刘聪元 刘文岩

摘要：随着三维协同设计技术的广泛应用，水利水电行业对三维地形的应用要求日益提高，使用常规的地质建模软件如GOCAD、CATIA很难满足高精度地形建模的要求。Civil 3D符合高精度地形建模的要求，但添加等高线时参数设置较为复杂，同时由于仅支持LandXML和DEM格式导出，大大限制了其应用范围。通过分析等高线优化及平面三角形消除原理，给出了Civil 3D地形建模参数选择建议，并结合水利水电工程实例讨论了高精度地形的建模过程。最后自主开发了LandXML2ts软件，将LandXML转换为广泛使用的ts格式，极大地拓展了地形模型的应用范围。

关 键 词：

水利水电工程； 地形建模； Civil 3D； LandXML

中图法分类号： TV222.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.034

0 引 言

近年来三维协同设计技术在水利水电行业得到广泛应用，其所见即所得的设计模式更加符合人类的思维习惯，降低了从三维思考到二维表现过程中出现错误的可能，减少了设计修改和设计变更的次数，可以有效提高设计效率［1］。但是所谓万丈高楼平地起，三维协同设计离不开高精度三维地形的支持。地形不仅是地质、设计、施工等专业的工作基础，也是水利水电工程协同设计的起点。随着BIM技术的发展和应用的加深，水利水电行业对于三维地形的精度要求越来越高，常规的地质建模软件如GOCAD、CATIA等仅支持高程点生成地形模型［2-5］，建模效率低，很难取得理想的效果。因此有必要探寻一种新方法，既能充分利用已有地形数据，又能快速、高效地建立高精度地形模型。

Autodesk Civil 3D（简称Civil 3D）软件是Autodesk公司推出的一款面向基础行业的建筑信息模型解决方案。它为基础设施行业的各类技术人员提供了强大的设计、分析以及文档编制功能，广泛用于勘察测绘、岩土工程、交通运输、水利水电等众多领域［6］。国内工程技术人员基于Civil 3D的地形建模技术进行了广泛研究：李永勇从地形图提取高程点建立三维地形模型［7］；陈立楠等基于高程点建立三维地形模型，并与纬地软件生成的等高线、谷歌高清卫星影像进行了对比［8］；刘莉等梳理了使用高程点和特征线建立地形曲面的流程［9］；牛作鹏等实现了多源测绘地理信息数据集成，并对地形较为复杂及需要表现局部地区细节特征的重点地区，采用集成二维地形图 DWG 数据中的等高线，并手动添加特征点、特征线等方式完成地形曲面模型生成［10］；李万红利用高程点、等高线、特征线等进行了地形建模［11］。

等高线作为传统地形图的重要表达手段，对于地形表达起着重要作用，因此要实现高精度地形建模，必须将等高线作为建模依据之一纳入建模过程。Civil 3D支持高程点、等高线和特征线建立地形模型，但加入等高线时参数较为复杂。从目前研究资料看，大部分研究者以高程点为基础建立地形曲面。牛作鹏、李万红等人建模时虽然使用了等高线，但并未详述建模过程及参数选取原则。

本文参考Autodesk官方文档，重点讨论等高线优化的原理及参数取值原则，并通过自主开发解决了模型格式的转换问题。

1 地形曲面概念及优化原理

1.1 曲面的概念

Civil 3D中的曲面分为两大类：一种是真正意义上的“曲面”，一种是体积曲面。按照剖分形式的不同，它们又各自分为“三角网”和“栅格”。其中三角网曲面通过空间上任意一组点进行Delaunay而形成，适用于使用不规则分布的采样数据来反映复杂多变的曲面和局部区域的分析（大比例地图）［6］。由于水利水电工程对地形精度要求很高，地形曲面一般采用三角网曲面，以下所述曲面均为三角网曲面。

1.2 等高线优化方法

为提高地形曲面三角网的质量，建模前应对等高线进行优化，优化方法包括顶点消除和顶点补充。

1.2.1 顶点消除

Civil 3D采用三点检测法进行判断，消除程度由参数L0（距离）和θ0（角度）共同控制，二者取值越大，剔除的点越多。三点检测法原理如图1所示，图中A、B、C为等高线上相邻的三点，若AB+BC

1.2.2 顶点补充

顶点补充分别按直线段和弧线段两种情况处理，前者由补充距离SD控制，后者由中点垂距d0控制，SD和d0取值越小，添加的顶点越多。

直线段补点原理如图2所示。图中A、B为等高线上的两点，当AB>SD时，将按照小于或等于SD的间隔添加顶点；弧线段补点原理如图3所示。图中d为中点垂距，如果d>d0，则向圆弧添加顶点，使中点垂距等于或小于d0。

