堤防工程的三维建模与可视化

刘　蕾，江文萍，邹　富，吴兆良

(1. 武汉大学，湖北 武汉 430079； 2. 重庆市国土资源与房屋勘测规划院，重庆 400020；

3. 南四湖水利管理局，山东 济宁 272000)



堤防工程的三维建模与可视化

刘蕾1，江文萍1，邹富2，吴兆良3

(1. 武汉大学，湖北 武汉 430079； 2. 重庆市国土资源与房屋勘测规划院，重庆 400020；

3. 南四湖水利管理局，山东 济宁 272000)

3D Modeling and Visualization Technology of Dike Project

LIU Lei，JIANG Wenping，ZOU Fu，WU Zhaoliang

摘要：针对堤防工程不同于其他三维场景的特点来研究其三维建模与可视化方法。首先介绍堤防工程场景中主要建筑物的构成与特点，然后详细阐述地形和这些建筑物的三维建模方法，并讨论了模型间的组织与整合策略及场景可视化的流程。堤防工程三维可视化场景的建立为管理者提供了真实的目标和研究对象，可以直观了解每处工程的作用及各类工程之间的联系，从而作出及时正确的判断和决策。

关键词：堤防工程；三维建模；场景组织；三维可视化

堤防工程是国民经济和社会发展的重要基础设施，也是防洪的屏障，堤岸的安全与否直接关系到保护区内百姓的生命财产安全和经济建设。近年来，GIS技术被大量应用于水利行业，尤其是三维仿真技术与GIS结合后应用于堤防管理，搭建出具有丰富GIS功能的三维可视化仿真平台，不仅能够再现复杂场景，给用户逼真的感受和对全局信息的把握，同时支持分析、量算等功能，为各种应用提供方便的指导，大大促进了堤防工程管理的信息化与现代化。

如今水利工程三维可视化的研究大多从三维场景构建与组织、系统的设计与实现等方面展开。在场景构建与组织方面，钟登华等[1-3]详细阐述了水利工程场景地形与地物模型的建立及整合方法；万刚[4]探讨了在模型构建过程中涉及的几何形态建模与纹理映射建模技术并讨论了模型间的匹配策略。在系统的设计与实现方面，钟登华等[5]提出了一个面向水利工程的三维可视化仿真系统框架，并首先在引水工程施工可视化方面进行了实践；随后僧德文等[6-8]对三维可视化仿真中涉及的关键技术和难点进行了分析和研究并给出了相应的解决方法，展示了三维可视化技术在水利工程中的应用前景。目前水利工程三维可视化的研究已取得了一定的成果，但整体上仍处于探索阶段[9]。

本文围绕河流堤防工程三维可视化场景构建，对堤防工程的三维建模、三维显示与场景可视化等技术进行研究，并应用于南四湖生态堤岸工程三维可视化仿真管理系统的构建，旨在为堤防工程的信息化管理工作提供研究基础和技术支撑。

一、堤防工程要素构成

堤防工程是一个复杂的工程，不仅仅包括堤防堤身，而且还包括堤岸、穿堤跨堤建筑物、水文水位站、排灌站等，它们既是独立的工程对象和地理对象，同时又是堤防工程完整系统中的一部分。堤防工程场景要素结构如图1所示。

图1　堤防工程场景要素结构

1. 堤防

堤防是沿河流、湖泊、海岸，排灌渠道或蓄滞洪区、水库库区周边修筑的挡水建筑物，一般而言其横截面为梯形，呈带状分布。堤防横截面如图2所示。

2. 穿堤跨堤建筑物

穿堤建筑物属于堤防的一部分，也承担着挡洪作用，数量较多的是穿堤涵闸。水闸是用以挡水，控制过闸流量，调节闸上、下游水位的低水头水工建筑物，由上游连接段、闸室段和下游连接段3部分组成，如图3所示。涵洞是横穿路基的小型泄水构筑物，主要由洞身、基础、端和冀墙等组成。涵洞可以迅速排除堤防沿线的地表水，保证堤防路基安全。有的涵洞还是一种洞穴式水利设施，有闸门以调节水量，如图4所示。

图2　堤防断面与各部分构成1—堤顶；2—迎水坡；3—背水坡；4—迎水堤肩；5—背水堤肩；6—迎水堤脚；7—背水堤脚；8—浸润线；9—戗台；10—护堤地；11—工程保护范围

图3　水闸

图4　涵洞

3. 水文水位站

水文站是指观测及搜集河流、湖泊、水库等水体的水文、气象资料的基层水文机构，如图5、图6所示。

图5　水文站

图6　水位站

在堤防工程三维场景中，不可能详细描述每种要素的每个细节，需要根据要素在场景中的作用大小，选择不同层次的模型来表现，这样既可以提高模型的构建效率，同时能达到理想的表现效果。堤防、水闸、涵洞等工程设施是场景中最重要的要素，应视为精细模型构建。防汛交通桥、生产桥等次要工程模型应视为较精细模型来构建。而房屋、树木等其他地面模型只需用简单模型表现出其象征意义即可。

