水电工程设计中三维GIS应用的数字模型研究

2022-09-10

所谓数字建模是指把客观世界中实体对象在计算机中用真实的空间位置来表示, 并使空间关系及其属性按一定方式结合起来, 从而实现空间实体与属性信息的一一对应。目前, 3 D G I S中应用的数学模型很多, 大致可以分为两大类:一类是基于表面表示的数据模型, 这类数据模型侧重于3 D空间表面表示, 如地形表面、地质表面等, 通过表面表示形成3 D空间目标表示。例如边界表示法 (B-rep) 认为一个形体可通过其边界的描述来确定, 且边界又被分割为有限个称为面或面片的有界子集。它是用半空间集合的交集所围成的有界封闭区间来构造实体的方法。另一类是基于体表示的数据结构, 这类数据结构侧重于3 D空间体的表示, 如建筑物、水体等, 通过对体的描述实现3 D空间目标表示。例如构造实体几何法 (CSG) 把任何复杂形体都认为是由各种简单体素 (球、立方体、柱体、棱体、锥体等) 组合而成的, 那么它就是通过对这些简单体素进行集合运算 (并、交、差、补) 来组合三维实体的一种建模方式。

对于水利水电工程这样大型工程的建筑物表达, 采用B-r e p法是合适的, 它能较好地描述建筑物对象的几何信息和拓扑关系, 并能精确描述设计对象动态形体特征。根据建筑物的平面布置及纵横断面形体参数, 可以用B-r e p方法绘制出建筑物的三维实体图形。在实现建筑物三维几何建模的基础上, 可再采用光照渲染及图像纹理匹配来追求设计对象视觉上的真实感。

对工程系统而言, 研究内容不仅涉及工程建筑物, 对建筑物所依托的地形地貌也十分关心, 尤其对水电工程, 地形在某种程度上决定了施工组织设计方案, 因此, 充分地表现建筑物和表现地形同等的重要。对于地形模型的表达, 可以充分利用T I N模型适于表达复杂表面的特点。

1 三维数字地形模型

水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区, 其地形地势对建筑物设计和施工都有很大影响。在施工组织设计中要充分考虑地形的变化, 必须合理布置施工场地, 以确保施工顺利高效地进行:另外, 地形的变化对开挖量影响较大, 合理安排建筑物, 尽量减少开挖工作也十分必要。因此, 在G I S中充分表现地形信息是一项重要工作。

目前对于地形模型的构造有多种方法, 如规则格网法 (G R I D) 、不规则三角网 (TIN) 。混合法 (GRID-TIN) 等多种方法。

1.1 地形数据采集及处理

地形数据的采集方式包括了航测、地形图数字化采集及野外测量等三种方式。利用航测方法采集的数据一般地形信息可靠, 精度高。对已有的地形图可采用手扶式数字仪或矢量化图形扫描仪进行地形数据采集。要获取更高精度、更详细的地形资料, 野外实测是不可缺少的。经数据来集得到的地形数据可能是离散的点或是等高线图, 要想把这些数据生成数字地形, 并在其基础上进行可视化分析, 尚需一个重要的环节, 即在G I S中建立地形点或等高线的空间位置与属性信息的一一对应关系。空间位置指的是点、线的几何拓扑特征, 属性信息包括对应该点 (线) 的高程、坡度、坡向以及其他等等信息。

1.2 数字地形的主要表示模型

数字地形模型 (DTM, Digital Terrain M o d e l) 是地形表面形态与属性信息的数字表达, 是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型 (DEM, Digital Elevation Model) 。对于DTM的表示一般采用较多的是规则格网模型和不规则三角网模型。

不规则三角网模型 (Triangular Irregular Networks TIN) 是一种根据有限个点将区域按一定规则划分而成的相连三角形网络。区域中任意点的高程可由顶点高程或通过线性插值的方法得到, 若该点落在三角形某条边上, 则用该边的两个顶点高程线性插值。

工程土石方的开挖与填筑分析是大型工程建筑物设计中不可缺少的部分。而开挖又需考虑到地质条件, 开挖区域岩性的好坏, 往往会影响到开挖方式、开挖工程量及边坡稳定的处理措施。传统的土石方填挖分析一般采用基于平面地形图上的近似差分方法, 不仅繁琐而且直观性差, 而三维数字地形模型及数字地质模型的建立为地形可视化填挖分析提供了便利。进行土石方填挖分析, 首先要确定填挖的形体, 确定出足够与地形相交的初始填挖边坡形体, 然后把这个三维填挖边坡形体与数字地形模型及数字地质模型作填挖分析, 则可求得与地形的填挖交线、填挖方量。

2 三维数字地物模型的参数化建模

本文中的三维实体主要是工程施工系统中的各种建筑物, 例如大坝和围堰、导流建筑物、泄洪建筑物以及临时设施等。由于实际应用中对建筑物往往只强调物体几何形状的描述, 而且其形状比较规则, 因此采用基于面表示的面片结构及边界描述建筑物三维数据结构是适宜的。根据建筑物实体的几何特征可将其分解为点、线、面、体等基本元素进行绘制。

交互式的参数化图形建模实质上就是先将设计对象的图形结构分解为参数化的基本图素, 并建立图素库, 然后用交互式手段将图素根据一定的约束组合成各种图形结构, 并能对图形进行修改。

G I S将建成的实体模型分放在不同的层上进行管理对象, 同属于一类或相关的建筑物群存储在独立的层上, 这样可以方便地按专题显示和管理。

3 三维模型集成

用T I N模型来建立地形以及用B-r e p模型描述建筑物等三维实体, 实际上这两部分模型不是独立存在的, 而应该集成在统一的用户界面中。这个集成过程就是将建筑物等实体模型建立在地面模型上, 实际上就是地形的填挖过程。地形的填挖表现为D T M模型的修改, 实质上是对地形T I N模型进行操作。实际应用中, 地形填挖采用了如下方法:首先, 定义能确保与地形T I N相交的足够大的开挖 (填筑) 初始形体面 (一般由开挖边坡和底面组成) , 并把其转化为T I N模型, 然后把此T I N与地形T I N两者作填挖计算, 生成相交边界, 再从地形T I N上沿轮廓线切去填挖初始形体面所包含的地形区域, 同时从填挖形体T I N模型中以相交线为边界切去多余的开挖 (填筑) 边坡区域, 最后把两个修正后的T I N合并构成一个经填挖后的地形D T M。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。

4 三维空间分析

根据工程的实际需要, 基于三维数字模型的空间分析包括工程地形填挖体积分析、地形剖面绘制及面积计算、空间距离量测等。

摘要：水利水电工程不仅关注建筑物的设计, 对建筑物依托的地形地貌同样必须予以高度关注, 本文主要研究如何用数字模型表达复杂的地形, 笔者基于多年的工作经验, 在参考大量相关文献的基础上, 分析了三维地形数字模型的构造方法, 探讨了三维数字地物模型的参数建模, 重点研究了三维模型的集成, 全文体现了极大的理论价值, 并融入了笔者来自于工作经验的理解, 相信对从事相关工作的同行有着一定的参考价值和借鉴意义。

关键词：水电工程设计,三维GIS,数字模型,TIN