土地整治规划设计三维建模方法的比较

时间：2024-05-23

张桀滈++李江风

摘要：当前土地整治规划设计停留在二维基础上，缺乏立体、多角度、全方位的展示，存在主观性强、工作效率低、公众参与度弱等缺陷，最终导致规划设计质量不高、实施效果欠佳。而在三维环境下，规划设计可充分利用地理信息系统技术，使大量属性数据在三维场景中直观地反映出来，以辅助规划设计决策。目前，国土资源管理部门组织实施了一些研究项目来针对该领域进行探索，国内学者也应用不同的建模方法对土地整治三维规划设计进行探索。该研究分析了土地整治项目的特点，明确了土地整治项目对三维模型的特殊需求，逐个分析了几种主流建模方法的优缺点，总结出每种方法对于土地整治三维建模的适用性，最后提出了可供选择的方案与建议。

关键词：土地整治规划设计；三维建模；建模方法；地理信息系统

中图分类号：TU981.2+2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）05-0957-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.043

Analysis and Comparison of 3D Modeling Methods Used in Land Consolidation Planning and Design

ZHANG Jie-hao， LI Jiang-feng

（School of Public Administration， China University of Geosciences（Wuhan）， Wuhan 430074， China）

Abstract： Currently， land consolidation planning and design are based on 2D circumstances with the disadvantages of strong subjective， low efficiency and low public participation， which eventually lead to low quality and poor effect. In the circumstances of 3D， geographic information system technology can be fully used； and lots of attribute data can be shown directly in 3D scenes， which can assist the planning and design. Ministry of Land and Resources and the land management departments of many provinces have organized and implemented some research subjects in the research field. And the domestic researchers have tried land consolidation planning and design in 3D circumstances by many different modeling methods. The research analyze the features of land consolidation project， and find out the specific requirements of 3D models， then analyze the advantages and disadvantages of several different modeling methods， and summarize the applicability of each method to land consolidation project. Finally， suggestions about several solutions of land consolidation 3D modeling were proposed.

Key words： land consolidation planning and design； 3D modeling； modeling method； geographic information system

土地整治三维规划设计是指基于三维地理信息系统（Geographic Information System，GIS）平台、充分利用各项GIS功能辅助规划设计、在三维场景下完成土地整治规划设计的各项工作、形成土地整治规划设计三维成果的过程。基于计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）的二维土地整治规划设计是当前应用的主流，所得到的成果主要是在CAD平台上制作的二维图件。CAD平台在制图方面有很大的优势，可把各种要素以线实体的形式表达出来，要素属性以图层的形式储存，这种方式简单便捷，大大提高了绘图的快捷程度。但是与此同时，CAD平台功能的简单化难以满足土地整治规划设计更多的需求，缺乏足够的空间分析功能，规划设计人员往往需要借助除地图以外的各种数据和资料来进行规划工作，然后将这些数据、资料和实地情况在大脑中进行匹配、抽象，做出规划决策，这会在一定程度上带入规划设计人员的主观判断，影响规划设计的科学性与合理性。另外，规划设计成果由于缺乏直观性，使得非专业人士不能很好地理解规划设计理念，影响公众参与程度。

在三维环境下，GIS技术使得大量在属性中保存的数據可以在三维可视化模型中直接反映出来，如沟渠宽度、深度等可以在模型上直接看到，不仅可以构建一个三维场景，而且三维地形还能辅助进行土地平整工程、土地整治要素规划、土方量计算等。可提高土地整治工作的效率，因而较之二维环境有很大的优势。同时，使用三维可视化技术可以直观地看到各种不同单体设施工程，通过一定的浏览工具，直观地观察土地整治项目区域，从而辅助规划决策，使得土地管理部门决策人员、当地群众以及相关辅助设计人员更容易地参与规划设计。已有学者在三维环境下应用利用GIS技术进行土地整治规划或工程设计研究，如胡秀丽[1]应用Maplnfo平台进行二次开发，设计与实现了土地整理规划设计系统，并将该系统通过某样区的整理规划设计工作来检验其性能，完成的系统是一个二维平面土地整治规划设计辅助系统。唐祥云等[2]对数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）在农地整理规划设计中应用的理论进行了比较，利用现有的GIS软件、数字测图软件，对DEM在农地整理中的排水渠道规划设计应用做了尝试，重点介绍了基于地形表面流水分析提取沟谷线、山脊线的算法，并以此进行排水渠道规划设计。贾明超等[3]通过建立空间数据库和数字表面模型，探索了可视化技术在土地整治设计中的应用；陈家赢[4]将GIS和虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术结合，建立了土地整治规划后的虚拟场景；石若明等[5]尝试采用面向对象的方法来表达土地整治设计，通过编写规划规则组成规则库与土地整治规划三维要素表达模型相关联，并利用规则在三维场景下指导土地整治智能辅助规划。“十一五”期间，国土资源部就已组织实施过一项关于《土地整治关键技术集成与应用》的项目，其中的专题四《土地整理实施信息化管理技术研究》中的一项重要内容就是基于三维地形的土地整治项目智能化规划设计技术研究，主要研究三维地形快速构建方法、土地整治的各大工程模型的建立与布置等。

