工程項目三維可視化在地勘單位的應用與實踐

楊超 常宇

（1.河北省地礦局第五地質大隊 2.河北省地質工程勘查院）

本文立足于地勘單位的視角和業務范圍，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對需求進行了分類，討論了每種類型需求建模的特點和建模技巧，最后給出地勘單位關于發展工程項目三維可視化技術的幾點建議。

1.三維展示需求的發展

三維展示技術起源于人類對現實中復雜實體的表達的需求。在計算機的出現以前，古代建筑設計師想象三維的建筑，通過不同的視角繪制在圖紙上，早期機械零件的設計師習慣繪制三視圖。隨著計算機的誕生與發展，三維建模輔助軟件應運而生，然而人類對現實表達的需求從未真正滿足。強大的需求動力使得三維輔助建模軟件得到了長足的發展，3D電影、動漫、3D游戲，不斷挑戰著計算機軟件和硬件的極限，同時測繪技術也在不斷進步，GPS的商用對應著三維GIS概念的誕生，攝影測量技術在小型無人機上實現低成本化、高效率化對應著大量的高精度三維信息在工程項目中產生。

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，沒有具體要求全面無限細致的表達一個現實世界，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，實體拓撲關系，編組關系，屬性信息。在數據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，是模型拼接的基礎，范圍查詢的基本抓手。

實體拓撲關系，表示三維信息的空間關系。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，外觀顯示沒有區別但是拓撲關系不同，數據結構不同，導致屬性承載能力不同，最終模型的功能差異很大。

編組關系，表示三維信息的邏輯結構。編組使得模型可以以組件的概念重復利用，是一種面向對象的概念，既有群體屬性的繼承，又有個體屬性的個性化。

屬性信息，作為模型功能的承擔，顯示特征、材料屬性、時間序列變化、物理化學場表達、責任人、維護記錄等。不同模型功能對應著各類不同的屬性和屬性結構。

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也不同，表達形式和表達技術也應分開討論。

根據三維建模的主要技術手段不同，工程項目三維建模可分為：繪制類模型、數值類模型、監測類模型三個類型。

3.1 繪制類模型

繪制類模型，主要應用于建設類項目的設計與展示宣傳，特點是涉及大量體繪制、貼圖、調整地形、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，不同的著眼點建模的側重點也有所差異，需要注意的是模型的體量與建模經濟效益的最大化問題。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化室內外結構、紋理、渲染效果來增加模型體量。

以唐山市古冶區王碾莊鄉土地復墾項目為實踐，輔助項目的設計、施工、宣傳展示，項目順利完成設計和前期施工，花卉景觀逐漸成型，所設計的三維模型能夠跟隨服務項目的整個周期，通過對比現狀與模型的差異，可以找出施工對設計的臨時調整，通過模擬植被未來的生長情況可預覽若干年后景觀效果。利用landsim3D作為建模輔助軟件，其參數化建模的特點，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傾斜攝影測量，紋理底圖采用無人機攝影測量正射。該模型的特點是：花卉主產區精細建模，外圍工廠村莊粗略建模，模型繪制與地形改造同時運用，植被建模大量運用編組結構減小模型體積。

3.2 數值類模型

數值類模型，主要應用于勘察類項目，輔助勘察類項目的分析與結論，靈活建立該類模型，需要掌握數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志能增加該類模型的可讀性。在地質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。例如，地球物理場、地球化學場、地下水流場、三維地質體等。（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果為三維數據體，對地下介質的視磁化率以半透明顆粒，和截面的形式展示出來。

3.3 監測類模型

監測類模型，作為項目的客觀、直觀的記錄，如照片、視頻一樣。可以歸檔定期更新，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的輔助下進行距離和面積量測、方量統計等基本查詢，還要求建模效率高，來縮短監測周期。（如圖3）

4.結論

這三類模型都在實際生產中發揮信息表達的關鍵作用。不同類型模型對應著不同表達技術手段，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方法和技術途徑，淡化建模歸屬領域（軟件、測繪、設計領域），僅針對特定功能，規范統一相應的模型屬性結構、建模精度，更能促進建模技術的遍地開花。工程項目三維可視化是數字孿生、智慧化城市等未來GIS概念的重要組成部分，規范數據結構及其精度方便不同數據間分塊對接，減少或避免重復工作，已經成為較為迫切的任務。