渤海海峽跨海通道地形三維可視化建模技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

宋克志， 王夢恕， 譚忠盛， 侯洪超， 劉桂賓

(1. 魯東大學(xué)土木工程學(xué)院， 山東 煙臺　264025；

2. 北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京　100044)

?

渤海海峽跨海通道地形三維可視化建模技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

宋克志1， 王夢恕2， 譚忠盛2， 侯洪超1， 劉桂賓1

(1. 魯東大學(xué)土木工程學(xué)院， 山東 煙臺264025；

2. 北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心， 北京100044)

摘要：為給渤海海峽跨海通道規(guī)劃與建設(shè)提供可視化的三維地形模型，分析渤海海峽跨海通道的線位規(guī)劃，確定跨海通道沿線地形建模范圍。采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)作為渤海海峽地形數(shù)據(jù)源，并將其轉(zhuǎn)換成DED格式的數(shù)據(jù)，以適合MultiGen Creator建模；隨后分析Creator中OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、LOD技術(shù)和Delaunay三角形面構(gòu)建方法等關(guān)鍵技術(shù)；最后，對渤海海峽跨海通道三維地形模型系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模流程設(shè)計(jì)，成功構(gòu)建了視覺效果較好的三維地形，給出了沿線部分地形的可視化模型，為渤海海峽跨海通道規(guī)劃奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：渤海海峽； 跨海通道； 三維地形； 可視化建模

0引言

地形可視化問題最初是根據(jù)地理信息系統(tǒng)的三維可視化需求提出的。近年來，隨著工程領(lǐng)域與地學(xué)領(lǐng)域的交叉及計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)的發(fā)展，使大規(guī)模地形的三維可視化成為可能，其應(yīng)用領(lǐng)域已不局限于地理信息系統(tǒng)，而且在工程建設(shè)仿真、視景仿真等領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。渤海海峽跨海通道是當(dāng)前乃至今后幾十年我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項(xiàng)重大研究課題。渤海海峽跨海通道的修建不僅具有重大的交通意義、經(jīng)濟(jì)開發(fā)意義和對外開放意義，而且在政治、軍事和國防等方面都具有重要的戰(zhàn)略地位[3-4]。跨海通道的修建不僅要考慮方案選型及工程技術(shù)，而且要充分考慮復(fù)雜的地形、地貌及周邊環(huán)境的影響。開展渤海海峽跨海通道沿線三維地形建模研究，對通道選線、工程布局、登陸點(diǎn)選擇及兩端接線等工程規(guī)劃問題都具有重要的作用和意義。

關(guān)于大規(guī)模地形可視化建模，文獻(xiàn)[3]介紹了多分辨率LOD地形建模的相關(guān)理論和技術(shù)，提出了基于層次細(xì)節(jié)簡化和分形的真實(shí)感地形生成方法；文獻(xiàn)[4]利用LOD細(xì)節(jié)分層思想提出了一種地形 TIN模型，解決了不同分辨率TIN模型間的連續(xù)過渡問題，以及分塊TIN模型的創(chuàng)建問題；文獻(xiàn)[5]基于MultiGen Creator構(gòu)建了大規(guī)模虛擬地形模型，并對模型進(jìn)行了優(yōu)化，以減少內(nèi)存占用量，提高模型運(yùn)行速度；文獻(xiàn)[6]分析了數(shù)字地面模型的表示以及構(gòu)建 Delaunay三角網(wǎng)的3種典型算法，研究了大規(guī)模三維帶狀地形簡化技術(shù)，并運(yùn)用 Creator/Vega 與Open GL相結(jié)合的工程技術(shù)方案進(jìn)行了帶狀地形建模；文獻(xiàn)[7] 基于Creator仿真建模平臺，設(shè)計(jì)了海底隧道模型數(shù)據(jù)庫的樹狀結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了海底鐵路隧道、公路隧道及懸浮隧道等不同跨海通道形式的可視化模型，使工程各部位的基本信息及空間上的邏輯關(guān)系得到較好的體現(xiàn)。這些研究為渤海海峽跨海通道地形可視化建模算法提供了理論基礎(chǔ)，技術(shù)上也具有較好的借鑒意義，但針對渤海海峽跨海通道地形三維建模，目前未見有關(guān)報(bào)道。

