一种地面三维模型的快速自动生成方法_陈练武.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-08-30 作者简介 陈练武（1961），男，陕西礼泉人，教授，从事煤炭地质研究. E-mail731302814 引用格式 陈练武，张鹏，张亮. 一种地面三维模型的快速自动生成方法［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）46-48. CHEN Lianwu，ZHANG Peng，ZHANG Liang. A rapid of automatically generating three-dimensional ground surface model［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（5）46-48. 文章编号 1001-1986（2016）05-0046-03 一种地面三维模型的快速自动生成方法 陈练武，张 鹏，张 亮 （西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054） 摘要 以陕北某矿一盘区地形图为例，利用 MapGIS 软件和 Surfer 软件，通过提取地形图上高程 控制点的图元，在 MapGIS 软件下将这些图元转换成地面高程控制点的 X、Y 坐标及地面高程 Z 数 据，在 Surfer 软件下生成地面三维模型。该方法不用对地形等高线矢量化和赋高程属性，可快速 生成地面三维模型，满足矿区实际生产需要。 关 键 词地面三维模型；地形图；MapGIS；Surfer 中图分类号TP623.6 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.008 A rapid of automatically generating three-dimensional ground surface model CHEN Lianwu， ZHANG Peng， ZHANG Liang （College of Geology and Environment， Xi′an University of Science and Technology， Xi′an 710054， China） Abstract Taking the topographic map of a panel of a mine in northern Shaanxi as example， the paper used Map- GIS and Surfer to extract pixels of topographic elevation control points ， convert these pixels into coordinates X， Y and Z of surface elevation control points through MapGIS， generate three dimensional ground model through Surfer.This can generate rapidly three dimensional ground surface model without vectorization of topog- raphic contour lines and elevation attributes， meeting the actual demand in production of mines. Key words three-dimensional ground surface model； topographic map； MapGIS； Surfer 目前，大部分地形图都采用一组疏密曲线的组 合表现地貌，由于其直观效果比较差，只有经过专 业训练有经验的人才能判读。三维模型接近人们的 视觉习惯，能更逼真地反映地形的立体形态，且可 根据不同的需要对同一区域做不同的立体显示。如 局部放大，改变高程值的放大倍率以改变地形的立 体形态；改变视点位置以便从不同的角度观察，更 好地研究地形的空间形态和空间结构［1］。但在实际 应用中，要将纸质的地形图经过矢量化后生成三维 地面模型，一般必须在矢量化地形图时，对地形等 高线赋上高程属性才能生成三维地面模型［2-3］，其工 作量非常大。目前煤矿企业和煤炭勘查单位所用的 地形图基本为矢量化后的电子地形图，等高线均没 有赋高程属性，所以无法生成地面三维模型。基于 此，本文以矢量化后的地形图（Auto CAD 图或 MapGIS 图）为基础，利用 MapGIS 和 Surfer 软件， 实现图元与地面高程控制点的转换，为快速生成地 面三维模型提供技术方法。 1 图形数据的准备与处理 目前，数字化后的地形图大部分为 Auto CAD 图形或 MapGIS 图形格式［4］。 本文以 Auto CAD 格式 的地形图为例，说明用于生成地面三维模型的地形 图的处理方法。经过矢量化后的地形图上有各种要 素图元，如地面高程控制点和高程注记等（图 1）。 图 1 地形图上的高程控制点和高程注记示意图 Fig.1 Elevation control points and elevation notes on the topographic map ChaoXing 第 5 期 陈练武等 一种地面三维模型的快速自动生成方法 47 为了提取地面高程控制点和高程注记，可将两 者单独存放在各自图层上，注意不要将其他图元与 这两类图元放在同一图层上。另外，地面高程控制 点和高程注记要一一对应，并将这两类图元单独保 存成 DXF 格式的图形交换文件。 利用 MapGIS 软件 的文件转换功能，将保存的 DXF 格式文件转换成 MapGIS 的图形文件［5］。在 MapGIS 图形文件中，地 面高程控制点为点图元中的子图，高程注记为点图 元中的注释。如果这两类点图元在同一图层上，可 利用 MapGIS 的图元替换功能将这两类图元单独存 放在各自的图层上。最后将这两个图层各自保存为 MapGIS 的点文件，如地面高程控制点.WT 和地面 高程注记.WT。 由于在矢量化过程中，不能保证地面高程控制 点.WT 文件和地面高程注记.WT 文件的图元 ID 号 一一对应，为方便后面的坐标配对，可在 MapGIS 的属性库管理模块中分别打开上述两个文件，对其 属性中的图元 ID 进行统改，统改方法参见图 2。 图 2 图元 ID 属性的统改 Fig.2 Unified change of ID attributes pixels 2 获取地面高程控制点的坐标和高程值 在 MapGIS 的文件转换子系统中分别打开地面 高程控制点.WT 和地面高程注记.WT，选择“输出 MapGIS 的明码格式”。