二、建模与场景可视化

1. 模型构建

对于大规模的堤防工程场景而言，采取单一的建模技术不可能对整个场景进行完善的描述，需要对不同要素选取有针对性的建模方法，或采用几种建模方法的结合来建立相应的三维模型。

(1) 地形模型

根据真实测量数据采用过程式建模是普遍采用的地形构建方法。该方法将水利工程地形图中提取的等高线、水深点数据作为基础数据，利用GIS工具生成不规则三角网。然后根据地形特征边界线，删除河流、湖泊、鱼塘等范围内的三角网，留下岛屿、湖滨带、陆地在内的表示地形特征要素的区域。再对这些区域的三角网进一步编辑，如适当的内插细化，消除数据缺失造成的狭长三角形等，最后经过纹理贴图、光照等加工处理，表现出不同的地貌形态。

在堤防工程三维场景中，有些要素(芦苇、苗圃、公路等)的建模与地形息息相关，可以通过对地形的修改来实现。提取这些要素的边界线对地形三角网进行切割，将其与地形分离后分别进行处理与表达。如公路要素可通过提取公路边界线，与地形三角网对齐，然后对三角网进行切割、分离、挤出、贴图等来表现。

通常情况下，堤防工程场景范围较大，生成的地形三角网数量也很大，为了提高系统数据的读取效率及方便对地形进行编辑，可将整个地形三角网分块进行编辑，然后再导入系统显示。

(2) 地物模型

堤防工程三维仿真场景中的地物主要包括堤防、河闸、桥梁、涵洞等。

① 堤防

堤防是一条具有规则横截面的带状地物模型，一般采用几何形态建模方法进行构建。由于入湖河流众多，堤防线长，每段堤防的堤顶高程与堤顶宽度都有不同，需要分段进行构建。在实际建模时，堤防可以看作是横截面沿着指定路径生长得到的模型，再对其进行进一步的编辑，如赋予材质、转角圆滑等，最后得到大堤模型。

② 涵闸、水文水位站等地物实体模型

单独的建筑物有河闸、桥梁、涵洞等，这些都属于较复杂的三维实体，但均可分解为形态相对规则的单元体，如长方体、圆柱体等，再采用几何建模技术进行模型构建。目前市场上有很多专业的三维设计软件，如AutoCAD、3ds Max、Maya、Creator、Sketch up等，都提供了灵活的建模工具来构建三维模型，以及方便快捷的各种参数的设置，使模型以一定的比例、角度在空间场景中定位。辅以纹理映射建模技术将处理过的透明贴图贴在建筑物表面，即实现地物实体模型的三维构建，如图7所示。

图7　地物模型可视化过程

(3) 地面附属物模型

地面附属物普遍利用简单的面片通过镂空的透明贴图来表现其立体效果，常用方法有十字面片法、广告牌法和三维实体法。十字面片法是通过制作两个相互垂直的面片，然后均贴上Photoshop处理过的透明植物贴图；广告牌法是对一个平行视口的单面进行透明贴图；三维实体法则是对一定的骨架模型贴图表示。3种构建方法效果图对比如图8所示。

十字面片法模型数据量小，立体感强，但当视点移动到模型顶部或一定高度时则表现出严重的失真。广告牌法创造的面片由于其始终正对视点，效果逼真，但需要场景变换时不断计算模型与视点的位置关系，增加了计算机CPU运算负担。三维实体法模型真实度较高，但同时数据量大，对计算机的显示与渲染有很大的挑战。因此，通常选择十字面片法、广告牌法来表现地面附属物。

图8　3种构建方法及效果图对比

2. 场景集成

每个模型并不是单独的在场景中起作用，而是与其他模型协同作用共同构成三维场景，因此需要将地形模型与地面模型根据模型之间的语义关系来进行组织与整合，以构建仿真于现实的堤防工程三维场景。模型的语义关系是指各个模型之间的组合与聚合关系，可以根据影像图来基本确定。

由于地形模型是所有地面模型的载体，因此不用进行组织，而是根据模型语义分析将堤防、水工建筑物、地面附属物等模型放置于合理位置的地形上。在现实世界中，堤防与地形是聚合关系，但由于其模型是不同于地形模型单独构建的，在计算机表达上则转换为组合关系，即将大堤转换为位于地形之上的地物模型。

水闸、涵洞与大堤是组合关系，在进行场景的组织时，可以将模型分为地上与地下部分考虑。水闸模型位于河流的入口，地面部分基准面需与大堤的堤顶高度相平，地下部分则插入水中起到控制水流的作用。涵洞的地上为水闸控制办公室，位于大堤的斜坡面，地下部分是水闸，控制涵洞的水的出入。其他地面附属物包括花草树木、路灯等，只是简单地与地形或堤防形成组合关系，场景组织时可以将这些模型作为简单实体对象进行批量处理。

对于水面与地形而言，要形成陆地，必须水面低于地形，被水面覆盖区域则形成湖泊、河流等水体结构。将地形中与水体语义相关的三角网切割删除，向下拉伸并移动边界顶点，形成河流、湖泊、沟渠等的岸坡模型，再将剩余地形与整个水面叠加就可以表现出逼真合理的水陆交替效果。堤防工程三维场景模型语义组织如图9所示。