本文以地形相關(guān)建模理論為基礎(chǔ)，基于MultiGen Creator平臺，對渤海海峽跨海通道沿線地形進(jìn)行可視化三維建模，以期為工程決策與規(guī)劃起到推動和指導(dǎo)作用。

1渤海海峽跨海通道線位規(guī)劃

渤海海峽跨海通道就是利用我國渤海海峽的有利地形，建設(shè)固定式的橋隧工程，北接遼東半島的旅順，南連山東半島的蓬萊，將渤海的“C”形缺口加以連通，變成“D”形交通，化天塹為通途，進(jìn)而形成縱貫黑龍江到海南11個(gè)省、自治區(qū)和直轄市，全長5 700 km的中國東部沿海鐵路交通大動脈，具有重要的戰(zhàn)略意義。渤海海峽沿線有32個(gè)島嶼，從北向南主要有北隍城島、南隍城島、小欽島、大欽島、砣磯島、猴磯島、大黑山島、小黑山島、北長山島、南長山島等。沿線水道有14條，其中登州水道7 km，老鐵山水道42 km。近年來，對渤海海峽跨海通道進(jìn)行了戰(zhàn)略規(guī)劃研究[8-10]，形成了對跨海通道連島工程的6條平面線位，如圖1所示。經(jīng)過綜合比選研究，推薦線位2為較優(yōu)方案，本文對渤海海峽跨海通道沿線的地形進(jìn)行三維可視化建模即基于這條推薦線位展開。

圖1　渤海海峽跨海通道線位方案

2渤海海峽跨海通道三維地形模型需求及數(shù)據(jù)分析

2.1模型需求分析

三維地形模型包括數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、地形模型構(gòu)建、地形模型轉(zhuǎn)換、地形紋理構(gòu)建和基本地物建模等部分。

渤海海峽跨海通道沿線地形模型形狀復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大，不可能采用人工建模，需采用地形自動建模方式。目前，用于進(jìn)行三維地形建模的開發(fā)軟件有很多，所需源數(shù)據(jù)格式因開發(fā)環(huán)境的不同而異。MultiGen Creator是杰出的實(shí)時(shí)三維仿真建模工具，可以在滿足實(shí)時(shí)性的前提下，生成面向仿真的、逼真度高的大面積地形。ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)數(shù)據(jù)的預(yù)處理可采用Global Mapper軟件，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及地形模型構(gòu)建采用MultiGen Creator軟件。在MultiGen Creator中進(jìn)行三維地形模型的生成算法及投影、紋理、層次細(xì)節(jié)等設(shè)置，將渤海海峽三維地形模型進(jìn)行集成，并生成OpenFlight格式的模型數(shù)據(jù)文件。

2.2三維地形模型數(shù)據(jù)采集

目前，建立DEM的方法有多種，按照數(shù)據(jù)源及采集方式來分，有直接地面測量、航空或航天攝影測量及現(xiàn)有地形圖采集。本文采用的ASTER GDEM即先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型，是由美國NASA(宇航局)與日本METI(經(jīng)貿(mào)及工業(yè)部)合作并由兩國的科學(xué)界、工業(yè)界積極參與制作完成的，可供全球免費(fèi)使用，其全球空間分辨率為1 rad/s，垂直精度約20 m，水平精度約30 m。ASTER GDEM每個(gè)文件記錄1經(jīng)度×1緯度網(wǎng)格范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，用1個(gè)3 601×3 601像素的.tiff格式圖片來記錄地形信息。渤海海峽的地理范圍在N37°～N39°、E120°～E122°，因此，選取2經(jīng)度×2緯度網(wǎng)格范圍內(nèi)的4個(gè)地形數(shù)據(jù)文件為研究對象，如圖2所示。

