楊成杰, 姚志宏, 楊 潔

(1.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院, 河南 鄭州 450011; 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029)

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水土保持科技示范園地上下一體化三維建模

楊成杰1, 姚志宏1, 楊 潔2

(1.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院, 河南 鄭州 450011; 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029)

[目的] 探討水土保持生態(tài)科技示范園三維建模的流程和方法，以期為后續(xù)數(shù)字園區(qū)建設奠定基礎。 [方法] 基于園區(qū)GPS測繪以及地面調(diào)查數(shù)據(jù)，將可視化建模技術應用于水土保持工程中。 [結果] 以江西省水土保持生態(tài)科技園為例，運用約束三角剖分和空間插值等技術，解決了地物與地形的無縫拼接、土壤實體建模、植物模型快速生成等關鍵問題，最終構建了包含工程措施、植被、土壤等要素的園區(qū)地上下一體化三維模型。 [結論] 開發(fā)的三維可視化系統(tǒng)，可以更好地發(fā)揮水土保持生態(tài)示范園區(qū)的科學支撐、社會宣傳、典型帶動和示范輻射作用。

三維可視化; 數(shù)字水土保持; 三維建模; 水土保持科技示范園

文獻參數(shù)： 楊成杰, 姚志宏, 楊潔.水土保持科技示范園地上下一體化三維建模[J].水土保持通報，2016,36(4)：103-106.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.018

“水土保持科技示范園”是指具有水土保持的社會宣傳、示范推廣作用和科普示范功能，能夠代表區(qū)域內(nèi)水土流失的主要類型、程度、危害及生態(tài)環(huán)境、地質地理等基本特征，便于開展科學研究和技術推廣的科研試驗和示范推廣園區(qū)。隨著計算機相關專業(yè)的飛速發(fā)展以及在水利行業(yè)應用的深入，運用可視化技術對水土保持科技示范園的地形、植被、土壤以及各種水土流失綜合防治工程進行三維建模，并通過“虛擬現(xiàn)實”的方式在計算機上與用戶進行互動，在水土保持科普教育、技術推廣、工藝成果展示、交流平臺拓展等方面具有重要意義。本研究以江西水土保持生態(tài)科技示范園為例，探討構建園區(qū)地上下一體化三維模型中存在的關鍵性技術問題，以期為后續(xù)數(shù)字園區(qū)建設打下堅實的基礎。

1　模型表達

經(jīng)過多年的研究，GIS領域出現(xiàn)了幾十種三維數(shù)據(jù)模型。從表達方法上看，可以分為基于面表示的數(shù)據(jù)結構和基于體表示的數(shù)據(jù)結構[1-2]：前者側重于3D空間表面表示，如地形表面、地質層面等，通過對面的描述形成3D空間目標表示，其優(yōu)點是便于顯示和更新數(shù)據(jù)，不足之處是空間分析難以進行；后者側重于3D空間體的表示，如水體、建筑物等，通過對體的描述實現(xiàn)3D空間目標表示，其優(yōu)點是適于空間操作和分析，但存儲空間占用較大，計算速度也較慢[3-4]。水土保持科技示范園具有面積較大、地形復雜和工程措施類型眾多等特點，傳統(tǒng)的規(guī)則格網(wǎng)和等高線模型不能對梯田、土壤等對象進行精細表達。經(jīng)過對比研究，采用體模型為主、面模型為輔的方式進行園區(qū)地上下一體化三維可視化建模，各主要模型分類方法包括： (1) 地上模型。地上模型主要包括工程和植被措施，工程措施采用CSG(constructive solid geometry，構造實體幾何)模型表達，其中簡單對象可由系統(tǒng)自動生成，復雜對象由商業(yè)三維軟件建模后導入到系統(tǒng)；植被防護措施則根據(jù)功能類型以及重要程度分別采用模型導入法、數(shù)值法和平面樹法建模。 (2) 地下模型。地下模型主要包括地層模型和園區(qū)內(nèi)布置的排水措施。園區(qū)地層以土壤采樣數(shù)據(jù)通過插值生成實體模型來表達；而地下排水措施在通過其它軟件建模后，還需要導入系統(tǒng)中與地層進行布爾運算得到切割后真實的地下空間幾何形態(tài)。 (3) 地形模型。地形是各種地物的母體，也是地上與地下的分界面。地形建模的精度直接影響到整個園區(qū)的可視化表達效果，為適應地形的起伏，構建時必須考慮各種地物的約束邊界。從自然的角度來看，地層的上表面即為地形，故將地形建模后生成的三角網(wǎng)通過公共邊界與地層下表面和側面進行連接，直接作為地層模型的一部分進行表達。

2　建模流程

首先利用高精度的GPS，完成水土保持示范園內(nèi)道路、試驗區(qū)、水利設施、人工建筑等位置和形態(tài)的測繪；然后結合地面調(diào)查，獲取點、線、面等二維地物的位置信息和平面幾何形狀，利用約束三角剖分算法建立高分辨率科技園地形模型，解決建模過程中的數(shù)據(jù)融合問題，實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)與地物、樹木三維模型的無縫疊加，并結合土壤取樣數(shù)據(jù)建立地層模型；最后將所有模型導入三維引擎，開發(fā)生態(tài)園區(qū)三維可視化系統(tǒng)進行成果展示。

