cq9电子平台网站：测量和土木工程中的地形建模小析

　　自1958年地形建模（Terrain modelling）被首次提出以来，其在各个学科领域都得到了广泛应用和进展。如今，地形建模已经成为测量学、地质学、地球物理学、土木工程、矿业工程以及其他地球科学领域的重要研究活动。

　　表面建模（Surface modelling）是通过数学表达来表示物理或人工创建的表面的过程，而地形建模（Terrain modelling）则是表面建模的一种特定类别，专门处理地球表面表示的问题。

　　在测量学中，地形建模被用于获取和分析地表的高程和形状信息，通过地形建模，可以生成数字高程模型（Digital Elevation Models，简称DEM）或数字地形模型（Digital Terrain Models，简称DTM），从而为各种应用提供准确的地理信息。

　　一种常见的方法被称为传统的网格基准方法，它采用直接测量或数据收集的方式，并以等间距网格的形式创建地形模型。

　　这种方法在各个领域都有广泛的应用。例如，在建筑工地上，人们使用网格水平仪进行测量，土木工程师则利用摄影测量技术通过立体制图仪器获取剖面数据。

　　尤其是当与正射摄影或计算机控制的分析绘图仪相结合使用时，这种方法表现出了极大的效用。

　　然而，这种传统的网格方法存在一个缺陷，即无视数据点的分布与地形特征之间的关系。如果数据点是按照传统网格采样的，为了准确地表达正在建模的地形的最小特征，就必须确保数据密度足够高地型模型。

　　因此，在模型的大部分区域，数据密度会过高，从而产生不必要的数据冗余。在这种情况下，可能需要对测量数据进行预处理，例如数据过滤和重新定义地形模型。

　　尽管如此，由于广泛采用和依赖相关软件包的开发，这种方法在地形建模中越来越受欢迎。

　　其中一个主要优势是，每个测量数据点都可以直接被利用，因为它们构成了用于建模地形的三角形的顶点。这些三角形还可以用于对额外的点进行高度插值和生成等高线。

　　除网格基准方法以外，另一种常见的方法，是基于三角测量的地形建模，这种方法提供了一种方便的方式来包含断线、断层线和其他地形特征。

　　在采用基于三角形的方法时，追求一组尽可能等边且边长最小的三角形是非常重要的。为了满足这两个要求，通常使用两种主要算法，分别是Delaunay三角剖分方法和径向扫描算法。

　　与德洛内三角剖分相关的一个概念是泰森多边形（图2）。它的目的是几何上定义一个点对于区域的影响范围。实现这一目标的方法是在以该点为顶点的每个三角形上，构建垂直平分线，这些平分线相交的点被称为泰森顶点。

　　在开始三角剖分过程之前，首先需要定义一组边界点（人工设定），以创建数据集区域边缘的周长。

　　这样做是为了建立地形模型的框架和一组边界三角形，以便轮廓线可以延伸到数据集区域之外。一旦这些边界点被定义和添加（它们可以有任意值），整个区域就可以进行三角剖分（图3）。

　　目前，德洛内方法已经获得了更广泛的认知和理解，并且在许多基于三角剖分的地形建模软件中得到广泛应用。

　　作为德洛内三角剖分的一种替代方法，径向扫描算法也被使用。与德洛内三角剖分类似，径向扫描算法的输入数据由随机分布的点组成（相对于系统地分布的点），每个点都有x、y和z坐标。

　　这些点通常位于山顶、山脊、断层线等位置。该算法从距离数据集质心最近的点或节点开始。从该中心点开始，计算该点到数据集中所有其他点的距离和方位角，并按照方位角进行排序和排列。

　　一旦完成初始排序，就会向每个点建立一条辐射线，并通过连接新点和前一个点形成长而细的三角形（见图4）。

　　如果两个点具有相同的方位角，则它们将在公共线的两侧形成一对三角形。每当访问一个点时，它就会被添加到链接列表中，该列表形成了三角网的另一个边界。

　　在完成初始扫描后，需要填充初始径向扫描三角剖分所创建的凹陷区域。通过将边界列表上的每个点或节点与列表上的后两个节点进行组合和比较，来确定是否可以形成内部三角形。

　　如果可以，新的三角形将被添加到数据库中，并从外部边界点列表中删除第二个（内部）节点。完成此过程后，该列表将包括构成地形模型的凸边的点或节点。

　　如图5所示，所有数据点都被三角剖分为不重叠的三角形。然而，形状和连接仍然不全是理想状态。

　　所以，为了优化形状，需要对每个三角形与其相邻的每个三角形进行测试。通过将一对三角形组合成一个四边形，并计算相邻节点之间的距离，对该四边形进行测试。

　　如果两个共享节点之间的距离大于两个唯一节点之间的距离，则交换三角形的索引，并更新数据库指针。通过持续遍历数据库直到没有任何更改为止，反复进行这个过程来进行优化。

　　在土木工程中，地形建模被广泛用于规划和设计道路、桥梁、水坝等基础设施项目。通过对地形进行精确建模和分析，工程师可以预测地形变化对工程结构的影响，提前做好设计和施工准备。

　　自20世纪60年代中期开始，土木工程师开始在商业运营中采用数字地形模型（DTM）数据。随后，计算机辅助公路设计（CAHD）软件的出现彻底改变了该行业的工作方式。这一软件使得工程师能够自动化设计过程，并在狭窄的兴趣区域内探索多条道路走向。

　　然而，早期系统存在一些限制。如地形建模能力受到限制，无法处理复杂的几何条件，从而使得绘图功能也受到一定的限制。

　　改进的土地建模的CADD系统，主要是使用基于表面建模的方法。其中，1980年推出的GDS-Sites是一个交互式现场地形系统，用于创建和分析地形数据。它由两个互补的软件包组成：Survey和Sites。

