杜 研，王方雄，王 博

（1.辽宁师范大学 自然地理与空间信息科学辽宁省重点实验室 城市与环境学院，辽宁 大连 116029）

地貌模型一般有二维模型和三维模型2种表达形式，三维地貌建模是地貌可视化的一个重要方面，它通过三维模型直观、形象地描述地貌的空间分布、位置、形态和内部结构特征[1-3]。三维地貌建模技术是当前自然地理学与地理信息系统领域关注的热点。SketchUp是一款功能强大而又简单易用的三维草图设计工具[4]，与其他专业而又复杂的三维建模软件（如3D Max、AutoCAD等）相比，在快速构建三维地貌模型方面具有明显优势[5]。SketchUp还提供了直接从Google Earth获取数据资源并将制作好的三维地貌模型导入Google Earth的功能，可以实现三维地貌模型在Google Earth上的无缝运行[6]。

1 三维地貌模型的逻辑结构

三维地貌模型可以表现三维空间中的地表形态与地表要素，同时展示地貌剖面的岩性与地质构造（褶皱、断层）等。三维地貌模型主要由地貌骨架模型和地貌纹理构成。三维骨架模型可以利用SketchUp等三维建模工具建立，建模数据使用ArcGIS、AutoCAD等工具从地形图、数字高程模型（DEM）或高程数据中提取；地貌纹理包括表征地表形态与地表要素的地表纹理和示意表达地形纵横剖面的岩性与构造等地质特征的剖面纹理，纹理数据来源于遥感影像图、DEM渲染图、地形图以及各种地质地貌专题图等，采用Photoshop等图像处理软件按照三维骨架模型的地表二维大小和剖面尺寸处理为合适的地表纹理与剖面纹理。三维地貌模型的构成要素、数据来源以及基于SketchUp的建模流程如图1所示。

2 基于等高线的三维地貌建模技术

图1 三维地貌模型的构成要素及建模流程

基于等高线建立三维地貌模型是三维地貌建模的主要技术手段。等高线数据可以使用GIS软件（如ArcGIS）矢量化地形图等高线、基于DEM的自动生成等高线或者对实测高程点进行插值计算生成等高线，这是等高线数据的主要来源；或者使用AutoCAD软件对等高线或实测高程点[7]进行处理，绘制生成多线段（PL）的等高线数据。基于等高线的三维地貌建模技术关键是对等高线进行高程赋值，有2种赋值方法：一种是在SketchUp软件中编辑等高线组的高程，另一种是先在AutoCAD中设置等高线的标高（如图2 b所示），然后再将带有标高的等高线数据导入SketchUp中。为等高线设置高程值后，在SketchUp中选中全部等高线，使用“绘图-沙盒-从等高线生成”工具，自动创建三维地貌曲面，对地貌曲面进行三维体构建及处理，删除冗余的线和面，即制作成三维地貌骨架模型（见图2 c）。然后，根据骨架模型的剖面及平面尺寸，在Photoshop中处理好合适的地表纹理和剖面纹理（剖面与地表平面形状可以是规则的，也可以是不规则的，图2示例中为不规则的）。最后，使用SketchUp提供的纹理编辑工具为骨架模型添加地貌纹理，三维地貌模型即建模完成（如图2 d所示，图中地表纹理为遥感影像图，剖面纹理为岩性图）。

图2 基于等高线的三维地貌建模

3 基于高程点的三维地貌建模技术

基于高程点建立三维地貌模型，是在AutoCAD环境下，直接利用离散的高程点数据CAD辅助工具（如湘源控规软件）生成格网状三维地貌骨架模型（见图3 b），然后再将格网模型导入SketchUp并建模为面状结构的三维地貌骨架模型，建立的模型剖面及水平面形状通常只能为规则的（见图3 c）。由离散高程点创建骨架模型的一个重要步骤是“字转高程”，可以使用湘源控规软件中“地形-字转高程”工具将高程标记点的标高数字转化为湘源控规软件自定义的高程格式，然后使用其“地形-三维模型”工具建立三维地貌的格网模型。可以通过“轴侧观察”命令，改变视点来观察格网模型的三维起伏变化。将格网模型导入SketchUp中，创建面状的三维地貌曲面并创建三维体，即可建立地貌骨架模型。最后，使用SketchUp提供的纹理编辑工具为骨架模型添加规则的地表纹理（图3 d中为遥感影像图并叠加了蓝色的水系与红色的山脊线等地表要素）和剖面纹理（图3 d中为岩性图）。由于该建模技术需要CAD辅助工具，对离散点的数量和分布有一定要求，并且建立的地貌模型是规则的，所以在三维地貌建模中不常使用。