圖2　渤海海峽地形數(shù)據(jù)經(jīng)緯網(wǎng)格

Fig. 2Longitude and latitude grids of Bohai Strait terrain data resources

2.3地形數(shù)據(jù)格式及轉(zhuǎn)換

MultiGen Creator專用的數(shù)字高程數(shù)據(jù)為DED格式文件(Digital Elevation Data)[11-12]，獲取的ASTER GDEM(.tiff格式)地形數(shù)據(jù)文件不能直接使用，必須先將GDEM地形數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成MultiGen Creator支持的USGS DEM(U.S.Geological Survey Digital Elevation Models)格式或者DTED 專用格式，轉(zhuǎn)換由Global Mapper完成；然后，在Creator中將USGS DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DED格式數(shù)據(jù)。

3基于Creator的地形建模關(guān)鍵技術(shù)

3.1OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

OpenFlight格式的模型數(shù)據(jù)庫[13]是Multigen Creator的根基，它是一種樹狀層次化結(jié)構(gòu)。對于復(fù)雜的系統(tǒng)模型，它能把空間上各個(gè)獨(dú)立模型元素之間的相對位置、相互關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)以及模型單元的屬性和性質(zhì)加以清楚地表達(dá)。OpenFlight模型數(shù)據(jù)庫主要包括模型的幾何特征(Geometry)、層次結(jié)構(gòu)(Hierachy)及各種節(jié)點(diǎn)屬性(Attributes)3類信息，利用它可以方便地按照層次組織模型的幾何特性和屬性，并將其轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)形式，便于編輯和移動，非常適合對實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行遍歷操作，如圖3所示。

3.2地形模型構(gòu)建算法

3.2.1利用DED文件構(gòu)建地形

在Creator中，地形是一系列多邊形數(shù)據(jù)集合，Creator將其存儲為DED數(shù)字高程格式。將數(shù)字高程原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DED后，Creator是采用標(biāo)桿(Elevation Posts)來重新構(gòu)建地形的，通常標(biāo)桿間隔是原始數(shù)據(jù)網(wǎng)格的間隔，標(biāo)竿頂點(diǎn)即為多邊形頂點(diǎn)，如圖4所示。該數(shù)據(jù)集由胞單元(Cell)組成，而每一個(gè)胞單元在Y方向(緯度方向)由若干個(gè)標(biāo)竿劃分，由于X方向(經(jīng)度方向)要保證收斂，Creator會根據(jù)Y方向的標(biāo)竿數(shù)自動確定X方向的標(biāo)竿數(shù)，以保證標(biāo)竿間距的連續(xù)性，從而生成過渡平滑的地形表面。

圖3　OpenFlight模型數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)

圖4　地形構(gòu)建的標(biāo)桿

3.2.2地形模型的Delaunay三角網(wǎng)及其轉(zhuǎn)換算法

不規(guī)則三角網(wǎng)TIN (Triangulated Irregular Networks)[5]是通過從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角面來逼近地形表面。渤海海峽跨海通道地形建模，即采用Delaunay三角剖分[14-15]構(gòu)建數(shù)字地形結(jié)構(gòu)模型。Delaunay轉(zhuǎn)換算法主要用于使用 Z-buffering進(jìn)行遮擋計(jì)算的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所產(chǎn)生的地形數(shù)據(jù)庫完全是由三角形組成。使用Delaunay算法時(shí)，數(shù)字高程數(shù)據(jù)中的每個(gè)高程點(diǎn)都會被采樣，從最低的LOD地形模型生成，較低的 LOD 模型中的多邊形頂點(diǎn)被合并到較高的 LOD 地形模型中，實(shí)現(xiàn)了不同 LOD 地形之間的平滑過渡。Delaunay三角網(wǎng)的每個(gè)高一級LOD由低一級LOD的4個(gè)組來表示。采用 3 級 LOD 和 Delaunay 算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換的結(jié)果如圖5所示。

