CN109191566B - 基于tin的三维梯田建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于TIN的三维梯田建模方法，属于三维梯田建模领域。目前所采用的梯田建模方法都是基于规则格网的数字高程模的方法，此类方法存在对创建的梯田形状不易控制、模型精度随DEM的精度而变化、不易提取土方工程量及难以优化的问题。为解决上述问题，本发明技术方案要点为：创建一个空TIN曲面，得到三维的原始地形曲面；得到地形克隆曲面；在每个拟建梯田区内，获取地形克隆曲面的平均坡度，查出梯田台阶的高差值H；以H为参数，从地形克隆曲面中提取出高差为H的新等高线；得到基准等高线；生成上、下台阶边线，直到处理完所有基准等高线；创建一个空TIN曲面，并将划定此梯田区域的多段线作为边界线添加到梯田曲面，得到三维梯田曲面。

Description

基于TIN的三维梯田建模方法

技术领域

本发明涉及三维梯田建模技术，特别涉及基于不规则三角网(TIN)的三维梯田建模方法技术。

背景技术

我国西部多山，其坡耕地是导致该地区水土流失的最主要的原因，一种有效地改善坡耕地水土流失的方法是将坡地改造为梯田——“坡改梯”。实践证明坡改梯后拦蓄坡面径流和保土能力均有大幅提高。为此，我国许多省区开展了大面积坡改梯工程实践活动。

坡改梯工程设计中，对梯田的三维建模是重要环节。目前所采用的梯田建模方法都是基于规则格网的数字高程模型(DEM)的方法。此类方法存在对创建的梯田形状不易控制、模型精度随DEM的精度而变化、不易提取土方工程量及难以优化的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于TIN的三维梯田建模方法，解决目前所采用的梯田建模方法都是基于规则格网的数字高程模的方法，此类方法存在对创建的梯田形状不易控制、模型精度随DEM的精度而变化、不易提取土方工程量及难以优化的问题。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：基于TIN的三维梯田建模方法，包括如下步骤：

A1、在Civil3D平台上，打开原始等高线地形图，用户用封闭的多段线划定出一个或多个拟建梯田区的边界；

A2、利用Civil3D平台的曲面生成工具创建一个空TIN曲面，记为原始地形曲面，选中原始等高线地形图中的等高线，将其添加到原始地形曲面的等高线集合中，再用Civil3D的重新生成曲面工具，得到三维的原始地形曲面；

A3、利用Civil3D平台的剪裁曲面工具，从三维的原始地形曲面中克隆一块与划定的拟建梯田区大小相等的地形克隆曲面，所述地形克隆曲面是原始曲面的一个局部；

A4、在每个拟建梯田区内，利用Civil3D平台的曲面属性工具，获取地形克隆曲面的平均坡度，根据设计规范中的“土地平整坡度分级表”查出梯田台阶的高差值H；

A5、以H为参数，利用Civil3D平台的曲面属性工具，从地形克隆曲面中提取出高差为H的新等高线；

A6、利用等高线整理模块对新等高线进行相应处理，得到基准等高线C；

A7、利用台阶边线生成模块，以基准等高线C为基准线，生成上、下台阶边线，所述生成的上、下台阶边线用Civil3D平台的三维多段线表示，将生成的上、下台阶边线添加到梯田边线集合中，直到处理完所有基准等高线；

A8、利用Civil3D平台的曲面生成工具创建一个空TIN曲面，记为梯田曲面，将梯田边线集合中的上、下台阶边线添加到梯田曲面的特征线集合中，并将划定此梯田区域的多段线作为边界线添加到梯田曲面，用Civil3D的重新生成曲面工具，得到三维梯田曲面。

具体地，步骤A6中，所述利用等高线整理模块得到基准等高线C的步骤如下：

A61、利用Civil3D的多段线编辑工具，将原始等高线地形图中高程相同但中间有断点的等高线连接合并为一条等高线；

A62、采用Douglas-Peucker算法对该合并成的等高线进行取直和简化处理，此算法具体步骤为：

A621、连接等高线起始两点，得到连线；

A622、计算等高线上除起始点外所有顶点到连线的垂直距离，找到距离最大者P₀，保存P₀点；

A623、以P₀点为分割点，将所有顶点分为两个部分：P₀点以前的部分S₁和以后的部分S₂；

A624、用步骤A621中的方法分别找到S₁和S₂点集中距离最大者：P₁和P₂，再分别以P₁和P₂为分割点对S₁和S₂进行再次分割；

A625、直到分割至垂直距离小于阈值e；

A626、将分割过程中保存的所有点，顺序连接形成取直和简化后的等高线，此等高线即为基准等高线C。

进一步地，步骤A7中，所述利用台阶边线生成模块生成上、下台阶边线的步骤如下：

A71、用Civil3D平台的偏移线工具，对步骤A6中得到的基准等高线C做左、右两次偏移操作，左偏移线为下台阶边线，右偏移线为上台阶边线，偏移操作时的偏移距离L用以下公式计算：

