù)參與建模的時(shí)候，高程點(diǎn)要合理選擇。在有等高線的區(qū)域，高程點(diǎn)一般可以舍去，除地勢突變需要保留的高程點(diǎn)或等高線彎曲度較大，容易產(chǎn)生平三角形情況除外。

（2）等高線遇三維面狀地物如三維路、河流、雙線溝渠時(shí)，最好斷開處理并刪除內(nèi)部多余的高程點(diǎn)，確保模型的效果。

（3）最后，在添加特征點(diǎn)、線修正平三角或狹長三角形時(shí)，高程值的設(shè)置非常重要，高程的取值會影響局部區(qū)域的合理性，使三角網(wǎng)呈現(xiàn)突兀或下陷現(xiàn)象，造成地形失真。

[1]仝巧珍,王燕午,吳永軍.構(gòu)建TIN過程中平三角形處理的研究[J].山西建筑,2011，37（23）：202-204.

[2]于娟,張麗萍,張永忠.基于ArcGIS空間處理模型的TIN平坦三角形處理[J].地理與地理信息科學(xué),2009（2）：131.

[3]王海英.MICROSTATION軟件GEOPAK在地形圖編輯中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009（6）：360-361.

[4]劉戰(zhàn)江.水利測繪在基于Microstation平臺三維設(shè)計(jì)軟件中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2012（1）：112-113.