张治中，叶 松

大范围地形及工程三维系统快速搭建方法

张治中，叶 松

（长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010）

在大范围地形及工程三维应用系统开发过程中，建模工作一直是较为耗时耗力的工作，该工作一般可分为地形建模和人工建筑物建模。结合具体项目，总结归纳了海量数据的分块预处理方法，采用CTS软件制作大范围地形模型、3D Max和Multigen Creator建模软件制作工程模型、一般模型建模的方法和经验，在一定程度上，减少了建模的时间和工作量。

三维仿真；建模；水工模型

目前，在国内外工程建设的各个阶段和建后的运行管理中，普遍采用三维仿真技术，辅助规划研究、工程设计、成果展示和业务管理［1］。

随着计算机技术、遥感技术、摄影测量技术及其相关技术的飞速发展，使得我们能够快速获取空间信息并重建三维景观成为现实。尤其值得指出的是，三维技术的出现和发展使人类对地表环境的认知方式产生了质的飞跃。在水文站网管理、输电线路管理、水资源综合开发、河道演变分析、堤防管理、水利工程宏观规划与信息管理等水电领域都有所应用。利用三维技术还可以逼真模拟人类尚未到达或难以到达的区域，由此可见，三维技术的研究与系统应用的迫切而又具有重要意义。

1 项目概述

南水北调工程是优化我国水资源时空配置的重大举措，是解决我国北方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目。北京段工程（以下简称“工程”）位于中线工程的末端，自房山北拒马河至颐和园团城湖终点，全长80.4 km，采用全封闭的管涵输水。除大宁调节池和末端几百米能见到水面外，其余全部在地下埋设。除起点惠南庄加压泵站工程外，还有穿越永定河、拒马河、大石河等大小32条河流的穿河建筑物；穿越京石、五环、四环等高速公路12处的穿路建筑物；穿越京广铁路、丰台铁路编组站等11处与铁路交叉的建筑物；2处穿越山丘的隧洞工程；另外还有穿越城区地铁干线五棵松地铁站的交叉建筑物。

为生动形象地展示南水北调中线工程北京段的建设成就，总结工程中采用的技术和施工方法，生动反映设计者和建设者在吸取前人经验教训的基础上，积极创新、追求人与自然和睦相处、工程与环境协调一致的可贵努力，项目借助三维仿真技术，开发了“南水北调中线工程北京段三维交互式演示系统”。

2 系统建模

构建一个界面友好、运行简单的软件系统，系统完全基于三维，既能从整体上，也能从局部上展现工程的建设情况、运行调度方式。表现内容主要包括工程建设实体、调水方案模拟、施工模拟3个部分。实体展示主要是水工建筑物和沿线周边人文经济发展情况，包括地上和地下部分。地下部分主要表现管线所穿立交和地铁等设施。调水方案模拟主要是模拟工程水工设施，包括闸、泵站、分水口、调压池、管涵的调水模拟。施工模拟主要是模拟工程施工过程中采用的新技术、新方法。用户可以对工程进行交互式漫游。整个系统以光盘为存储介质，不需安装，即可运行。

依据项目的建设目标和要求，制作北京市的三维地形模型，制作单项工程模型，包括北拒马河暗渠工程、惠南庄泵站工程、PCCP（预应力钢筒混凝土管道）工程、隧洞工程、大宁调压池工程、永定河倒虹吸工程、卢沟桥暗涵工程、西四环暗涵工程、团城湖明渠工程，其中西四环暗涵工程由于经过北京市四环线，穿过地铁、立交等，施工难度较大，属于重点表现内容，需制作沿西四环暗涵工程两边各500 m的所有建筑物模型。除西四环暗涵工程外，其余各项工程所处位置较为偏僻，根据需要零星制作建筑物模型。以模型为基础，制作调水和施工动画。构建一个真三维虚拟仿真平台，平台不基于第三方软件，完全从底层自主开发，支持基于模型的三维动画模拟。

2.1 数据准备

数据是系统的基础，数据的设计和组织直接影响到系统最后的效果和能否满足要求。本系统的开发使用了大量的数据，数据的收集与后期处理花费了大量的精力。以北京市地方坐标作为联系各种数据的纽带［2］。

（1）航空影像：选用整个北京市2005，2006年0.4 m分辨率的彩色航空正射影像作为生成大地形模型主要的影像数据源。大比例尺航空影像能更直观、清晰地反映地物信息，能够辅助制作西四环周边房屋、立交桥、地铁站的模型并提供位置信息，该数据格式为ecw格式。

（2）卫星影像：项目范围除北京市以外，还涉及到北京市与河北省相交的拒马河周边，航空影像并未包括，项目收集了约5 m分辨率的卫星影像作为补充，该数据格式为jpg格式。

