楊超 常宇

（1.河北省地礦局第五地質(zhì)大隊 2.河北省地質(zhì)工程勘查院）

本文立足于地勘單位的視角和業(yè)務(wù)范圍，討論了工程項目三維可視化的需求，并以三維信息類型不同和建模方法差異為依據(jù)對需求進(jìn)行了分類，討論了每種類型需求建模的特點(diǎn)和建模技巧，最后給出地勘單位關(guān)于發(fā)展工程項目三維可視化技術(shù)的幾點(diǎn)建議。

1.三維展示需求的發(fā)展

三維展示技術(shù)起源于人類對現(xiàn)實中復(fù)雜實體的表達(dá)的需求。在計算機(jī)的出現(xiàn)以前，古代建筑設(shè)計師想象三維的建筑，通過不同的視角繪制在圖紙上，早期機(jī)械零件的設(shè)計師習(xí)慣繪制三視圖。隨著計算機(jī)的誕生與發(fā)展，三維建模輔助軟件應(yīng)運(yùn)而生，然而人類對現(xiàn)實表達(dá)的需求從未真正滿足。強(qiáng)大的需求動力使得三維輔助建模軟件得到了長足的發(fā)展，3D電影、動漫、3D游戲，不斷挑戰(zhàn)著計算機(jī)軟件和硬件的極限，同時測繪技術(shù)也在不斷進(jìn)步，GPS的商用對應(yīng)著三維GIS概念的誕生，攝影測量技術(shù)在小型無人機(jī)上實現(xiàn)低成本化、高效率化對應(yīng)著大量的高精度三維信息在工程項目中產(chǎn)生。

隨之而來的三維信息的獲得成本降低，工程項目的三維展示需求日益增多。

2.三維信息

三維建模是三維信息按照一定要求的表達(dá)，沒有具體要求全面無限細(xì)致的表達(dá)一個現(xiàn)實世界，理論上工作量是無限大的。而有確定范圍、確定目的、有限精度要求的建模工作往往更具實際意義。

在三維建模工作中討論幾類基本的三維信息類型：空間位置，時間，實體拓?fù)潢P(guān)系，編組關(guān)系，屬性信息。在數(shù)據(jù)存儲中所有信息都可以視為屬性，但在查詢、邏輯分析、圖形顯示時以上信息基本類型發(fā)揮著截然不同的作用。

空間位置信息和時間信息，定義了三維信息的維度。作為模型精度的承擔(dān)，是模型拼接的基礎(chǔ)，范圍查詢的基本抓手。

實體拓?fù)潢P(guān)系，表示三維信息的空間關(guān)系。同一個模型可以以不同的實體來表示，例如一個立方體可以是一個體實體，或者由6個面封閉而成，外觀顯示沒有區(qū)別但是拓?fù)潢P(guān)系不同，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致屬性承載能力不同，最終模型的功能差異很大。

編組關(guān)系，表示三維信息的邏輯結(jié)構(gòu)。編組使得模型可以以組件的概念重復(fù)利用，是一種面向?qū)ο蟮母拍睿扔腥后w屬性的繼承，又有個體屬性的個性化。

屬性信息，作為模型功能的承擔(dān)，顯示特征、材料屬性、時間序列變化、物理化學(xué)場表達(dá)、責(zé)任人、維護(hù)記錄等。不同模型功能對應(yīng)著各類不同的屬性和屬性結(jié)構(gòu)。

3.地勘單位建模需求

工程項目的類型不同三維信息的特點(diǎn)也不同，表達(dá)形式和表達(dá)技術(shù)也應(yīng)分開討論。

根據(jù)三維建模的主要技術(shù)手段不同，工程項目三維建?？煞譃椋豪L制類模型、數(shù)值類模型、監(jiān)測類模型三個類型。

3.1 繪制類模型

繪制類模型，主要應(yīng)用于建設(shè)類項目的設(shè)計與展示宣傳，特點(diǎn)是涉及大量體繪制、貼圖、調(diào)整地形、渲染等工作。有放眼全局的景觀建模，也有著眼局部的單體建筑建模，不同的著眼點(diǎn)建模的側(cè)重點(diǎn)也有所差異，需要注意的是模型的體量與建模經(jīng)濟(jì)效益的最大化問題。例如放眼全局的大范圍景觀模型可以通過粗化地形、墻面紋理、渲染效果等來減小模型體量，相反著眼局部的單體建筑建模也可以通過細(xì)化室內(nèi)外結(jié)構(gòu)、紋理、渲染效果來增加模型體量。