(a) 頂級

(b) 1級

4渤海海峽跨海通道地形可視化建模

根據(jù)上述分析，對渤海海峽跨海通道三維地形模型系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及建模流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖6所示。地形可視化建模的部分結(jié)果如圖7和圖8所示。

渤海海峽沿線總體地形模型經(jīng)緯度范圍取自N37°45′00″～N38°48′45″及E120°33′45″～ E121°15′00″，USGS DEM Level 1格式數(shù)據(jù)以1經(jīng)度×1緯度描述地形起伏，網(wǎng)格數(shù)量為3 601×3 601。采用Delaunay算法生成地形三角形面，緯度和經(jīng)度方向標(biāo)桿(Posts)尺寸皆取1，緯度和經(jīng)度方向標(biāo)桿數(shù)量為3 826×2 476，設(shè)置2級LOD細(xì)節(jié)模型，共生成高級LOD的三角形面302 940 000個(gè)。

5結(jié)論與體會

1)基于MultiGen Creator建模平臺，運(yùn)用大規(guī)模地形建模理論，設(shè)計(jì)了渤海海峽跨海通道三維地形的建模流程及模型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了渤海海峽跨海通道地形的OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了渤海海峽跨海通道沿線地形的三維可視化模型。

圖6　渤海海峽跨海通道三維地形模型結(jié)構(gòu)及建模流程

圖7　渤海海峽跨海通道沿線地形總體建模效果

圖8　北隍城島和南隍城島地形模型及其之間的懸索橋模型

2)通過OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，渤海海峽跨海通道沿線地形空間上各個(gè)獨(dú)立模型元素之間的相對位置、相互關(guān)系、層次結(jié)構(gòu)以及模型單元的屬性和性質(zhì)得以清楚、直觀地表達(dá)。

3)ASTER GDEM數(shù)據(jù)具有免費(fèi)、獲取容易、精度高等特點(diǎn)，作為渤海海峽跨海通道地形建模數(shù)據(jù)來源，具有較好的可行性。

4)本文推動了渤海海峽跨海通道工程向可視化、數(shù)字化方向發(fā)展，使得用戶和決策者對工程建設(shè)場地有直觀、形象地感受，對跨海通道工程決策和方案選擇具有一定的指導(dǎo)作用。

6致謝

本文地形原始數(shù)據(jù)來自http: //gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/網(wǎng)站，特此感謝。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]Paul B. Computer based terrain visualization techniques[J]. Computer Graphics, 2003, 23(3): 41-50.

[2]徐靜. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的隧道視景仿真系統(tǒng)研究[D]. 西安: 長安大學(xué), 2004.(XU Jing. Study on visual simulation of tunnel based on virtual reality[D]. Xi’an: Chang’an University, 2004.(in Chinese))

[3]王臻. 多分辨率LOD地形建模及簡化技術(shù)研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2007.(WANG Zhen. Study on generation and simplification of LOD terrain [D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2007.(in Chinese))

[4]武玉國, 杜瑩, 王曉明, 等. 大規(guī)模地形TIN模型的LOD算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, 17(3): 665-669.(WU Yuguo, DU Ying, WANG Xiaoming, et al. Lod-based algorithm of TIN model for large terrain simulation[J]. Jounal of System Simulation,2005, 17(3): 665-669.(in Chinese))

[5]張蓉. 基于MultiGen Creator的超大地形虛擬場景構(gòu)建[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2011.(ZHANG Rong. Construction of super-large terrain modeling based on MultiGen Creator[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2011.(in Chinese))

[6]成新文. 大規(guī)模三維帶狀地形可視化技術(shù)研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2010.(CHENG Xinwen. Study on visual simulation technology of large three-dimension strip terrain[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2010.(in Chinese))

[7]宋克志, 張廣東, 李傳明. 渤海海峽跨海通道可視化仿真建模研究[J]. 公路交通科技, 2008, 25(7): 107-112. (SONG Kezhi, ZHANG Guangdong, LI Chuanming. Visualization simulation modeling for trans-sea channels of Bohai Strait[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(7): 107-112.(in Chinese))