（3）1∶100 000高程数据，该数据格式为img格式。

（4）工程建筑CAD图纸：对于局部需重点表达的水工建筑物，要求制作建筑物内部结构。工程建筑物CAD图纸，对精确制作模型非常重要，该数据格式为dwg格式。

（5）工程规划图纸：南水北调工程在规划之初，进行了工程的平面规划和建筑物的外立面效果图制作。由于项目进行时，大部分工程建筑物的外立面和工程的绿化、配套设施还没有完成，工程规划图和建筑物外立面效果图是制作模型外观的重要依据，该数据格式是dwg或jpg。

（6）照片：工程建筑物照片能够帮助开发人员理解CAD图纸；从中提取部分建筑物纹理；弥补部分建筑物没有CAD设计图纸。照片包括涉水建筑物照片和西四环周边建筑物照片，该数据格式为jpg格式。

2.2 模型的建立

项目开发工作大致可分为5个部分：地形模型开发、建筑物模型开发、动画开发、软件开发和系统集成。相互关系如图1所示。

本项目中地形模型开发是指使用航空正射影像、卫星影像和数据高程数据经过处理，生成大地形模型的过程。整个过程如图2所示。

图1 开发流程图Fig.1 Development flow chart

图2 地形模型制作流程图Fig.2 Flow chart ofmaking terrain model

由于项目获取的航空影像原始数据的坐标不是北京市地方坐标系统，而工程设计方提供的工程资料又多为北京市地方的投影坐标系统，为方便后续的系统集成工作，将所有空间数据转换为北京市地方坐标系统，采用取特征点纠正［3］。考虑到整个北京市的航空影像文件很大，直接使用将严重影响后续各项工作的工作效率，项目将影像分成4×4＝16块等区域文件。调整每个分块后的影像色彩，使之更符合人眼的习惯，更美观。所有数据准备完毕后，使用CTS（Creator Terrain Studio）对航空正射影像、卫星影像和数字高程数据进行处理，生成大地形模型。

建筑物模型开发包括水工建筑物和一般建筑物模型开发。水工建筑物是项目表达重点，要求根据工程设计图纸精细建模：要求表现建筑物内部结构及其内部的运转设备；对于周边的绿化和附属工程，已建成的按实际情况建模，未建成的按工程设计效果图建模。水工模型制作流程如图3所示。

由于工程收集的CAD图纸是由设计单位使用AutoCAD 2007制作，格式为dwg。其格式不能为Creator三维建模软件直接使用，必须先进行格式转换。项目所建模型是要进行实时驱动的，要求模型在满足要求的条件下，模型复杂度越小越好，面片数越少越好。Creator软件是专业的实时驱动模型建模软件，其制作的模型复杂度较小，但对于复杂的建模，功能有限。对于比较复杂、精细的建模，需要使用3D max。3Dmax制作的模型较为复杂，因此，必须先导入Creator中，进行模型简化和格式转换。再在Creator中，导入由3Dmax生成的3DS文件，使用面片合并功能，对面片进行合并，进行纹理修改整理后，另存为flt格式文件。

西四环建筑物（以下简称“一般建筑物”）主要是为了衬托水工建筑物，反映几何尺寸，反映工程周边复杂的施工环境，丰富场景，要求实现建筑物的外部轮廓和面貌。

图3 水工模型制作流程图Fig.3 Flow chart ofmaking hydraulicmodel

图4 一般建筑物制作流程Fig.4 Flow chart ofmaking a general building

照片主要用作模型的纹理和作为建模参考，辅助理解之用。故在拍摄时，应该注意：拍摄对象最好有各个方向的全景数张；拍摄细节部分，要求镜头尽量垂直拍摄平面，这样在制作模型纹理时，可以减少照片处理时间。此外，可以从影像上方便地了解建筑物的外部轮廓、建筑物的位置信息。所以，以分块影像作为建模底图。制作完成后的模型都具有统一的坐标系统，相互关系清楚。系统集成时，和大地形模型、水工建筑物模型的相互关系清楚，有利于系统集成。

3 关键方法

大范围地形与工程模型是搭建虚拟仿真系统中较为耗时耗力的工作内容，因此快速建模方法一直是虚拟仿真领域研究的重要方向，本项目尝试了一些新方法，在实际操作中，取得了良好的效果。