　　Survey软件包用于输入实地测量数据，并使用标准方法处理控制数据。它还提供交互式预分析工具，以优化控制网络。Survey可以通过多种方法输入数据，包括从实地数据记录仪获取的数据，并生成形成地形模型所需的高程点数据库。

　　Sites是系统的另一个独立组件，用于插值和分析地形模型。它采用改进的Delaunay三角剖分算法，包含断线处理功能，可以通过线性插值确定等高线，并使用二次样条拟合生成平滑的等高线。

　　尽管Sites没有道路设计功能，但它提供了一些水文学家所需的功能，如显示流域线和使用交叉坡向量指示径流方向。这些额外功能促使提出了智能地面模型（IGM）这一术语。

　　另一个基于表面建模的系统是由BDP计算服务公司开发的Acropolis，主要用于建筑操作，但也可以生成地面模型以进行可视化目的。

　　固体建模系统最初是为机械工程零部件设计而开发的，但在地形建模中也发挥一定的作用。这些系统可以分为构造实体几何（CSG）、边界表示（B-Rep）和简单扫描类型。

　　CSG系统使用简单的体积基元（如长方体、圆柱体、圆锥体、球体和环面）来表示形状，而B-Rep系统则存储构成对象边界的所有元素（面、边和顶点），以及元素之间的拓扑关系信息。

　　尽管固体建模系统在地形建模方面尚未广泛评估，但当前的研究正在着力探索它们的潜力。

　　总结而言，土木工程中的土地建模已经取得重要进展，从早期功能有限的系统逐渐发展到广泛采用基于表面建模的CADD系统。当前正在进行的研究旨在发掘固体建模系统在地形建模方面的潜力，为该领域的进一步创新奠定基础。

　　地形建模在土木工程等领域的应用，除了生成标准的方格、三角形或线型地形模型以供工程项目使用外，还可以应用于以下几个方面：

　　首先，地形模型可以利用回声测深和电子定位设备获取的位置信息来模拟海底地形。通过获取海底地形的数据，可以更好地了解海底地貌的形态和特征，这对于海洋科学研究、海洋资源勘探以及海洋工程建设等领域具有重要意义。

　　其次，地形模型还可用于对卫星遥感图像进行矫正。例如，对从Landsat或Seasat系列卫星获得的图像进行处理。

　　人们可以利用地形模型来校正遥感图像中的几何畸变，从而获得更准确、更真实的地表信息。这对于环境监测、土地利用规划和自然资源管理等方面非常有帮助。

　　此外，地形模型还可以将卫星图像与三维地表进行叠加，即，通过将卫星图像与地形模型相结合，可以创建出更具空间感和真实感的图像，使观察者能够以更直观的方式理解地表的特征和变化。

　　另一方面，地形建模领域也已经开发了一系列建模系统，专门用于处理表示高度断层地质结构和地球物理数据建模的特定问题。

　　这些系统在多个应用中发挥作用，包括通过地质和地球物理测量确定油田的储量，以及对航磁和地震数据进行建模的油藏模拟研究。

　　通过将这些软件包应用于各种不同的项目中，地形建模领域已经取得了显著的发展，此外，就土木工程与公路工程项目来讲，其是建模系统的重要应用领域。这些系统在解决各种公路工程问题方面发挥着关键作用。

　　例如，它们可以精确测量土方工程，包括从借土场、废料区或不同地层中计算土方体积，以实现精确的成本估算。此外，建模系统还可以用于设计主要道路，确保道路的最佳布局和几何形状，并提供安全性考虑。

　　对于复杂的交流道、路口和城市重新规划方案，建模系统可以帮助设计高效且安全的交通流模式。且建模系统还可以用于可视化结构元素，如桥面或混凝土基础板，帮助工程师在施工前对设计进行分析和优化。

　　建模系统开发的许多技术也可以应用于其他线性土木工程项目。例如，它们可以用于设计主要铁路和快速交通系统，确保线路的有效布置、轨道的合理布局和站点的适当位置。

　　建模系统还可以用于运河和河流整治方案的设计和评估，确保良好的水流管理、防洪和航行条件。对于飞机场设计，建模系统可以优化跑道布置、滑行道位置和飞机操纵区域。

　　另外，建模系统还可以用于隧道的监测和可视化，通过隧道剖面系统准确评估隧道的状况和潜在危险。

　　大型面积土木工程项目也可以受益于建模系统的应用。例如，在土地开垦和修复方面，建模系统可以帮助进行矿产开采、夯土堆平整或填充砾石场等操作的土地开垦和修复工作，以确保土地的有效利用和环境的恢复。

　　此外，建模系统还可以用于流域分析，评估水库的储水能力，并支持大坝的设计和监测工作，以确保其稳定性和完整性。

　　最后，在军事工程领域，建模系统不仅可以应用于与土木工程类似的项目，还可以解决特定的军事工程问题。例如，它们可以用于选址地面雷达站，确保其具有良好的覆盖范围和视线能力。

　　其还可以进行视距和相互可见性分析，用于火炮规划，确定最佳的炮位和目标可见性，以及分析与潜在的核、生物或化学攻击相关的暴露和尘埃区域，并帮助规划相应的反制措施和应对策略。

　　综上所述，现今的土木工程师行业越来越认识到地形建模的重要性，这促使了地形建模软件的发展与整合，相信随着时间的推移，地形建模将在土木工程领域取得更加显著的进展，为计算机辅助设计与绘图带来更深层次的优化与创新。返回搜狐，查看更多