3　三維模型構建

3.1地物建模

項目區(qū)內(nèi)水保工程建筑物種類繁多，包括谷坊、淤地壩、梯田、魚鱗坑、給排水系統(tǒng)、管理房等。它們是獨立的三維地物，在數(shù)據(jù)結構上完全獨立，與地形之間僅僅是一種位置的相對關系。由于幾何形態(tài)比較復雜，不能直接用Direct 3D或OpenGL這樣的底層三維圖形庫來進行建模，通常的方法是與其它功能強大的三維建模軟件結合，利用一定的算法，將三維軟件創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)讀取到引擎中，然后利用這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中重構并顯示[5-6]。在引擎中導入其他格式三維模型一般要經(jīng)過如下步驟： (1) 建立讀取*.3 DS，*.FBX等交換格式的接口類，包含有文件格式相應的數(shù)據(jù)結構； (2) 讀取交換文件數(shù)據(jù)到上述建立的數(shù)據(jù)結構中； (3) 將讀取的數(shù)據(jù)結構轉化為用于引擎繪制的數(shù)據(jù)結構； (4) 用引擎的圖形渲染模塊完成最后的圖形繪制。圖1顯示了這種處理方式的效果。

圖1　導入系統(tǒng)的三維模型

3.2地形建模

TIN(triangulated irregular network，不規(guī)則三角網(wǎng))進行地形建模分為基于點集的剖分和基于邊界的約束剖分兩種方法。散點剖分只能保證點在三角剖分中的存在性，無法引入地面建筑的邊界邊，在實際的處理過程中會產(chǎn)生非法三角形，不符合實際的要求。由于區(qū)域內(nèi)地物眾多，地形起伏較大，各種建筑物與其他地物要素有著顯著的不同點，同一建筑物的下底面是較為規(guī)則的且高程值是相同的，而自然地表通常是高低不平的，即建筑物輪廓線各點的高程值基本上是不同的。此類數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)重構可采用計算幾何中非常成熟的約束Delaunay(CDT)三角剖分算法。Delaunay三角網(wǎng)由Delaunay于1934年在Voronoi圖的基礎上演化而來，是分析研究區(qū)域離散數(shù)據(jù)的高效通用工具，被廣泛應用于圖形學的各個領域。約束Delaunay三角網(wǎng)是標準Delaunay三角網(wǎng)的擴充，同樣具有Delaunay三角網(wǎng)的兩個特性，它選擇最鄰近的點形成三角形，并使得約束線段成為三角形的邊[7-8]。對比散點剖分，由于約束條件的限制，約束剖分可人為增加對地形細部特征的顯現(xiàn)，使生成的三角網(wǎng)更加逼近真實地貌。

3.3土壤建模

土壤是由固體、液體和氣體組成的三相系統(tǒng)，其中固體顆粒是組成土壤的物質基礎，這些大小不同的固體顆粒的組合百分比稱為土壤質地。土壤質地可分為砂土、壤土和黏土3大類。土壤質地對植物有直接的影響，是水土保持中重要的研究內(nèi)容。通過鉆孔取樣數(shù)據(jù)，可以快速構建整個項目區(qū)內(nèi)的土壤模型，步驟如下：首先根據(jù)土壤分類提取每層土壤的層頂坐標，然后采用空間插值算法擬合出各土壤地層的界面，最后將地層的上下表面以及側面組合起來形成一個封閉的空間，作為某層土壤模型的幾何輪廓[9]。

3.4植被建模

樹木作為自然界的重要組成部分，在三維場景中被大量使用，植被防護也是水土保持中重要的工程措施之一。水土保持生態(tài)科技示范園內(nèi)，有大量的各種類型的林木，如何對這些自然樹木進行高效的建模并顯示，是系統(tǒng)必須解決的關鍵問題。經(jīng)過分析對比，根據(jù)園區(qū)內(nèi)各種樹木的重要程度、生長特點以及顯示效果需求的不同，劃分為以下3種方法進行建模： (1) 模型導入法。采用與地物建模相同的方法，利用一定的算法，將其他三維建模軟件生成的樹木模型讀入到三維引擎中重構并顯示。模型導入法生成的樹模型由大量的三角形組成,效果逼真，但對計算機的性能要求較高，僅適用于少量重點植被的建模。 (2) 數(shù)值法。算法模擬實現(xiàn)的效果取決于對現(xiàn)實中自然樹木各個典型特征的挖掘，自然樹木造型各異，但都可由顏色、高度、主干半徑、分枝位置、各分樹枝與主干的夾角等變量來描述。在算法的表達上，運用面向對象技術將自然樹木生成算法封裝成類，通過輸入樹木不同的顏色、高度等參數(shù)生成不同模型。數(shù)值法生成的樹由程序自動構建，可控性較強，有很多成熟且經(jīng)典的算法可供利用，但是由于算法中采用大量的遞歸及循環(huán)調(diào)用，對于特征不明顯的樹木實現(xiàn)起來難度較大且效果不夠逼真。 (3) 平面樹法。模型導入法和數(shù)值法生成的樹，都是真正的三維對象，在場景中大規(guī)模應用對計算機的性能要求很高，因此在實際的系統(tǒng)開發(fā)中，對于不太重要的樹木，通常采用“平面樹”來進行表達，即在場景中的矩形平面上貼樹木的圖片，并啟用混色、透明等特效，讓樹的背景呈透明狀態(tài)，達到以假亂真的效果。