（1）分块处理高精度影像数据。三维仿真中的地形仿真往往以高精度的航空影像作为主要数据源，反映地物信息。米级乃至分米级的影像精度已用于工程。如果项目范围较大，则影像文件动辄上万MB。单一数据操作就需要数小时乃至一天的时间，而数据处理是系统的基础，极大地影响了系统开发时间。项目中采用将影像文件分块处理，使用Global Mapper工具，保留影像的空间信息，切割为数10个影像文件，每个文件400～500 MB。这样，单个文件的处理时间相应减少，总的处理时间也减少了。

（2）使用CTS生成大地形。CTS是Multigen公司研制的大地形处理工具，可以方便地生成LOD（Level of Detail）数据，不足之处在于其数据格式没用公开，只能由其公司软件读取。本项目研究了CTS数据格式，平台直接读取，避免了人工生成大地形数据，减少了生产时间。

（3）Creator、3Dmax混合建模。Creator是专业的虚拟仿真建模工具，但其建模功能有限；3Dmax是专业的建模工具，制作模型方便，但其不是针对虚拟仿真应用，用其制作的模型复杂程度较大不能被直接应用到虚拟仿真。项目采用Creator、3Dmax混合建模，根据模型的复杂程度，选择建模软件，加快了模型制作进度。

4 模型效果

模型加入场景后的效果如图5、图6所示。图5中，驮管车采用3D max精细建模。图6中，立交桥及两边建筑物采用Creator建模，远处场景采用CTS大地形建模。各类模型搭配合理，逼真度较高，系统运行流畅。

图5 施工工地截图Fig.5 Screen-capture of construction site

图6 大范围地形三维浏览截图Fig.6 Screen-capture of large-scale 3D terrain

5 结 语

本文侧重于实际的开发流程和经验，提出了一系列针对大范围地形及工程三维快速建模的方案，实现了大范围地形及工程三维快速建模和基于模型的运动模拟，经过项目验证，效果逼真流畅，方案可行。

［1］ 朱 庆，李德仁，龚健雅，等.数码城市GIS的设计与实现［J］.武汉大学学报（信息科学版），2001，26（1）：

8－11.（ZHU Qin，LIDe-ren，Gong Jian-ya，etal.The design and implementation of cyber city［J］.GIS Geo-matics and Information Science of Wuhan Universty，2001，26（1）：8－11.（in Chinese））

［2］ 张尚弘，张 超，郑 钧，等.基于Terra Vista的流域地形三维建模方法［J］.水利发电学报，2006，25（3）：

36－39.（ZHANG Shang-hong，ZHANG Chao，ZENG Jun，et al.A 3D watershed terrain modeling method based on software Terra Vista［J］.Journal of Hydroelec-tric Engineering，2006，25（3）：36－39.（in Chinese））

［3］ 曹 晶，邵远征，张 煜，等.大范围地形及城市三维快速建模与漫游［J］.长江科学院院报，2008，25（4）：40－43.（CAO Jing，SHAO Yuan－zheng，ZHANG Yu，et al.Fastmodeling and roaming of large terrain.Jour-nal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（4）：40－43.（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

·简讯· 美国劳伦斯大学师生到长江科学院访问交流

受长江科学院副总工程师吴昌瑜教授的邀请，美国劳伦斯（Lawrence）大学师生一行16人，于2009年12月16日下午来长江科学院参观访问，并与水资源所青年职工进行了友好的学术交流和讨论。长江科学院副院长陈进教授出席了交流会，向来访师生简要介绍了长江科学院的科研实力，及在三峡工程建设和长江治理中发挥的重要作用，并回答了劳伦斯大学师生提出的关于流域综合管理和南水北调等方面的学术问题。

会后，劳伦斯大学师生参观了位于九万方的三峡工程模型试验大厅，听取了河流所介绍的三峡工程相关试验情况。通过这次访问交流，劳伦斯大学师生对长江科学院科研能力和技术水平有了一定了解，并表示今后要加强双方的交流合作。

（摘自《长江水利科技网》）

Fast M odeling of Large Terrain and Engineering Constructions

ZHANG Zhi-zhong，YE Song
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

During the development of software system related to a three dimensional large-scale terrain and engi-neering construction，modeling，which includes terrain modeling and various hydraulic structuresmodeling，is a larger work-load of time-expending and manpower-consuming.In combination with the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer，the paper presents themassive data preprocessingmethod，using CTS tomake ter-rain，and using 3D Max and Multigen Creator to manufacture buildings.The result shows that thesemethods can conduct fastmodeling and reduce workload.

3D virtual reality；model construction； hydraulic model

TP311

A

1001－5485（2010）01－0022－04

2009-07-06

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项－长江科学院基金资助（ywf0720／kj03）

张治中（1978-），男，湖北武汉人，工程师，主要从事“3S”技术在水利行业中的应用研究，（电话）027-82926497（电子信箱）zhang-zz＠mail.crsri.cn。