MapGIS 的明码文件是 MapGIS 的图形与文本文件之间的交换文件。 MapGIS 明码格式文件为一文本文件，其中包含了 图元的各种信息。对不同的图元对象，其信息有所 不同。对于子图，其明码文件的内容为 X 坐标、Y 坐标、图元 ID 号、点类型、子图号、子图高、子图 宽、子图角度、辅色、颜色、图层、透明输出等。 地面高程控制点为子图，所以明码格式文件的前 3 列为可用信息。第一列为控制点的 X 坐标，第二列 为控制点的 Y 坐标， 第三列为控制点的 ID 号， 删除 其他列，保留前三列，形成的文件内容如表 1 所示。 对于字符串，明码文件的内容为 X 坐标、Y 坐 标、图元 ID 号、点类型、“字符串“、字符高度、字 符宽度、字符间隔、字符串角度、中文字体、西文 表 1 高程控制点导出的文本文件内容 Table 1 Text file content derived from elevation control points 控制点 X 坐标 控制点 Y 坐标 控制点 ID 号 440407.89 4305792.59 1 440409.22 4305857.76 2 440471.56 4305907.75 3 字体、字形、水平（0）或垂直排列（1）、颜色、图层、 透明输出等。 地面高程注记为字符串， 明码格式文件 的前 1、2、3 和 5 列为可用信息。第一列为注记点的 X 坐标，第二列为注记点的 Y 坐标，第三列为注记点 的 ID 号，第五列为高程值 Z。删除其他列，保留前 1、2、3 和 5 列。形成的文件内容如表 2 所示。 表 2 高程注记点导出的文本文件内容 Table 2 Text file content derived from elevation anotation points X 坐标 Y 坐标 ID 号 高程值 Z 49855.896549422710.533377 1 1 160.5 49762.658188422691.196136 2 1 152.8 49621.449646422784.728029 3 1 139.1 由于最后需要的是控制点的 X 坐标、Y 坐标和高 程值 Z， 其中控制点的 X， Y 坐标已经在高程控制点导 出的文本文件中存在，而从高程注记点导出的文本文 件中的坐标是注记点的坐标，其坐标点在注记的左下 角，它的坐标值与实际控制点的坐标稍有差距（图 3）。 如果对地形三维模型的精度要求不是很高，可直接用 注记点的坐标代替实际控制点的坐标。如果要用控制 点的坐标，则需要将两个文件中的坐标点进行配对。 图 3 控制点坐标与注记点坐标差异示意图 Fig.3 Sketch map of the difference between the coordinate of control points and the coordinate of annotation point 两者坐标配对方法是从表 2 文件中任意提取 一点，按式（1）计算。 （）（） 1 22 2 iiAiA dxxyy ■■ -- ■■ （1） ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 44 卷 式中 di为表 1 和表 2 中的任意两点间的距离（i1， 2，3，，n） ；xi、yi为表 1 各点坐标，xA、yA为表 2 各 点坐标。 计算表 1 中与其最近的一个点， 找到这个点后， 将该点坐标作为高程注记点的坐标即可， 依此类推， 将表 1 与表 2 的各点进行配对。经过配对后获得的 最后数据为地面高程控制点 X 坐标、地面高程控制 点 Y 坐标和控制点的地面高程值 Z。数据文件可保 存为*.TXT 或*.xls。 3 地面高程三维模型生成 Surfer 是美国 Golden Software 公司研制开发 的， 基于 Windows 系列操作系统， 具有强大的二维、 三维绘图功能和数据处理能力的地质地理数据绘图 软件。Surfer 对中、小离散数据进行插值处理有其 绝对优势。 正因为该软件强大的插值功能， 使其成为 用来处理（x，y，z）数据的首选软件。该软件能快速地将 离散数据通过插值的方式转换为连续的数据曲面 ［6-10］。 下面简要论述用上述所获取的地面高程控制点 X 坐标、地面高程控制点 Y 坐标和控制点的地面高 程值 Z 数据生成地面高程模型的方法。 第一步，生成网格文件。网格文件是 Surfer 生 成地面三维模型的基础，在 Surfer 中选择“网 格”→“数据”菜单命令，再选择已生成的离散数据点 文件“一盘区高程.TXT”（本文按上述方法从陕北某 矿一盘区地形图上获取的地面高程数据文件） ， 单击 “确定”按钮。在弹出的“网格化数据”对话框中，正 确选择 X，Y 和 Z 所在的列。需要注意的是，Surfer 中用的是数学坐标系，煤矿企业和煤炭勘查单位一 般用的是高斯直角坐标系，因此在这里 X 数据列要 选择高斯直角坐标系的 Y 列，Y 数据列要选择高斯 直角坐标系的 X 列。网格化方法选用“克里格”，单 击“确认”按钮，生成网格文件“一盘区高程.Grd”。 第二步，生成地面高程三维模型。在 Surfer 中 选择“地图”→“线框图”菜单，在弹出对话框后，选 择前面生成的网格文件“一盘区高程.Grd”，打开网 格文件后，即生成了地面三维线框图（图 4）。也可在 Surfer 中选择“地图”→“表面图”菜单， 在弹出对话框 后，选择前面生成的网格文件“一盘区高程.Grd”， 打开网格文件后，即生成了地面三维表面图（图 5）。 4 结 语 本文通过提取地形图上高程控制点的图元，在 MapGIS 软件下将这些图元转换成地面高程控制点 的 X、Y 坐标及地面高程数据 Z，在 Surfer 软件下生 图 4 某矿一盘区地面高程三维线框图 Fig.4 Three dimensional wireframes of a panel elevation of a coal mine 图 5 某矿一盘区地面高程三维表面图 Fig.5 Three dimensional surfaces graph of a panel elevation of a coal mine 成地面三维模型。 该方法不用对地形等高线矢量化和 赋高程属性， 减少了工作量， 可快速生成地面三维模 型，满足生产实际需要。需要注意的是，在提取高程 图元时， 要剔除非高程控制点的图元， 如有些地形图 矢量化时可能将黄土陡坎的高度放在高程控制点图 层上。 其剔除方法可在生成高程控制点文件后， 通过 对高程排序来剔除， 也可在生成网格文件时通过设置 “数据排除滤波器”来剔除。 参考文献 ［1］ 高力. 利用数字高程模型生成地形三维仿真图［J］. 西 安工程学院学报，2000，22（3）59-62. 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