L＝b*H/2

其中，H表示台阶高差，b表示台阶连接坡度；

A72、用Civil3D的多段线转换工具，将上、下台阶边线转换为三维多段线，赋给其高程值分别为：

其中，Elev_上表示上台阶变现转换的三维多线段赋给的高程值，Elev_下表示下台阶变现转换的三维多线段赋给的高程值，Elev_c表示基准等高线C的高程值。

具体地，得到所述三维梯田曲面后，以台阶条带为单位进行梯田工程量统计，具体包括如下步骤：

B1、利用Civil3D平台的创建三角网体积曲面功能，以创建的原始地形曲面和梯田曲面分别作为体积曲面的基准曲面和对照曲面，创建一个体积曲面；

B2、利用条带边界构建模块，为每个台阶条带生成一条闭合的条带边界曲线；

B3、利用工程量统计模块，提取梯田土方的总挖填方量，以及每个台阶的界内挖填方量、面积、周长、长轴长度和标高信息，输出梯田工程量表。

再进一步地，步骤B2具体包括如下步骤：

B21、计算每个台阶条带中一侧的上、下台阶边线与梯田边界线的交点，复制梯田边界线在两交点之间的那一段，记为梯田边界线分段；

B22、按逆时针顺序，将上台阶边线、梯田边界线分段、下台阶线和另一侧的梯田边界线分段连接为一条闭合的多段线；

B23、输出此多段线为条带边界曲线。

具体地，步骤B3具体包括如下步骤：

B31、在Civil3D平台的“体积面板”工具对话框中，选择步骤B1中创建的体积曲面；

B32、用面板中的“添加界面体积”工具，依次选择步骤B2中生成的各台阶的条带边界曲线，创建各台阶的界内体积；

B33、从“体积面板”中提取出梯田土方的总挖填方量和各台阶界内挖填方量；

B34、利用Civil3D的图元特性工具从各台阶的条带边界曲线中提取出条带的面积、周长、长轴长度和标高信息。

本发明的有益效果是，通过上述基于TIN的三维梯田建模方法，首先，采用基于不规则三角网(TIN)方法对梯田曲面进行建模。比较DEM建模方法，由于TIN特有的约束三角剖分(CDT)技术，使得它特别适合于梯田这类具有弯曲边界、台阶级差的复杂形状物体的三维建模。其次，运用降维处理的思路(三维曲面→二维等高线)来降低建模难度。即通过修整二维的等高线的形状，并把它作为约束边添加到TIN曲面中，来控制梯田台阶的走向和调整土方的挖填平衡。再次，以基准等高线向左、向右各偏移b*H/2的方法生成上、下台阶边线，此方法由于偏移距离小，不易出现计算错误，同时更容易达到挖填平衡。最后，本发明可以为梯田的每个台阶生成边界，由此实现了分台阶统计功能，统计信息更加精细。

由于TIN特有的约束三角剖分(CDT)技术，使得它特别适合于梯田这类具有弯曲边界、台阶级差的复杂形状物体的三维建模。用本发明方法创建的三维梯田模型更精准。采用了台阶高差H、台阶连接坡度b等作为梯田的建模参数，这种参数化方法使得创建的梯田模型更便于动态调整。

通过在建模方法上采用的等高线整理的措施，所建梯田模型可以大致达到挖填土方量平衡的目标。所提出的工程量统计方法不仅可以计算整块梯田的总土方工程量，还可以分别计算每个台阶条带的土方工程量。可以大幅提高梯田设计和绘图的效率、工程量统计的精度和模型的三维可视化效果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的技术方案。

本发明所述基于TIN的三维梯田建模方法，包括如下步骤：

A1、在Civil3D平台上，打开原始等高线地形图，用户用封闭的多段线划定出一个或多个拟建梯田区的边界；

A2、利用Civil3D平台的曲面生成工具创建一个空TIN曲面，记为原始地形曲面，选中原始等高线地形图中的等高线，将其添加到原始地形曲面的等高线集合中，再用Civil3D的重新生成曲面工具，得到三维的原始地形曲面；

A3、利用Civil3D平台的剪裁曲面工具，从三维的原始地形曲面中克隆一块与划定的拟建梯田区大小相等的地形克隆曲面，其中，地形克隆曲面是原始曲面的一个局部；

A4、在每个拟建梯田区内，利用Civil3D平台的曲面属性工具，获取地形克隆曲面的平均坡度，根据设计规范中的“土地平整坡度分级表”查出梯田台阶的高差值H；

A5、以H为参数，利用Civil3D平台的曲面属性工具，从地形克隆曲面中提取出高差为H的新等高线；

A6、为满足“大弯就势，小弯取直”的梯田平面设计原则，利用等高线整理模块对新等高线进行相应处理，得到基准等高线C；

A7、利用台阶边线生成模块，以基准等高线C为基准线，生成上、下台阶边线，其中，生成的上、下台阶边线用Civil3D平台的三维多段线表示，将生成的上、下台阶边线添加到梯田边线集合中，直到处理完所有基准等高线；

