基于Cyclone與AutoCAD二次開發(fā)的三維地形建模研究

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 研究背景

隨著工程數(shù)字化與企業(yè)信息化的日益發(fā)展，對三維建模的需求也愈加迫切，傳統(tǒng)二維圖紙的工程設(shè)計與施工方式已經(jīng)越來越難以滿足信息化時代的要求。各種數(shù)字化測量儀器、計算分析軟件、三維建模軟件、虛擬現(xiàn)實軟件及管理系統(tǒng)的快速發(fā)展，顯著地提高了工程設(shè)計、建造、施工及運營管理水平，更為生產(chǎn)手段信息化奠定基礎(chǔ)，從而加快企業(yè)信息化建設(shè)的步伐[1]。

然而，面對種類繁多的三維建模軟件，其適用的專業(yè)或業(yè)務(wù)領(lǐng)域不可能面面俱到，例如AutoCAD軟件針對二維圖形設(shè)計領(lǐng)域非常強大和易用，但是在三維設(shè)計方面功能卻略顯不足；而Cyclone軟件，在點云三維運算處理方面功能強大，但是在數(shù)據(jù)輸入功能上限于格式要求，亦存在局限性。因此，本文提出在已有軟件基礎(chǔ)上通過一定的二次開發(fā)，彌補各軟件功能的不足，使其能夠協(xié)同作用，精準高效地滿足相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的工作需求，以實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟效益和實用價值。

2 Cyclone與AutoCAD協(xié)同三維地形建模原理

AutoCAD軟件是一款優(yōu)秀的計算機輔助設(shè)計軟件，廣泛應用于各行業(yè)的二維設(shè)計制圖，然而該軟件本身的三維設(shè)計功能相對較弱，不能滿足測繪領(lǐng)域的三維地形建模及相關(guān)分析計算的要求。

Cyclone軟件是三維激光掃描領(lǐng)域內(nèi)的主流軟件，可以高效地處理工程測量、制圖及各種改建工程中的海量點云數(shù)據(jù)，同時能夠方便進行三維地形建模與分析計算。然而，該軟件在圖形設(shè)計和數(shù)據(jù)輸入方面具有獨特性，與傳統(tǒng)設(shè)計軟件的成果數(shù)據(jù)不兼容。

鑒于兩款軟件的特點，本文研究并提出利用二次開發(fā)后的AutoCAD做地形開挖設(shè)計，并將設(shè)計成果按照一定規(guī)則導出。然后利用Cyclone三維處理功能建立地形開挖模型并進行相關(guān)分析計算。

3 AutoCAD二次開發(fā)過程與結(jié)果分析

AutoLISP是由Autodesk公司開發(fā)的一種LISP程序語言，LISP是List Processor的縮寫。AutoLISP語言作為嵌入在AutoCAD內(nèi)部的具有智能特點的編程語言，是開發(fā)應用AutoCAD不可缺少的工具。本文利用AutoLISP語言，基于AutoCAD平臺進行二次開發(fā)，以實現(xiàn)兩個核心功能。

3.1 多段線上按規(guī)則添加頂點

程序設(shè)計思路見圖1。

圖1 AutoLISP程序流程

該程序在AutoCAD 2006中的執(zhí)行結(jié)果情況參見圖2。

圖2 AutoLISP程序運行結(jié)果

結(jié)果分析表明，盡管AutoCAD本身能夠?qū)崿F(xiàn)在多段線上插入頂點，但其功能比較單一，而且操作比較繁瑣。二次開發(fā)程序縮減了其中某些不必要的步驟，同時增添了額外的實用功能，使得操作更加方便直觀，優(yōu)化了AutoCAD功能。

3.2 導出多段線頂點坐標至文件

程序設(shè)計思路見圖3。

圖3 AutoLISP程序流程

該程序在AutoCAD 2006中的執(zhí)行結(jié)果情況參見圖4。

圖4 AutoLISP程序運行結(jié)果

輸出的成果為TXT文件，參見圖5。

圖5 AutoLISP程序輸出成果

結(jié)果分析表明，該功能是AutoCAD軟件平臺二次開發(fā)后的新增功能，輸出成果保存為TXT文本文件，適用范圍很廣，便于作為中間數(shù)據(jù)格式導入其他軟件進行后續(xù)處理，因此作用十分顯著。

