地形實(shí)體建模及其在工程施工中的應(yīng)用

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1、第４０卷第１２期人民長江Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１２２００９年６月ＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＪｕｎｅ，２００９文章編號：１００１－４１７９（２００９）１２－００５５－０３地形實(shí)體建模及其在工程施工中的應(yīng)用嚴(yán)匡檸陳和勇（武警水電第二總隊(duì)第七支隊(duì)，江西鷹潭３３５０００）摘要：闡述了利用ＡｕｔｏＣＡＤ進(jìn)行地形地貌三維建模的思路和方法，以及利用三維模型“所見即所得”，即直接感觀模型效果、直接獲得工程量、直接獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)等的特性。結(jié)合工程實(shí)踐，將三維模型應(yīng)用到工程施工中。三維建模，尤其是與地形相關(guān)的建模，盡管較二維制圖復(fù)雜，但一旦實(shí)體構(gòu)建完成，并將其應(yīng)用在工程中，將是一勞永逸、受益匪淺。所以

2、二維制圖向三維建模的延伸是其必然。關(guān)鍵詞：實(shí)體；地形建模；拉伸；布爾運(yùn)算；應(yīng)用中圖分類號：Ｐ９３１文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ１概述ＡｕｔｏＣＡＤ是當(dāng)前工程界應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)輔助制圖軟件之一。該軟件具有極為強(qiáng)大的建模功能，能夠精確、便捷地創(chuàng)建各種三維圖形。工程人員可以在ＡｕｔｏＣＡＤ的三維空間中直接生成與實(shí)際物體基本相同的三維模型。通過ＡｕｔｏＣＡＤ的三維模型，可形象直觀地查看繪圖結(jié)果，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)建具有真實(shí)感的模型渲染圖像，以更好地表達(dá)圖形效果。隨著ＣＡＤ軟件及其應(yīng)用的發(fā)展，越來越多的制圖部門都開始利用計算機(jī)直接進(jìn)行三維建模。筆者認(rèn)為，作為從事水利水電工程的施工技術(shù)人員，在

3、熟練掌握ＡｕｔｏＣＡＤ平面制圖的基礎(chǔ)上，有必要進(jìn)一步熟悉ＡｕｔｏＣＡＤ的三維建模。有了三維建模，工程人員就可以很準(zhǔn)確地獲得某工程的開挖工程量、填筑工程量或是混凝土工程量等，可以很方便地獲得建筑物實(shí)體特征點(diǎn)坐標(biāo)，可以圖１利用某工程竣工測量數(shù)據(jù)所構(gòu)成的三角網(wǎng)很直觀地對復(fù)雜建筑物的施工進(jìn)行技術(shù)交底等。２地形建模的基本思路對于規(guī)則實(shí)體建模，很多參考書都已有介紹。水工建筑物常?？梢钥闯墒怯啥鄠€規(guī)則體組合而成的，其建模通過ＣＡＤ的“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“并集”、“差集”、“交集”以及“切割”等常規(guī)命令可以輕松實(shí)現(xiàn)。因此，對規(guī)則的水工建筑物的構(gòu)建，不作專門闡述。但大部分水工建筑物實(shí)體必須與地

4、形實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算后才能有實(shí)際意義。比如土石壩建模后，須與地形實(shí)體進(jìn)行差集運(yùn)算，即減去土石壩實(shí)體中與地形實(shí)體重疊的部分，所得到的壩體才是真正的含有地形信息的土石壩。地形實(shí)體是一個不規(guī)則體，那么應(yīng)如何構(gòu)建地形實(shí)體呢？眾所周知，利用室外測量所測得的三維坐標(biāo)點(diǎn)，在ＣＡＤ中經(jīng)過展點(diǎn)后，可通過運(yùn)算構(gòu)成空間三角網(wǎng)。圖１是利用某工程圖２單個三棱柱建模示意竣工測量數(shù)據(jù)所構(gòu)成的三角網(wǎng)。收稿日期：２００９－０５－１０作者簡介：嚴(yán)匡檸，男，武警水電第二總隊(duì)第七支隊(duì)，高級工程師。５６人民長江２００９年圖３系列三棱柱體的構(gòu)建取圖１中的任意一個空間三角網(wǎng)，可以獲得該三角網(wǎng)３個工。筆者認(rèn)為，構(gòu)建后的工程三

5、維實(shí)體有以下幾項(xiàng)作用：頂點(diǎn)的空間坐標(biāo)（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ），其中ｉ＝１、２、３。先利用該３點(diǎn)的（１）可直接獲得實(shí)體模型的工程量；平面坐標(biāo)（Ｘｉ，Ｙｉ）繪制一封閉的二維多段線，如圖２（ａ）所示。（２）為編制施工方案和編排計劃提供基礎(chǔ)資料；對該多段線實(shí)施“拉伸”，生成一三棱柱體，使其拉伸高度大于（３）獲得模型特征點(diǎn)坐標(biāo)；Ｚｉ（ｉ＝１、２、３），如圖２（ｂ）所示。應(yīng)用“剖切”命令，以空間三角（４）可用于圖紙會審；網(wǎng)３個頂點(diǎn)為斜剖切面對三棱柱體實(shí)施剖切，保留三角網(wǎng)以下（５）可用于技術(shù)交底。部分實(shí)體，如圖２（ｃ）所示。如此，對所有三角網(wǎng)重復(fù)以上操作，形成一系列的經(jīng)斜剖切的三棱柱。這一系列

6、的操作就相當(dāng)于把不規(guī)則地形分解成三角形單元，爾后按構(gòu)建規(guī)則體的命令來實(shí)現(xiàn)地形實(shí)體。圖３（ａ）是利用圖１一部分三角網(wǎng)生成并經(jīng)斜剖切的三棱柱。對這一部分斜剖切的三棱柱實(shí)施“并集”命令，使三棱柱并成一個整體的實(shí)體，如圖３（ｂ）所示。圖３（ｃ）是其體著色后的效果。３地形建模的程序化以上操作全部采用手工完成那是不可想象的，因?yàn)橐瓿梢粋€大的地形實(shí)體，其測量點(diǎn)數(shù)量一般是以萬計，生成的三角網(wǎng)數(shù)量自然也是以萬計。就圖１而言，測量點(diǎn)數(shù)量約１４０００個，形成的三角網(wǎng)約２６５００個。因此應(yīng)尋求地形三維建模的程序自動化。圖５利用圖１三角網(wǎng)構(gòu)建的地形實(shí)體對于測量展點(diǎn)并利用測量點(diǎn)形成三角網(wǎng)，可利用專業(yè)測

7、量４．１獲得模型的工程量軟件完成，筆者用ＶＢＡ語言編制了測量展點(diǎn)和生成三角網(wǎng)的程如欲知道坐落在圖５地形之上的堆石壩的工程量，可以先序。在已生成三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上，筆者按照上述基本思路同樣采根據(jù)大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面和壩軸線，利用ＣＡＤ的“拉伸”命令形成大用ＶＢＡ語言編制了地形實(shí)體的構(gòu)建程序，并將以上程序集成在壩實(shí)體，并使大壩實(shí)體與圖５中的地形實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算，形成一個菜單中，可以直接外掛在ＣＡＤ菜單欄中使用，如圖４所示。包含地形信息的大壩實(shí)體，如圖６所示。此時，點(diǎn)擊ＣＡＤ工具圖５是利用本程序并結(jié)合圖１三角網(wǎng)所構(gòu)建的地