A8、利用Civil3D平台的曲面生成工具创建一个空TIN曲面，记为梯田曲面，将梯田边线集合中的上、下台阶边线添加到梯田曲面的特征线集合中，并将划定此梯田区域的多段线作为边界线添加到梯田曲面，用Civil3D的重新生成曲面工具，得到三维梯田曲面。

上述方法中，步骤A6中，利用等高线整理模块得到基准等高线C的步骤如下：

A61、利用Civil3D的多段线编辑工具，将原始等高线地形图中高程相同但中间有断点的等高线连接合并为一条等高线；

A62、采用Douglas-Peucker算法对该合并成的等高线进行取直和简化处理，此算法具体步骤为：

A621、连接等高线起始两点，得到连线；

A622、计算等高线上除起始点外所有顶点到连线的垂直距离，找到距离最大者P₀，保存P₀点；

A623、以P₀点为分割点，将所有顶点分为两个部分：P₀点以前的部分S₁和以后的部分S₂；

A624、用步骤A621中的方法分别找到S₁和S₂点集中距离最大者：P₁和P₂，再分别以P₁和P₂为分割点对S₁和S₂进行再次分割；

A625、直到分割至垂直距离小于阈值e；

A626、将分割过程中保存的所有点，顺序连接形成取直和简化后的等高线，此等高线即为基准等高线C。

优选地，步骤A7中，利用台阶边线生成模块生成上、下台阶边线的步骤如下：

A71、用Civil3D平台的偏移线工具，对步骤A6中得到的基准等高线C做左、右两次偏移操作，左偏移线为下台阶边线，右偏移线为上台阶边线，偏移操作时的偏移距离L用以下公式计算：

L＝b*H/2

其中，H表示台阶高差，b表示台阶连接坡度；

A72、用Civil3D的多段线转换工具，将上、下台阶边线转换为三维多段线，赋给其高程值分别为：

其中，Elev_上表示上台阶变现转换的三维多线段赋给的高程值，Elev_下表示下台阶变现转换的三维多线段赋给的高程值，Elev_c表示基准等高线C的高程值。

优选地，得到三维梯田曲面后，以台阶条带为单位进行梯田工程量统计，具体包括如下步骤：

B1、利用Civil3D平台的创建三角网体积曲面功能，以创建的原始地形曲面和梯田曲面分别作为体积曲面的基准曲面和对照曲面，创建一个体积曲面，其中，三维体积曲面是指由上下两个曲面形成的实体，Civil3D根据一定的算法，计算这两个曲面围合的空间的体积；

B2、利用条带边界构建模块，为每个台阶条带生成一条闭合的条带边界曲线；

B3、利用工程量统计模块，提取梯田土方的总挖填方量，以及每个台阶的界内挖填方量、面积、周长、长轴长度和标高等信息，输出梯田工程量表。

优选地，步骤B2具体包括如下步骤：

B21、计算每个台阶条带中一侧的上、下台阶边线与梯田边界线的交点，复制梯田边界线在两交点之间的那一段，记为梯田边界线分段；

B22、按逆时针顺序，将上台阶边线、梯田边界线分段、下台阶线和另一侧的梯田边界线分段连接为一条闭合的多段线；

B23、输出此多段线为条带边界曲线。

优选地，步骤B3具体包括如下步骤：

B31、在Civil3D平台的“体积面板”工具对话框中，选择步骤B1中创建的体积曲面；

B32、用面板中的“添加界面体积”工具，依次选择步骤B2中生成的各台阶的条带边界曲线，创建各台阶的界内体积；

B33、从“体积面板”中提取出梯田土方的总挖填方量和各台阶界内挖填方量；

B34、利用Civil3D的图元特性工具从各台阶的条带边界曲线中提取出条带的面积、周长、长轴长度和标高等信息。

Claims (5)

1.基于TIN的三维梯田建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

A1、在Civil3D平台上，打开原始等高线地形图，用户用封闭的多段线划定出一个或多个拟建梯田区的边界；

A2、利用Civil3D平台的曲面生成工具创建一个空TIN曲面，记为原始地形曲面，选中原始等高线地形图中的等高线，将其添加到原始地形曲面的等高线集合中，再用Civil3D的重新生成曲面工具，得到三维的原始地形曲面；