1.3 最小化平面區域方法

平面三角形指三个顶点高程相等的三角形，连接相同高程的同一或不同等高线的三角形边为平面边［12］。图4中阴影覆盖的为平面三角形，虚线为平面边。

平面三角形往往并不是真实地形的反映，因此构建地形曲面时应尽量抑制平面三角形的生成。Civil 3D主要采用4条措施消除平面三角形。

（1） 填充间距。

该选项通过填充断开的两条或多条高程相同的等高线之间的缝隙，创建一条连续的等高线。

（2） 交换三角形边。

此选项通过扫描曲面查找与非平面三角形共有非等高线边的平面三角形。如果这两个三角形构成凸四边形，则交换其公共边将两个三角形变为非平面三角形，一直持续该操作直到没有可能交换的边为止（见图5）。

（3） 向平面三角形边添加点。

与交换三角形的边选项一样，通过扫描曲面，查找所有点都在数据等高线上且与非平面临近三角形共享非等高线边的三角形。不同的是不交换公共边，而是在公共边的中点处添加新点。此点的高程可以通过自然临近内插法来计算（见图6）。

（4） 向平面边添加点。

此选项查找是否存在两个端点都位于数据等高线上的平面边。如果包含此平面边的两个三角形相对点的高程都高于此边的高程或都低于此边的高程，那么将在此平面边的中点处添加新点。新点的高程可以通过自然临近内插法来计算（见图7）。

2 参数选择建议

2.1 顶点消除因子

距离L0：高质量的三角网应尽量避免狭长的三角形。为使地形曲面三角形尽量接近正三角形，顶点消除因子宜与等高线水平间距大致相当。

角度θ0：取值宜与L0适配，取值过小会造成等高线转弯处节点过于密集，取值过大会降低模型精度，经反复试验，认为取值30°较为合适（见图8）。

2.2 顶点补充因子

距离SD：软件要求顶点补充因子距离必须大于L0，建议SD按L0的2～3倍取值。

中点垂距d0：无特别要求，保留默认值即可。

2.3 最小化平面区域的方法

在平面三角形消除方法中，交换三角形边与向平面三角形边添加点的功效是相同的，后者虽然增加了三角形，但可以避免狭长三角形的生成，因此建议选后者。

2.4 参数选择建议

综上，地形建模过程中参数取值建议见表1。

3 高精度地形建模实例

以某抽水蓄能电站为例，工程区属典型的构造剥蚀低山丘陵地貌，总体为向斜山、背斜谷，岭谷相间的地貌特征。工程区域涉及面积14.6 km2，高程范围为48.37～764.13 m，高程点2.6万个，等高线节点191.1万个。

地形建模的一般顺序为数据预处理、新建曲面、添加高程点、添加等高线、网格查看和曲面编辑。

3.1 地形数据预处理

在进行地形建模前，应对地形图进行预处理，包括数据清理、粗差处理和重复对象删除等。

（1） 数据清理。

数据清理主要是对原始地形图进行整理，删除不相关的内容，仅保留建模需要的高程点、等高线和特征线等图层，必要时对图层进行合并或重命名处理。

（2） 粗差处理。

粗差是指离群的误差［13］，在地形图中主要表现为标高异常的点或线。目前鉴别粗差主要采用“目视法”：通过选择视图方向（如切换到前视图）可以较容易发现粗差对象（如标高或Z值为0的对象）。选择这些对象并赋予特定颜色，回到俯视图，查看红色等高线或高程点，并参考周边高程修正其标高，对于无法修改的对象则应进行删除处理。

（3） 重复对象删除。

有时地形图会出现重复对象，不仅增加了图件体积，也不利于后期地形模型的生成，因此需要进行处理。利用Civil 3D的删除重复对象命令（overkill）可自动删除重复对象。

3.2 新建曲面

从左侧工具箱曲面的右键菜单中选择“创建曲面...”，打开创建曲面对话框。

通过单击曲面图层右侧的按钮可以选择或新建图层（本例为新建Topo图层）用于存放曲面对象。将曲面名称改为“地形面”，点击【确定】按钮，工具空间中出现曲面“地形面”。点击“+”，依次展开“地形面”和“定义”。

在“地形面”的右键菜单中选择【编辑曲面样式...】弹出曲面样式对话框，选择“显示”选项卡，将“三角形”和“边界”设置为可见，如图9所示。

3.3 添加高程点

高程点在地形图中一般以图块或点的形式存在，可以通过定义中的【图形对象】>【添加...】，弹出对话框。

对象类型根据实际情况选择（本例为“块”）。描述输入“GCD”，点击【确定】按钮，根据提示从图形区域选择高程点，软件自动构建三角网，见图10（a）。由于未控制三角形边长，因此边界存在问题，正确设置后如图10（b）所示。设置方法如下：

