14.4.1 建立三维数字地形模型原理
建立三维数字地形模型，具有直观、真实感强等特点，同时在应用方面具有很强的优势，使得那些在二维图或三维线框图中不易完成的工作变得非常简单、方便和直观。例如，根据蓄水位高程绘制等水位线，绘制某一高程的等高线，计算给定区域的曲面面积、体积等，以下介绍三维数字地形模型的建立。
建立三维数字地形模型，其数据采集来自地形等高线图，要把这些数据生成数字地形，并在其基础上进行可视化分析。
数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）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。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。
（1）规则格网模型。规则格网通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网。规则格网将区域空间按一定的分辨率切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值，数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。格网单元内各点的高程值，可以通过拟合计算得到。规则格网模型的计算机算法实现比较容易，可很方便地进行等高线、坡度、坡向、山坡阴影的计算以及流域地形的自动提取。
（2）不规则三角网模型。不规则三角网模型（Triangular Irregular Networks，简称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；若该点落在三角形内，则用三个顶点的高程进行线性插值。所以TIN是一个三维空间的分段线性模型。TIN模型通常采用三角剖分法建立，它能保证所建的TIN三角网具有唯一性，且能最大限度地避免产生狭长三角形。通过在局部增加或减少控制点，该模型可方便地实现模型修改，而且能比较充分地表现控制点起伏变化的细节，且模型数据量和运算量较小。但TIN的数据存储方式比规则格网复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系、三角形与邻接三角形的关系等。
规则格网模型与TIN模型之间可以互相转换。规则格网模型转成TIN模型可以看作是一种规则的采样点集生成TIN的特例。TIN模型转成规则格网模型则可看作是普通不规则点生成数字高程地形的过程，方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的TIN数据点。
14.4.2 离散点数据的生成
建立三维地形模型，该系统中，规则格网模型是通过以下两种办法实现的。
（1）在地形图上直接生成三维地形模型。根据工程区需要，选定绘制三维地形的区域范围，根据地形地貌特点，确定网格间距，系统按照网格数据计算网格各点高程，绘制三维地形的表面模型和实体模型，并将计算好的网格数据存入一个用户指定的文件，以后可以通过读取这个文件绘制三维地形模型、切制剖面图和平切面图。具体操作方法是：选择“三维地形”后，系统提示绘制三维地形区域的两个角点坐标，提示输入网格间距，自动以切制地形剖面的方法计算出各网格点的高程，并完成三维地形模型的绘制，同时提示用户将数据存入一个指定的文件（DAT数据文件）。
（2）读取地形等高线的各点高程，将其作为离散点，存放在一个TXT数据文件中，然后使用Surfer 软件进行网格化，形成绘制三维地形模型的数据文件，再进入CAD绘制三维地形模型。
由地形等高线得到离散点，一般来讲，现在测量专业提交的数字化地形图，质量越来越好，但其中也存在个别小问题，在进行离散点转换之前需要进行修改：一是测量专业在进行手工修图时，造成个别线条的高程不对，修改的方法是，将地形等高线图层以外的其他图层冻结，利用三维视图的主视图将那些高程明显过大和过小的等高线选中，并更改其颜色为不同于地形等高线的颜色，然后再进入三维视图的俯视图，对这些地形等高线的高程进行修改，对于那些不是明显过大和过小的等高线，只能是在三维地形模型建立好以后，再进行查找和修改；二是在地形等高线图中，陡崖是采用符号表示的，而没有高程信息，特别是对那些在一定范围内全部都是陡崖符号，就需要添加等高线或三维线表示高程，这样才能够使得制作出的三维模型真实可靠，这一工作最好由测量专业来完成；三是地形等高线的点过密，造成计算工作量过大。