4 三維地形建模實例與結(jié)果分析

以國內(nèi)某大型水電站項目中石料場的邊坡開挖為例，結(jié)合本文研究成果進行分析。

4.1 基于AutoCAD平臺的邊坡開挖體線框模型

建模過程如下：

(1)根據(jù)邊坡開挖設(shè)計圖中的坡度等要求，繪制馬道線。

(2)根據(jù)邊坡開挖設(shè)計圖中給定的控制點坐標，擬繪制邊坡開挖開口線。

(3)根據(jù)開挖開口線，截掉馬道線多余部分。

(4)利用二次開發(fā)的加點功能，在馬道線上采樣加點，最后得到邊坡開挖體線框模型。

(5)利用二次開發(fā)的導出功能，將線框模型導出至TXT文本文件。

AutoCAD 2014中建立的三維線框模型結(jié)果參見圖6與圖7。

圖6 線框模型頂視

圖7 線框模型側(cè)視

結(jié)果分析表明，利用AutoLISP語言進行二次開發(fā)具有可移植性和通用性，在不同版本AutoCAD軟件之間都能較好地發(fā)揮作用。

4.2 Cyclone三維地形建模及相關(guān)分析計算

4.2.1 邊坡開挖體線框模型的導入

由于Cyclone軟件不能直接導入AutoCAD的dwg格式文件，因此，導入開挖設(shè)計體線框模型，是以TXT文本數(shù)據(jù)格式導入實現(xiàn)的。

以點云格式導入開挖體的線框模型，運行結(jié)果參見圖8與圖9。

圖8 開挖體點云頂視

圖9 開挖體點云側(cè)視

4.2.2 三維地形實體建模與相關(guān)分析計算

建立地形的模型，實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計，實質(zhì)是通過一種算法來模擬現(xiàn)實中不規(guī)則的地形地貌等特征。目前，常用的算法是通過等高線或高程點建立不規(guī)則的三角網(wǎng)(Triangular Irregular Network，簡稱TIN)，然后在TIN基礎(chǔ)上通過線性和雙線性內(nèi)插建DEM，即所謂的地形模型(數(shù)字高程模型)[2]。

Cyclone軟件通過對點云數(shù)據(jù)的運算處理，建立TIN Mesh，即三維地形模型。

(1) 導入原始地形的點云數(shù)據(jù)，進行去噪處理，建立原始地形的TIN模型(見圖10)。

圖10 原始地形TIN模型

(2) 根據(jù)導入的邊坡開挖體的點云數(shù)據(jù)，建立開挖體的TIN模型(見圖11)。

圖11 邊坡開挖體TIN模型

(3) 通過對原始地形TIN模型與開挖體TIN模型的運算處理，計算出開挖方量與開挖面積等數(shù)據(jù)(見圖12)。

(4) 建立邊坡開挖后最終的地形模型(圖13)。

4.2.3 結(jié)果分析

基于以上分析得出：

(1) 以TXT文本數(shù)據(jù)格式導入開挖體線框模型，能夠便捷地轉(zhuǎn)化為Cyclone可處理的點云數(shù)據(jù)格式；

(2) 利用Cyclone建立三維地形模型，效率高，同時成果非常直觀，便于進行后續(xù)分析參考和場景模擬；

(3) 實踐證明，采用此方法計算開挖土石方量，與采用傳統(tǒng)斷面法計算的開挖量相對誤差約為萬分

圖12 模型開挖方量數(shù)據(jù)

圖13 開挖后TIN模型

之一，精度能夠得到保證，同時，該方法使建模繪圖效率得到很大提高，為測繪工作者在算量方面節(jié)省了大量時間。

5 結(jié) 語

本文通過實例研究了基于二次開發(fā)的AutoCAD與Cyclone點云處理軟件建立的三維地形模型。結(jié)果表明，該方法能夠有效解決AutoCAD與Cyclone軟件在測繪領(lǐng)域的不足之處，并且能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，準確高效地建立三維地形模型并完成相關(guān)分析計算工作，為測繪工作者在日常工作中提供很大的便利，同時也方便為決策層領(lǐng)導提供各種數(shù)據(jù)，實用性很強。

[1] 陳祖文，王芳，郭銳. 淺談工程數(shù)字化與企業(yè)信息化[J] . 水利水電技術(shù)，2013，44(8)：23-31.

[2] 代莉，陳春華，聶焱. 在AutoCAD環(huán)境下不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及等高線生成[J] . 地理空間信息，2011，9(2)：40-42.