在“地形面”的右键菜单中选择“曲面特性...”，在“定义”选项卡中找到“使用三角形最大边长”设置为“是”，并将“三角形最大边长”设置为“200 m”（具体根据实际情况确定），点击【确定】按钮后，按提示重新生成网格即可。

3.4 添加等高线

选择【等高线】>【添加...】时需要正确选择参数。经实测，该地形中等高线水平间距为4 m，设置参数如图11所示。点击【确定】按钮，并选择等高线完成等高线添加。

3.5 网格查看

选中网格，在顶部菜单选择“三角网曲面：地形面”，执行命令“网格查看器”，可以多种方式对网格进行查看。必要时删除等高线，修改参数并重新添加。

3.6 曲面编辑

【定義】>【编辑】的右键菜单中提供了多种编辑命令，可对地形模型进行手动修改。

4 模型应用

Civil 3D曲面支持的LandXML格式无法直接用于常用地质建模软件，通过自行研发的软件，成功将Civil 3D曲面用于其他三维地质建模软件。

4.1 导出为LandXML

在“地形面”的右键菜单中选择“导出为LandXML”，弹出对话框。所有参数默认，直接点击【确定】按钮，输入文件名即可完成导出。

4.2 格式转换

通过解析LandXML 格式和TS格式［14］，开发了LandXM2ts程序，实现了文件格式的转换。

4.3 导入三维建模软件

ts格式是GOCAD自带的一种明码三维模型格式，目前已被BM_GeoModeler、CATIA、3DE等软件广泛采用。因此转出的ts格式文件不仅可用于GOCAD，也可以用于BM_GeoModeler、CATIA和3DE地质建模，有效弥补了其在高精度地形建模方面的不足。

4.4 与传统建模方法对比

Civil 3D与传统地质建模软件三维地形建模性能对比见表2，详述如下：

（1） Civil 3D可直接将CAD格式地形图用于建立地形模型，图块形式的高程点无需额外进行数据提取操作。

（2） 与传统地质建模软件将等高线作为“点”建模不同，Civil 3D将等高线作为“线”参与建模。一方面能避免出现跨等高线的三角形，另一方面可以有效抑制平面三角形的生成。

（3） Civil 3D仅需合理设置参数，即可自动完成等高线优化和平面区域最小化操作。

（4） Civil 3D所建地形模型细节表现良好，通过等高线和特征线，可以对微地形进行雕琢，达到良好的效果。

（5） Civil 3D建模效率更高，本例由于数据量较大，在BM_GeoModeler等软件中建模时均出现假死等待的现象，但在Civil 3D中建模过程非常流畅。

5 结 语

（1） Civil 3D可充分利用CAD格式地形图中的等高线和高程点，快速建立高质量的地形模型。

（2） 利用等高线优化和平面三角形消除原理，选择合理的参数，可有效提高地形网格的质量。

（3） Civil 3D曲面支持LandXML格式导出，通过软件开发可将其转换为ts格式，可弥补水利水电工程常用地质建模软件在地形建模方面的不足。

参考文献：

［1］ 陈功军，张金辉，高英.实施水利工程三维协同设计的探索［J］.人民长江，2013，44（16）：105-108.

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［7］ 李永勇.基于AutoCAD Civil 3D的水利工程地质三维模型［J］.山西水利科技，2017（2）：32-34.

［8］ 陈立楠，安阳，张娟.应用Civil 3D创建三维数字化地形［J］.工程测量与检测，2015（4）：145-147.

［9］ 刘莉，李国杰，乔伟刚.基于Civil 3D 的三维地质建模方法及应用［J］.水运工程，2018（8）：140-144.

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［11］ 李万红.基于Auto Civil 3D的三维地质建模与应用［J］.人民长江，2020，51（8）：123-129.

［12］ AUTODESK.关于最小化曲面中的平面面积［Z/OL］.https：∥help.autodesk.com/view/CIV3D/2023/CHS/？guid=GUID-E05998AB-69BB-404C-8C17-068273D3384A.

［13］ 周江文.经典误差理论与抗差估计［J］.测绘学报，1989，18（2）：115-120.

［14］ 段建肖，廖立兵，肖鹏，等.GOCAD三维地质建模成果的二次開发及应用研究［J］.人民长江，2015，46（14）：51-54.

（编辑：郑 毅）