不同平台下大比例尺TIN建模与分析

2014-01-16赵杏英顾德山周宇艳

大坝与安全 2014年1期

赵杏英，顾德山，周宇艳

（1.浙江华东测绘有限公司，浙江杭州，310030；2.中铁隧道集团有限公司杭州分公司，浙江杭州，310000）

0 引言

数字高程模型（DEM）是利用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型（DSM）的一个分支。数字高程模型的表示形式主要有规则矩形格网DEM与不规则三角网（TIN）两种。规则矩形格网DEM其存储量很小，非常便于数据处理和管理，因而得到了广泛应用，缺点就是不能准确表示地形的结构与细部。TIN能较好地顾及地貌特征点、线，表示复杂地形表面比规则格网更精确，其缺点就是数据量较大，数据结构较复杂，因而使用与管理也较复杂。

TIN表面模型中每个点只有一个Z值，TIN数据模型的特点是在三维空间中描述点，但是表面的拓扑网络却是二维的。由于这个原因，TIN表面模型有时被称为2.5维模型。因此，它是一个单值方程的例子，即给定一个位置，只有一个Z值可以被插值，TIN模型的一个重要的缺陷是它不能模拟不常见的负坡度的情况，如悬垂的悬崖和山洞等。

目前支持TIN构建的软件非常多，如常用的ArcGIS、GeoTIN、AutoCAD、Microstation 等等，其中ArcGIS是测绘与地理信息行业最大的GIS软件平台，而Microstation是设计院所青睐的三维设计软件，其中的Geopak模块为运输和土木基础设施工程提供了一整套集成工具，可用来完成从现场到成型的整个设计过程。其数字地面模型（DTM）工具功能强大，运行速度快，用户能从野外测绘数据、文本文件、Microstation的2D/3D及CAD的图形文件来建立数据地面模型。鉴于公司的业务范围、专业特点和成图比例尺，目前主要采用上述两大软件进行三维建模，采用的数据结构为不规则三角网（TIN）。

1 TIN建模流程

通过公司多个项目的实践和摸索，TIN模型制作作业流程一般包括四个方面：数据处理、TIN构建、TIN编辑和数据导出。

1.1 数据处理

建模的数据来源一般为外业实测的地形图，鉴于用途目的和侧重不同，建模前需要对数据进行编辑处理，包括数据检查、等高线处理、特征点、特征线选取和采集等工序。

（1）数据检查。主要检查等高线、高程点数据的高程值是否正确，是否存在点线矛盾、等高线赋值是否有误或漏赋等现象。

（2）等高线处理。利用等高线进行建模前首先要保证等高线首尾相连，等高线无明显断开，尤其是在遇地势突变或陡峭处，等高线较密，地形图上采用断开表示，如图1建模前需要对等高线尤其是计曲线进行连接处理，以保证模型的效果。

图1 等高线处理Fig.1 Contour treatment

（3）特征点、特征线采集。在山顶、洼地、鞍部区域添加相应的特征点。根据地图比例尺，选择重要的路、河流、湖泊等地物要素，进行三维多段线的绘制。

1.2 TIN模型构建

利用高程点、等高线、特征线、边界等要素，借助软件工具生成TIN模型。

1.3 TIN编辑

TIN编辑包括平坦三角处理、裁切处理和接边处理三部分。平坦三角形是指构成三角形的3个顶点具有相同高程值，在使用等高线生成不规则三角形网络时，其常出现在两个相邻等高线之间或一条封闭的等高线内。平坦三角形连接在一起形成平坦区域，平坦区域往往导致DEM地形模型失真，对数字地形的分析产生影响，所以必须对其进行适当的处理和纠正。平三角处理是TIN编辑中最重要和最繁琐的工作，解决平三角的方法就是改变局部地区的构网方向，可以通过增加特征点、特征线或手动进行三角形换向实现。图2是平三角未处理以前的网形，图3是增加特征线后的网形。

图2 平三角处理前Fig.2 Flat triangles before treatment

图3 平三角处理后Fig.3 Flat triangles after treatment

TIN模型构建时，图幅边缘部分由于缺少构网的基本条件，造成边界部分模型的失真或者错误，因此需要对TIN模型进行裁切。裁切可以按照范围线进行批量裁切，也可以手工进行。

对于分块构建的TIN数据，还需要进行接边和融合处理。若接边处两边三角网趋势相差较大，则要对原始数据进行检查，待修改完善后重新构TIN及接边处理。

1.4 数据导出

根据需要，把TIN模型转换成其他数据格式，供其他软件平台使用。

2 不同软件平台TIN技术分析

为了使模型整体效果较好或使局部更加精细、光滑，同时在软件自动化处理后，尽量减少后期的人工劳动，对ArcGIS和Geopak两套软件TIN建模的底层技术问题进行分析与研究，主要包括模型参数控制、平坦三角形处理、模型编辑、模型的导入导出四个方面。

2.1 模型参数控制

模型参数指三角网的边长和三角网的角度，合理控制三角网的边长和角度可以避免平三角和狭长三角形的产生。ArcGIS利用等高线进行TIN模型构建时，在提取等高线节点的同时，会计算节点之间的距离，对节点较稀的部分会自动插入节点，避免由于节点过稀形成狭长三角形。Geopak利用等高线进行TIN模型构建时，只提取等高线节点用于建模。图4是原始等高线的节点，图5和图6是分别在ArcGIS和Geopak中生成的三角网。从两者的网形可以看出，图5的三角网较合理，视觉效果较佳，对两者精度的分析发现差异不大，都能满足精度要求。

图4 原始等高线节点Fig.4 Original contour nodes

图5 ArcGIS中构建的三角网Fig.5 Triangle net in ArcGIS

图6 Geopak中构建的三角网Fig.6 Triangle net in Geopak

此外，Geopak需要对参数设置进行论证，边长设置的合理性将直接影响到三角网的形状和地形的逼近程度，该功能在构建大面积河流、湖泊、岛屿等三维地形时尤为重要。同时，通过最小曲线长度和直线长度的控制，尽量避免平三角和狭长三角形的产生。由于ArcGIS中各项参数都不用设置，也不能进行设置，因此用相同的数据进行TIN模型构建，ArcGIS中产生的平三角形的数量比Geopak明显要多，见图7和图8。

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

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

2.2 平坦三角的处理

Geopak对于平坦三角形的处理没有好的解决方案，不论是检查还是修改都需要手工进行；Arc⁃GIS软件通过组合利用空间处理工具和TIN编辑工具，可以实现平坦三角形的批量修正，不但可避免繁琐的编程工作和手工劳动，而且可得到理想的修正结果。

2.3 模型的编辑

在ArcGIS中，TIN模型的编辑是通过向已有TIN模型添加要素对其进行改进，模型作为一个整体，不能单独分解。Geopak中对于TIN模型的编辑功能比较完善，不仅提供了一套TIN编辑工具，如增加删除三角网的节点、边换向、多余三角形、三角边删除等等，可以对三角网进行逐个修改，也可以通过向已有TIN模型添加要素进行TIN模型的批量修改。TIN模型不仅可以分解，也可以对分解后的多个模型进行融合，便于大数据量模型的处理，提高工作效率，因此是真正意义上的TIN编辑。