[8]王夢恕. 渤海海峽跨海通道戰(zhàn)略規(guī)劃研究[J]. 中國工程科學(xué), 2013, 15(12): 4-9.(WANG Mengshu. Strategic plan of Bohai Strait cross-sea channel[J]. Egineering Science, 2013, 15(12): 4-9.(in Chinese))

[9]宋克志. 渤海海峽跨海通道橋隧方案比選研究[J]. 中國工程科學(xué), 2013, 15(12): 52-60.(SONG Kezhi. Study on scheme comparison of bridge and tunnel for Bohai Strait cross-sea channel[J]. Egineering Science, 2013, 15(12): 52-60.(in Chinese))

[10]譚忠盛, 王夢恕. 渤海海峽跨海通道隧道方案研究[J]. 中國工程科學(xué), 2013, 15(12): 45-51.(TAN Zhongsheng, WANG Mengshu. Scheme study of Bohai Strait cross-sea channel[J]. Egineering Science, 2013, 15(12): 45-51.(in Chinese))

[11]王乘，周均清，李利軍. Creator可視化仿真建模技術(shù)[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社，2005.(WANG Cheng, ZHOU Junqing, LI Lijun. Visualizing simulation modeling technology based on Creator [M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2005.(in Chinese))

[12]段曉軍, 吳成富, 康鳳舉, 等. 低空突防實(shí)時(shí)仿真中DED數(shù)字地圖的地形提取技術(shù)研究[J]. 航空計(jì)算技術(shù), 2010, 40(4): 59-63.(DUAN Xiaojun, WU Chengfu, KANG Fengju, et al. Research and application on DED digital terrain pick up technology[J]. Aeronautical Computing Technique, 2010, 40(4): 59-63.(in Chinese))

[13]邵曉東. Creator 建模藝術(shù)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2014. (SHAO Xiaodong. Modeling art of Creator[M]. Xi’an: Xidian University Press, 2014.(in Chinese))

[14]劉承香, 趙玉新, 劉繁明. 基于Delaunay三角形的三維數(shù)字地圖生成算法[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2003, 20(5): 21-24.(LIU Chengxiang, ZHAO Yuxin, LIU Fanming. Generating algorithm of 3D digital cartographic based upon Delaunay triangulation[J]. Computer Simulation, 2003, 20(5): 21-24.(in Chinese))

[15]張曦, 王國權(quán), 龔國慶. 基于 MultiGen Creator 場景模型的建立[J]. 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 21(2): 21-25.(ZHANG Xi, WANG Guoquan, GONG Guoqing. Construction of scene models based on MultiGen Creator[J]. Journal of Beijing Institute of Machinery, 2006, 21(2): 21-25.(in Chinese))

3D Terrain Visualized Modeling Technologies for Bohai Strait-crossing Tunnel

SONG Kezhi1, WANG Mengshu2, TAN Zhongsheng2, HOU Hongchao1, LIU Guibin1

(1.CollegeofCivilEngineering,LudongUniversity,Yantai264025,Shandong,China; 2.TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofMinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:A visualized 3D terrain model of Bohai Strait-crossing tunnel is established, so as to analyze the alignment arrangement of the tunnel and to decide the modeling scope of the tunnel. The ASTER GDEM data are adopted as the resources for Bohai strait terrain; and then they are turned into DED mode. The technologies, OpenFlight data structure, LOD technology and modeling method of Delaunay triangle surface, are analyzed. The structural design and modeling sequence design of 3D terrain modeling system are made. Finally, the 3D terrain with good effect is established and the visualized model of local terrain of the tunnel alignment is established, so as to provide foundation for the planning of Bohai Strait-crossing tunnel.

Keywords:Bohai Strait; sea-crossing tunnel; 3D terrain; visualized modeling

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0137-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.003

作者簡介：第一 宋克志(1970—)，男，山東魚臺人，2005年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士后，教授,主要從事隧道及地下工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail: ytytskz@126.com。

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012EEL27); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278237)

收稿日期：2015-10-13; 修回日期: 2015-11-04