2015年，在贵州省贵定县水田开发项目中，规划设计单位通过利用无人机获取的影像数据，并结合相关数据快速建立了三维立体模型，以求实现三维化的规划设计。河北省土地整理服务中心运用Skyline三维软件平台，结合土地整治规划设计要求，开发了河北省土地整治项目三维设计系统，以提高土地整治规划设计效率，保证设计精准度。目前，有多种三维建模方法用于土地整治规划设计，但各种方法均有其自身的优越性和局限性。课题组基于对土地整治规划设计工作特点的分析，深入分析不同建模方法对土地整治规划设计的适用性，以求找到最优的土地整治三维规划设计实现路径。

1 土地整治三维建模技术需求分析

现在三维数字城市建设已在全国如火如荼地开展，这是由于三维数字城市的三维建模技术趋于成熟；而土地整治三维规划设计尚处于探索阶段，并未能总结出一种最适宜土地整治的建模方法。所以，诸多学者更倾向于从三维数字城市技术中进行借鉴，将三维数字城市的建模方法应用于土地整治三维建模。但是，土地整治项目对于三维模型的需求与三维数字城市应用有很大的区别，这就导致很多从三维数字城市照搬过来的方法构建的模型不能满足土地整治规划设计的需求。这是因为三维城市建设主要追求的是三维模型的美观性、高逼真度、多细节层次等特性，这些特性大多都停留在三维可视化层面；而土地整治项目却有很大的不同，相对于三维数字城市建模，土地整治项目三维建模的特点主要体现在以下几个方面。

1.1 土地整治项目三维模型精度要求较高

土地整治三维模型包括地形模型和要素模型，精度类型包括平面精度、高程精度、纹理精度、表现精度。与三维数字城市不同，土地整治的三维模型不需要追求较高的逼真度和美观性，而对于模型的精确性有较高要求。土地整治三维模型不仅要实现三维可视化，更要通过三维的各种优势，实现各种地形分析提取功能，例如土方量计算、山脊（沟谷）线提取、水文水力分析等，要保证这些功能的应用，地形模型必须有很高的平面精度和高程精度。而要素模型涉及到多种结构复杂的单体工程，如沟渠、桥梁、涵洞、水闸，这些单体工程的设计若在三维场景下进行，就需要三维模型具有很高的表现精度，以满足指导工程实施的需要。倘若模型误差较大，则必然会影响后期工程施工的实施。

1.2 土地整治项目三维建模效率要求较高

土地整治规划设计从二维到三维的转变，毋庸置疑需要增加规划设计成本与规划设计人员的工作量，若增加的成本或工作量超过了一定限度，势必使土地整治三维规划设计的推广应用产生障碍。因此，如何把成本和工作量的增加控制在一定限度内，是需要解决的重要问题。这就要求三维建模方法有明显的高效性、便捷性与经济性。

1.3 构建的土地整治项目三维模型能用于空间分析

三维场景的生成应在GIS平台上实现，便于空间分析功能的整合与应用。只有与GIS系统相结合，充分应用GIS分析功能，土地整治项目三维模型才能摆脱“中看不中用”的状况，真正实现利用三维模型辅助规划设计土地整治项目。

1.4 选择建模方式应注意的问题

根据以上对土地整治模型需求特点的分析，在进行土地整治三维规划建模方式的选择时，除了要综合考虑技术、成本等因素外，还要考虑行业发展的实际情况。在选择时应考虑以下几个问题。

1.4.1 从实际出发选择建模方法土地整治三维规划设计现在尚停留在理论研究阶段，在具体的土地整治项目中应用尚存在不小的差距。所以当前更需要的是技术成熟的、经济可行的、方便众多土地整治行业从业人员使用的建模方法。

1.4.2 注意精度要求建模精度不高的方法若应用在土地整治规划设计中，只能在模型精度要求不高的部分（如房屋、道路、田块等）应用；对于有较高精度要求的部分（如桥、涵、渠、闸等）则需要选择更高精度的建模方法。