由于在場景中貼的只是一張平面圖，為了使用戶不能從側面“發(fā)現(xiàn)”這只是一張圖形，有兩種比較好的處理方法：一種是在平面樹的垂直方向再增加一個平面樹，形成“十字交叉樹”；另一種就是使場景中的平面樹隨著場景的變動在每一次渲染時繞Y軸發(fā)生相應的旋轉，即樹的正面始終對著觀察者，讓人感覺和觀察到的三維圖像沒有區(qū)別。平面樹是假三維樹，它只是場景中的一張貼圖，只要有照片都可以輸入場景，實用性較強，并且效果較逼真，顯示速度極快，可在場景中大量應用。3種方法生成的樹木模型對比如圖2所示。

圖2　三維樹木模擬

4　系統(tǒng)實現(xiàn)

隨著三維可視化技術在水利行業(yè)中的廣泛應用，人們已經(jīng)不僅僅滿足于一般的工程場景瀏覽，對三維系統(tǒng)的圖形、聲音、控制等有了更高的要求。用戶希望在友好的可視化人機界面交互下，像玩游戲一樣來控制三維場景，實現(xiàn)駕馭式可視化，直接在三維環(huán)境中完成工程規(guī)劃、設計、施工模擬、空間分析等工作[10]。因此，結合本系統(tǒng)的總體需求分析，開發(fā)了一套簡單易用、功能豐富且支持屬性與空間數(shù)據(jù)一體化管理的三維可視化系統(tǒng)，進行示范園區(qū)地上下模型的展示，系統(tǒng)運動效果如圖3所示。

圖3　三維可視化效果圖

5　結 論

“數(shù)字水土保持”是“數(shù)字地球”、“數(shù)字流域”技術和思想在水土保持研究和管理領域的應用與拓展，是“數(shù)字地球”的專業(yè)化和具體化，構建包含工程措施、植被、土壤等要素的地上下一體化三維模型是其中重要的研究內(nèi)容。本文以江西省水土保持生態(tài)科技園為例，對三維模型的流程、方法和關鍵技術問題進行了研究，開發(fā)了可以提供場景旋轉、縮放、飛行漫游、要素查詢、數(shù)據(jù)管理等功能的三維可視化系統(tǒng)，對更好地發(fā)揮水土保持生態(tài)示范園區(qū)的科學支撐、社會宣傳、典型帶動和示范輻射作用具有較重要的現(xiàn)實意義。在示范園區(qū)模型基礎上增加觀測、試驗數(shù)據(jù)，建立區(qū)域內(nèi)不同水土流失要素模型，并模擬水土流失動態(tài)演變是課題下一步研究的重點。

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[5]卡斯帕森.三維動漫游戲開發(fā)編程入門[M].北京:清華大學出版社,2014.

[6]葉至軍.Visual C++/DirectX9 3D游戲開發(fā)導引[M].北京:人民郵電出版社,2006.

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Three-dimensional Modeling for Aboveground and Underground Integration of Soil and Water Conservation Demonstration Park

YANG Chengjie1, YAO Zhihong1, YANG Jie2

(1.InstituteofResourcesandEnvironment,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,He’nan450011,China;2.JiangxiProvincialKeyLaboratoryofSoilErosionandPrevention,Nanchang,Jiangxi330029,China)

[Objective] Through studying three-dimensional(3D) modeling processe and method, we expected to provide solid basis for subsequent building of digital park. [Methods] Based on GPS mapping and ground survey of the park, visualization modeling was applied to the soil and water conservation project. [Results] Jiangxi Soil and Water Conservative Ecological Science and Technology Park was taken as an example, constrained triangulation and spatial interpolation were employed to solve some key issues. For example, seamless tiling of surface features and topography, soil body modeling, rapid generation of plant model, and so on. Finally a 3D model with aboveground and underground integration system including such elements as project measures, vegetation, and soil, etc., was constructed. [Conclusion] The developed 3D visualization system can make the water and soil conservative ecological demonstration park playing a better role in scientific support, social promotion, typical drive and demonstrative radiation.

3D visualization; digital soil and water conservation; 3D modeling; soil and water conservation demonstration park

2015-10-27

2015-11-11

國家自然科學基金項目“真三維空間索引支持下的復雜地學模型剪切技術研究”(41201382); 河南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃項目(13IRTSTHN023); 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室開放項目(JXSB201303)

楊成杰(1979—),男(漢族),河南省洛陽市人，博士,講師,主要從事水利信息化、地學三維建模及空間分析方向的研究。E-mail:waterycj@126.com。

B

1000-288X(2016)04-0103-04

P208