图9　堤防工程三维场景模型语义组织

堤防三维场景中有一些具有相似功能条件的区域，如成片的居民区、道路网、水生养殖区、经济作物种植区等，可以对其分类后进行统一的规划与管理。对每个功能区进行单独编辑，通过三角网的合并形成一个完整的整体，能够减少场景数据量，表现出优良的整体效果。

3. 场景可视化

堤防工程的三维可视化过程是将复杂的地学信息转换为直观的三维图形图像，以深刻地描述场景中各种现象的发生、发展和相互之间关系的过程。具体的可视化过程如图10所示。

图10　三维可视化流程

(1) 数据采集与处理

数据采集是三维可视化的基础，堤防工程的数据主要包括地形测量数据、工程信息、文本信息、CAD数据、遥感图像信息、摄影测量信息、地图数字化信息等。空间数据的处理包括坐标变换、数据内插、图形编辑、数据压缩等。

(2) 模型构建与简化

数据的存储与处理完成后，需要对堤防工程场景涉及的模型分别构建。对于不需要精细构建的地物如房屋，可以在尽量不影响模型外观的前提下对其进行精简。模型简化的工作可以在构建的过程中进行，如减少基础模型的分段数、删除不可见多边形，也可以在构建完成后使用3ds Max中的Polygon Cruncher插件进行简化。

(3) 模型整合与匹配

各工程实体空间关系复杂，因而需要进行模型间的整合与匹配。根据模型之间的语义关系，通过构造三维场景的模型树以实现模型的管理与组织。

(4) 场景优化

真实感与运行速度是衡量场景实时可视化效果的两个重要指标[10]，需要基于这两个标准进行场景优化。通过纹理映射、光照处理、颜色设置、消隐等工作，使三维模型更加逼真以满足更高层次的视觉要求。同时充分利用实例化技术、模型分割等技术在不影响场景仿真效果的同时大幅提高系统的运行速度。

(5) 系统集成

将堤防工程信息化管理原型系统与三维仿真系统集成融合，建立堤防工程三维可视化管理系统。同时，实现任意角度旋转、局部缩放、虚拟漫游、二三维联动等人机交互功能，以及各类地学查询、统计与空间分析功能。

三、应用

本文针对南四湖堤防工程进行三维可视化研究。南四湖位于山东省济宁市南部，是我国第6大淡水湖，地势特殊、支流众多，夏季特别容易发生洪灾。因此，对南四湖湖东地区堤防工程的良好管理非常重要。以湖东大堤为主的湖滨带及陆地为试验对象，采用各种三维建模技术与可视化技术构建了具有强烈真实感并可以快速显示与交互的三维可视化信息系统。三维场景效果如图11、图12所示。

四、结束语

本文围绕堤防工程三维场景的构建，详细阐述了要素模型构建方法、场景组织原则及可视化流程，并以南四湖湖东大堤为例，实现了复杂堤防工程三维可视化信息系统的构建，方便了管理者全面、真实、快速地掌握管理及运行情况，也为其他水利工程管理系统的建设提供了参考。

图11　地面建筑物模型

图12　场景局部效果图

参考文献：

[1]钟登华,宋洋.大型水利工程三维可视化仿真方法研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,16(1): 121-127.

[2]唐稳,田斌,雒亿平.水电工程施工的三维可视化仿真技术研究[J].科技资讯,2008(15):23.

[3]陈立新.水电工程三维可视化模拟研究[J].水利科技与经济,2008,14(9):765-766.

[4]万刚,陈刚.虚拟城市中地物几何建模技术的研究[J].测绘学报,2002,31(1):60-65.

[5]钟登华,宋洋,刘东海,等.大型引水工程施工三维可视化仿真系统研究[J].系统工程理论与实践,2003,23(11): 111-118.

[6]僧德文,王红霞.水利工程三维可视化仿真技术与系统研究[J].浙江水利水电专科学校学报,2006,18(3): 33-35.

[7]向泽君,王昌翰.三维水利工程仿真系统设计与开发[J].电网与水力发电进展,2008,23(8):47-50.

[8]王金锋,陈健堰,王国光,等.水利水电工程三维数字化设计平台建设与应用[J].水力发电,2014,40(8):1-4.

[9]王瑞瑶.谈水利水电工程三维可视化研究进展与前景[J]. 山西建筑,2014,40(2):231-233.

[10]江文萍,奚大平,蔡忠亮.港口与航道三维 GIS 的设计与实现[J].测绘通报,2012(10):79-81.

中图分类号：P208

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)03-0126-04

作者简介：刘蕾(1991—)，女，硕士生，主要从事数字地图与地理信息三维可视化方面的研究。E-mail: 1278549086@qq.com

基金项目：国家自然科学基金(41371428；41201473)；国家基础科学人才培养基金(J1103409)；语用视角下基于认知理论的空间信息符号化表达机制研究(41201473)

收稿日期：2015-04-14

引文格式： 刘蕾，江文萍，邹富,等. 堤防工程的三维建模与可视化[J].测绘通报，2016(3)：126-129.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0104.