清华山维在地形图等高线自动生成中的应用

魏 猛，冯传勇，罗 兴

（长江水利委员会水文局长江中游水文水资源勘测局，武汉 430012）

1 引 言

当前在大比例尺地形测量过程中，准确绘制等高线一直是比较繁琐的工作。目前在大比例尺地形测量中绘制等高线时，对于简单的地貌主要是手绘，而对于复杂的地貌一般使用软件生成。清华山维软件是基于数据库平台技术的数字化测绘数据采集系统，功能比较齐全，应用比较广泛，在地理信息系统建库以及大比例尺测量中，该软件广泛应用于地形、工程测量及应用等领域。

2 不规则三角网的形成及等高线的自动生成原理

野外测定的地貌特征点一般是不规则分布的数据点，根据不规则分布的数据点绘制等高线可采用网格法和三角网法。不规则三角网（TIN）减少了规则格网的数据冗余，具有精度高和顾及地性线（如断裂线、构造线）等特点，且三角网形态良好，具有可变的分辨率，能较好地表现不规则地貌的形态特征，因此本文主要从不规则三角网（TIN）角度论述。

不规则三角网模型（TIN）由一系列的“质点”构成，是由地形特征采集的点，按最近原则连接成覆盖整个区域且互不重叠的三角形。其数据结构分别由点和三角形两个记录表构成，其中点表存储所有节点数据，每条记录包括节点的编号及三维坐标，如表1所示：

表1 点的拓扑关系

三角形表用于存储点、三角形的拓扑关系，每条记录包括三角形的编号，组成三角形3个顶点的编号及邻接三角形的编号，如表2所示：

表2 三角形的拓扑关系

规定：三角形的3个点、3条边，均按逆时针排列，相应的边对应的就是相邻的三角形，且整个模型外部为0号三角形，如图1所示。

三角网法直接由不规则数据点连成三角形网，不考虑约束条件，由生成的数字高程模型表达地表的复杂关系。在三角形网后，再按照一定的高程寻找等值点，进行等高线的搜索、起始点的判别和等值点的追踪，最后进行等高线的绘制。

3 清华山维在自动生成等高线中的应用

目前，大多数情况是只采用离散的地形点来构建三角网，只独立地考虑了数据中的每一个点，则结果是除非通过足够密度的地形点，否则生成的高程模型不能正确地表达地表的复杂关系，也不能满足实际应用的需要。因此，在无约束数据的三角网中嵌入约束线段影响三角网的生成，进而建立正确的高程模型成了问题的关键。

图1 TIN模型的结构

3.1 地性线影响不规则三角网（TIN）的生成

清华山维EPS2005很好的解决了用地性线（EPS2005中为特性线）来控制不规则三角网（TIN）的问题，具体操作如图2所示。

图2 清华山维中不规则三角网生成操作

笔者简单将需要用地性线来约束三角网生成归纳为坎坡类和自然形态的山类。

坎坡类：该类包括坎、坡、以及与此类似的沟、悬崖等。构建该类三角网时，非坎顶点和坎下点、坎顶点和非坎下点是不能直接相连的。因此，必须用坎顶点连线、坎下点连线定义为地性线才能正确对坎进行表达；坡以此类推，具体如图3所示。

图3 坎坡类地性线表示方法

自然形态的山：山一般用等高线表示，等高线则可以通过不规则三角网生成。在构建山的不规则三角网时山脚线、山脊线、山谷线必须定义为地性线，反映山体特征的点，如山顶点、山脊点、山谷点、鞍部点、山脚点等要纳入各自类型的地性线中。仅以图4、图5反映山体未勾画地性线和添加地性线后的等高线生成结果如下：

图4 未勾画地性线的三角网构网及生成等高线结果

图5 勾画地性线的三角网构网及生成等高线结果

3.2 优化三角网（TIN）影响等高线的生成

实际工作中不可能把所有的地性线都画出来，而这些情况按不规则三角网（TIN）特性都是不合理的，因此在应用中必须予以消除。本文要求根据对实际地形的对照，找到不合理的三角形，采取手工增加特征点、修改三角形、删除三角形、增加三角形等办法，消除了构网时出现的不合理的三角形，进行不规则三角网优化。

图6 未修改的三角网及生成等高线结果

图7 修改后的三角网及生成等高线结果

由图6可以看出，通过陡坎的三角形与实际地形不符，图中三角形A、B、C、D、E、F都是与实际地形不符合的三角形，需要手工修改，通过清华山维EPS2005的三角形修改功能对它进行修改，三角网修改好了后，保存三角网，重新生成等高线，图7是重新生成的等高线和三角网，该等高线和实际地形较为吻合。