A3、利用Civil3D平台的剪裁曲面工具，从三维的原始地形曲面中克隆一块与划定的拟建梯田区大小相等的地形克隆曲面，所述地形克隆曲面是原始曲面的一个局部；

A4、在每个拟建梯田区内，利用Civil3D平台的曲面属性工具，获取地形克隆曲面的平均坡度，根据设计规范中的“土地平整坡度分级表”查出梯田台阶的高差值H；

A5、以H为参数，利用Civil3D平台的曲面属性工具，从地形克隆曲面中提取出高差为H的新等高线；

A6、利用等高线整理模块对新等高线进行相应处理，得到基准等高线C；

A7、利用台阶边线生成模块，以基准等高线C为基准线，生成上、下台阶边线，所述生成的上、下台阶边线用Civil3D平台的三维多段线表示，将生成的上、下台阶边线添加到梯田边线集合中，直到处理完所有基准等高线；

A8、利用Civil3D平台的曲面生成工具创建一个空TIN曲面，记为梯田曲面，将梯田边线集合中的上、下台阶边线添加到梯田曲面的特征线集合中，并将划定此梯田区域的多段线作为边界线添加到梯田曲面，用Civil3D的重新生成曲面工具，得到三维梯田曲面；

步骤A7中，所述利用台阶边线生成模块生成上、下台阶边线的步骤如下：

A71、用Civil3D平台的偏移线工具，对步骤A6中得到的基准等高线C做左、右两次偏移操作，左偏移线为下台阶边线，右偏移线为上台阶边线，偏移操作时的偏移距离L用以下公式计算：

L＝b*H/2

其中，H表示台阶高差，b表示台阶连接坡度；

A72、用Civil3D的多段线转换工具，将上、下台阶边线转换为三维多段线，赋给其高程值分别为：

其中，Elev_上表示上台阶变现转换的三维多线段赋给的高程值，Elev_下表示下台阶变现转换的三维多线段赋给的高程值，Elev_c表示基准等高线C的高程值。

2.根据权利要求1所述的基于TIN的三维梯田建模方法，其特征在于，步骤A6中，所述利用等高线整理模块得到基准等高线C的步骤如下：

A61、利用Civil3D的多段线编辑工具，将原始等高线地形图中高程相同但中间有断点的等高线连接合并为一条等高线；

A62、采用Douglas-Peucker算法对该合并成的等高线进行取直和简化处理，此算法具体步骤为：

A621、连接等高线起始两点，得到连线；

A622、计算等高线上除起始点外所有顶点到连线的垂直距离，找到距离最大者P₀，保存P₀点；

A623、以P₀点为分割点，将所有顶点分为两个部分：P₀点以前的部分S₁和以后的部分S₂；

A624、用步骤A621中的方法分别找到S₁和S₂点集中距离最大者：P₁和P₂，再分别以P₁和P₂为分割点对S₁和S₂进行再次分割；

A625、直到分割至垂直距离小于阈值e；

A626、将分割过程中保存的所有点，顺序连接形成取直和简化后的等高线，此等高线即为基准等高线C。

3.根据权利要求1或2所述的基于TIN的三维梯田建模方法，其特征在于，得到所述三维梯田曲面后，以台阶条带为单位进行梯田工程量统计，具体包括如下步骤：

B1、利用Civil3D平台的创建三角网体积曲面功能，以创建的原始地形曲面和梯田曲面分别作为体积曲面的基准曲面和对照曲面，创建一个体积曲面；

B2、利用条带边界构建模块，为每个台阶条带生成一条闭合的条带边界曲线；

B3、利用工程量统计模块，提取梯田土方的总挖填方量，以及每个台阶的界内挖填方量、面积、周长、长轴长度和标高信息，输出梯田工程量表。

4.根据权利要求3所述的基于TIN的三维梯田建模方法，其特征在于，步骤B2具体包括如下步骤：

B21、计算每个台阶条带中一侧的上、下台阶边线与梯田边界线的交点，复制梯田边界线在两交点之间的那一段，记为梯田边界线分段；

B22、按逆时针顺序，将上台阶边线、梯田边界线分段、下台阶线和另一侧的梯田边界线分段连接为一条闭合的多段线；

B23、输出此多段线为条带边界曲线。

5.根据权利要求3所述的基于TIN的三维梯田建模方法，其特征在于，步骤B3具体包括如下步骤：

B31、在Civil3D平台的“体积面板”工具对话框中，选择步骤B1中创建的体积曲面；

B32、用面板中的“添加界面体积”工具，依次选择步骤B2中生成的各台阶的条带边界曲线，创建各台阶的界内体积；

B33、从“体积面板”中提取出梯田土方的总挖填方量和各台阶界内挖填方量；

B34、利用Civil3D的图元特性工具从各台阶的条带边界曲线中提取出条带的面积、周长、长轴长度和标高信息。