数字化地形图的等高线，在AutoCAD的DWG图形文件中，可以由以下线段元素构成：LINE、PLINEPOLY、LWPOLYLINE、SPLINE、3DPOLY。一般以轻便多义线LWPLINEPOLY为主，在进行地形等高线转换成离散点时，应能处理以上各种线实体。程序应完成的主要工作是，读取这些线实体的各点坐标和高程，并将其存入一个TXT文件。在开发等高线转换的程序时，首先根据线实体的名称，确定其类型，并得到各点坐标，然后根据等高线变化形态，删去一些无用点，以减少数据量，并将数据存入用户指定的数据文件，其后缀为TXT，具体操作步骤是：在平面图菜单中，选择“离散点数据（Surfer绘图）”→“地形等高线转成离散点数据”，显示界面如图14-6所示。
图14-6 选择离散点数据文件
图14-7 确定校正系数
输入文本文件的名称，然后提示输入校正系数，如图14-7所示。这个数据可以对地形等高线瘦身，减少等高线的点数，提高网格数据生成速度。
点击“OK”按钮以后，地形等高线自动转换成离散点数据文件，并提示用户离散点数据文件所存放的位置和文件名。
离散点生成三维网格数据：使用Surfer软件，将离散点数据转换成三维网格数据。Surfer是一款非常优秀的软件，它可以根据离散点绘制等值线图，提供了克里格等十几种方法进行数据处理，其处理速度和拟合程度都是不错的。操作过程如下：
进入Surfer软件以后，在菜单中选择“网格”→“数据”，选定离散点数据文件如图14-8所示。
图14-8 选择离散点数据文件(www.xing528.com)
选择离散点数据文件后，在图14-9界面中，确定网格化方法和网格线索几何学数据。其中，网格的间距决定了三维图的精度，这是一个比较重要的数据，选择过小，会增大三维地形模型的存储空间；选择过大，会造成地形表面不够光滑，引起失真。X方向和Y方向的最大、小值，是Surfer根据原始数据计算出来的，用户可以根据需要，自己定义绘制三维地形模型的范围。点击“确认”按钮后，系统自动根据离散点进行网格化，并将数据存入用户选定的“输出网格文件”中。
图14-9 网格化数据
在“文件”→“打开”中打开网格文件，如图14-10所示。
图14-10 选择GRD数据文件
显示出网格化后的地形图，选择“文件”→“另存为”，存放为ASCII码格式的DAT数据文件，如图14-11所示。一般来讲，地形等高线转换成离散点，离散点数据网格化的过程，仅需用几分钟的时间。在AutoCAD中读取这个文件，就可以绘制三维数字地形表面模型和实体模型。
图14-11 选择DAT数据文件
根据地形等高线的特点，我们可以知道，等高线越密集，地势越陡；等高线越稀疏，则地势越平缓。图14-12（a）是一张地形等高线图，其中有两个地方地形等高线密集，说明地形变化比较大，地势比较陡。当网格密度选择比较大的时候，绘制出的三维图未能真实地反映出地形的变化，有些失真，如图14-12（b）所示；当网格密度选择比较小的时候，对地形变化比较陡的地方，也能够真实地反映出来，如图14-12（c）所示。
图14-12 网格间距
14.4.3 建立三维地形模型
建立三维地形表面模型：进入AutoCAD绘图环境，运行平面图程序。在AutoCAD的平面图菜单，选择“三维功能”→“Surfer网格数据绘制三维面”→“Mesh三维面”，绘制三维地形表面模型，所生成的是Mesh三维表面。也可以根据用户需要，绘制Pface三维表面。图14-13（a）是打开DAT数据文件的界面，图14-13（b）是三维地形网格模型，图14-13（c）是着色以后的三维表面模型。
图14-13 三维地形表面模型
建立三维地形实体3DSOLID模型：在平面图菜单中，选择“三维功能”→“三维实体”→“地形三维实体”，打开网格数据文件，如图14-14所示，确定颜色以后，系统自动完成三维地形实体的绘制，如图14-15所示。
图14-14 选择DAT数据文件
图14-15 三维实体模型
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