以唐山市古冶區(qū)王碾莊鄉(xiāng)土地復(fù)墾項目為實踐，輔助項目的設(shè)計、施工、宣傳展示，項目順利完成設(shè)計和前期施工，花卉景觀逐漸成型，所設(shè)計的三維模型能夠跟隨服務(wù)項目的整個周期，通過對比現(xiàn)狀與模型的差異，可以找出施工對設(shè)計的臨時調(diào)整，通過模擬植被未來的生長情況可預(yù)覽若干年后景觀效果。利用landsim3D作為建模輔助軟件，其參數(shù)化建模的特點(diǎn)，使得建模效率大大提高的同時，可以通過簡單改變某一參數(shù)獲得不同模型景觀效果或者模型在不同季或不同天氣條件下的景觀效果。（如圖1，見中間彩頁，下同。）

該模型的地形來源于無人機(jī)傾斜攝影測量，紋理底圖采用無人機(jī)攝影測量正射。該模型的特點(diǎn)是：花卉主產(chǎn)區(qū)精細(xì)建模，外圍工廠村莊粗略建模，模型繪制與地形改造同時運(yùn)用，植被建模大量運(yùn)用編組結(jié)構(gòu)減小模型體積。

3.2 數(shù)值類模型

數(shù)值類模型，主要應(yīng)用于勘察類項目，輔助勘察類項目的分析與結(jié)論，靈活建立該類模型，需要掌握數(shù)值類軟件的使用和計算方法的原理。插入少量體繪制作為修飾和地理標(biāo)志能增加該類模型的可讀性。在地質(zhì)勘查以及工程勘查項目中，最終的勘查成果往往可以用這類模型體現(xiàn)。例如，地球物理場、地球化學(xué)場、地下水流場、三維地質(zhì)體等。（如圖2）

該模型以地面磁法勘探平剖圖為參考，以視磁化率成像反演結(jié)果為三維數(shù)據(jù)體，對地下介質(zhì)的視磁化率以半透明顆粒，和截面的形式展示出來。

3.3 監(jiān)測類模型

監(jiān)測類模型，作為項目的客觀、直觀的記錄，如照片、視頻一樣?？梢詺w檔定期更新，來方便項目的檢查、追溯。該類模型要求建模精度高，增加客觀直觀性，模型能夠在三維GIS的輔助下進(jìn)行距離和面積量測、方量統(tǒng)計等基本查詢，還要求建模效率高，來縮短監(jiān)測周期。（如圖3）

4.結(jié)論

這三類模型都在實際生產(chǎn)中發(fā)揮信息表達(dá)的關(guān)鍵作用。不同類型模型對應(yīng)著不同表達(dá)技術(shù)手段，需要不同三維信息的采集方式，為了保障模型的精度，和信息的完整，工程項目的三維建模工作往往需要通過多單位聯(lián)合、多步驟分塊的形式完成。

工程項目三維可視化在不同的行業(yè)有各自不同的理解和定義，同一個建模目的也同時存在多種實現(xiàn)方法和技術(shù)途徑，淡化建模歸屬領(lǐng)域（軟件、測繪、設(shè)計領(lǐng)域），僅針對特定功能，規(guī)范統(tǒng)一相應(yīng)的模型屬性結(jié)構(gòu)、建模精度，更能促進(jìn)建模技術(shù)的遍地開花。工程項目三維可視化是數(shù)字孿生、智慧化城市等未來GIS概念的重要組成部分，規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其精度方便不同數(shù)據(jù)間分塊對接，減少或避免重復(fù)工作，已經(jīng)成為較為迫切的任務(wù)。