图3 基于高程点的三维地貌建模

4 应用实例

大连生态科技创新城核心区位于大连市甘井子区，地处北纬38°57′23″～59′35″，东经 121°23′40″～25′45″，面积为15.26 km2。首先，采用基于等高线的三维地貌建模技术建立了该区的三维地貌模型（见图4 a），然后，对该区内大东沟村附近3.5 km2的一个规则的重点关注区块，采用基于高程点的三维地貌建模技术建立了一个局部的三维地貌模型（见图4 b），建模数据来源于1︰2 000的纸质地形图。

基于等高线的具体建模步骤为：①扫描地形图并在ArcGIS中采用1∶2 000的大连行政区划矢量数据配准，然后矢量化1 m等高距的等高线，对等高线进行冗余删除和断线连接等处理后，生成1 m等高距的数字等高线（存储为shp文件，WGS84坐标系），并使用ArcGIS三维工具生成了DEM渲染图；②使用SketchUp的ArcGIS插件SketchUp6ESRI将等高线数据（1 m等高距）导入SketchUp中建立三维地貌曲面，创建地貌三维体，建立三维地貌骨架模型；③根据三维骨架模型的不规则的地表及剖面尺寸，使用Photoshop软件处理好匹配的地表纹理与剖面纹理（如调色、渐变、裁剪等），地表纹理采用ArcGIS生成的DEM晕渲图，剖面纹理则是根据该地区基础地质资料制作的地层岩性图；④在SketchUp中用纹理编辑工具为三维骨架模型添加地表纹理与剖面纹理，从而完成三维地貌模型；⑤可以使用SketchUp的Google Earth放置模型工具，将三维地貌模型导入Google Earth中，实现三维地貌模型的三维可视化浏览与网络发布，在Google Earth中的浏览展示效果如图4 a所示。

基于高程点的具体建模步骤为：①扫描地形图并在AutoCAD中采集了重点关注区内的260个有代表性的离散高程点，矢量化了1条山脊线、1个湖泊及2条小溪流，存储为CAD数据（dwg格式）；②使用CAD插件湘源控规软件中“地形-字转高程”工具将高程标记点的标高数字转化为湘源控规软件的自定义高程格式，然后使用其“地形-三维模型”工具建立三维地貌的格网模型；③将格网模型导入SketchUp中，创建面状的三维地貌曲面并创建三维体，即可建立地貌骨架模型；④根据三维骨架模型的地表及剖面尺寸（规则的），使用Photoshop软件处理好匹配的地貌纹理（如调色、渐变、裁剪等），地表纹理采用已处理好的航拍影像图（2011年，0.5 m分辨率），剖面纹理为地层岩性图；⑤将dwg格式的地表要素数据导入SketchUp，在SketchUp中编辑好地表要素（如颜色、线条样式等），使用纹理编辑工具为三维骨架模型添加剖面纹理、地表纹理及地表要素，从而完成三维地貌模型的构建（见图4 b），并进一步将其导入Google Earth中。

图4 大连生态科技创新城核心区的三维地貌模型

5 结 语

三维地貌建模是根据各种原始资料建立地貌可视化模型的过程，旨在揭示地貌的构造形态、构造关系及动态演变，反映地球表面起伏状态及其发生、发展、分布规律。三维地貌建模的结果以三维数字模型的形式展示虚拟地貌环境。本文提出了三维地貌模型的逻辑结构，阐述了基于三维建模工具SketchUp的建模流程，介绍基于等高线和基于高程点的2种三维地貌建模技术，并以大连生态科技创新城核心区的地貌建模为例，详细介绍了2种三维地貌建模技术的具体步骤。基于SketchUp的三维地貌建模技术，在创建三维地貌模型的同时，也实现了地表要素（山脊线、河流、湖泊等）、地质构造（断层、褶皱等）、地层岩性等地貌信息的三维可视化浏览，并可以充分利用Google Earth及其提供的免费影像与地形数据，实现三维地貌模型的网络发布与三维可视化浏览。基于SketchUp的三维地貌建模技术无疑是三维地貌快速建模的一种理想方法。

[1]杨景春, 李有利.地貌学原理[M].北京: 北京大学出版社,2006

[2]杜景龙, 杨世伦, 张文祥，等.海岸地貌建模方法研究[J].海洋通报, 2004, 23(6): 61-65

[3]申健, 徐大伟, 蔡雄翔.基于钻孔数据的滑坡三维地质建模研究[J].东华理工大学学报：自然科学版, 2008, 31(2): 127-137

[4]Google公司.SketchUp用户手册[EB/OL].http://zh-cn.download.sketchup.com/OnlineDoc/gsu6_win/gsuwin.html,2007

[5]黄海峰, 易武.利用Google SketchUp快速构建滑坡三维模型[J].地球与环境, 2010, 38(3): 333-338

[6]马素颜, 吴健平, 周美娟,等.SketchUp构建GIS三维模型方法研究[J].计算机与信息技术, 2009 (Z1): 38-40

[7]代莉, 陈春华, 聂焱.在AutoCAD环境下不规则三角网构建及等高线生成[J].地理空间信息, 2011, 9(2): 40-42