1.4.3 注意模型的实用性应用的模型保证可进行属性管理、空间查询与分析比较，避免“中看不中用”的情况发生。

1.4.4 具有推广的可能性从经济上考量，选择的建模方法成本须在可接受的范围内，若相比传统规划设计方式增加费用过多，则该技术将难以推广。

鉴于以上分析，下面将对地形和要素建模的各种方法进行分析，比较各自的优越性和局限性。

2 地形模型的构建方法

土地整治三维规划设计所使用的地形模型一般是指以DEM为实体和遥感数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）为纹理融合后获得的，在这里讨论的地形模型构建方法主要是指DEM数据的获取方法。目前，DEM数据获取的方法主要有野外实地测量、航空摄影测量、机载激光扫描（Light Laser Detection and Ranging，LIDAR）等。

野外實地测量是土地整治项目中地形数据获取的传统方法，由于其自身的局限性较大，费工费时，一般只在测量面积不大、地形状况不太复杂的情况下使用，并不适合地形建模。航空摄影测量一般采用野外测绘获取部分控制点，其他点用航空摄影测量的空三加密方法进行，也是目前最常用的方法[6]，现在基于无人机平台的航空摄影测量技术正受到国土管理部门的重视，其具有灵活机动、高精度以及能在复杂地形完成遥测的特点。LIDAR技术是对传统摄影测量技术在高程数据获取及自动化快速处理方面的重要补充，它通过激光雷达传感器发射的激光脉冲经地面反射后被LIDAR系统接收，能直接获取高精度三维地表地形数据。从模型精度方面比较，LIDAR误差的影响因素多，一般来说，在大于1 000 m的高度精度较高，高程精度比平面精度高出2～5倍。航空摄影测量在400～1 000 m的高度精度较高，平面精度比高程精度高50%。从建模效率方面比较，生成数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）或数字表面模型（Digital Surface Model，DSM）属LIDAR快得多。同时，LIDAR的经济成本仅为航空摄影测量的25%～33%[7]。另外，根据行业现状，航空摄影测量技术已经较为成熟，目前有大量单位具有应用这项技术的能力；而LIDAR在全国范围内能够掌握这项技术的单位很少。综上所述，基于无人机平台的航空摄影测量技术是土地整治项目中地形数据获取及三维地形模型构建的最适宜方法。

3 三维要素模型的构建方法

土地整治三维要素模型建模方法是本研究讨论的重点。三维要素建模是将真实世界或者规划设计的对象物体在相应的三维虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性；该建模包括实体建模和纹理建模。由于土地整治三维建模是一项复杂的工程，受技术和成本等各种因素的影响较大，因此借鉴国内外三维建模的研究成果，特别是城市三维建模的相关技术是本研究的出发点，可采用的方法主要有4种，分别是手工建模、参数化建模、航空摄影测量建模以及机载激光扫描建模。

3.1 手工建模

手工建模基于3Ds Max、Maya以及AutoCAD等当前主流建模软件，其利用球体、棱锥、立方体等基本几何元素组合成实体，并经过拉伸、旋转、平移等几何变换构建几何场景，整个建模过程是建模人员手工在计算机上操作完成的。手工建模的特点是模型精细美观，可满足对精细程度的要求；技术实现难度不高，建模技术非常成熟，已经广泛应用于三维城市、数字校园、影视、游戏等诸多领域；对建模技术人员素质要求不高；建模过程耗费时间长、耗费人工多、耗费资金多；模型难以应用，模型成果是静态的、固化的作品，难于统计和分析。另外，手工建模人工干预主观性强，对于数据标准有取舍，不能完全展示所有要素细节。综合分析认为，单独应用手工建模并不适合土地整治三维规划设计，其给规划设计增加成本的程度将达到难以接受的地步。但是，随着土地整治三维模型库的建设完成，会大幅提高建模效率，同时能降低成本，届时该方法可广泛应用。

3.2 参数化建模

参数化建模（Parametric Modeling）是用专业知识和规则来确定几何参数与约束的一套建模方法，通过简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型[8]。目前，参数化建模软件的典型代表是Architecture和City Engine。City Engine由于和主流GIS软件Arc GIS具有极好的兼容性，故目前研究均是基于此平台运行。

土地整治参数化建模主要包括4个步骤：①基础数据准备；②通过计算机编程确定建模规则；③应用规则，完成建模；④模型导出。该方法所需要的基础数据与其他方法并无太多不同，其特点主要体现在编写规则与应用规则的步骤上。规则是一组语句，该语句描述了对象的变化过程。规则应用就是根据规定好的参数（如房屋的高度、层数、颜色、门窗类型、道路的宽度、材质等）把定义好的上述变化过程赋予给一个或多个对象。这样，只需要编写完成建模规则、确定模型的各项参数，就可以实现模型的批量化生成。

參数化建模方法的特点，一是建模精度较高，模型误差小；但不能很好地生成复杂模型，例如U型渠的曲面、复杂的渠系建筑物等。二是建模效率很高，只需编写出完善的规则程序，建模过程就可以由计算机自动完成，几乎不花费时间，同时成本也会很低；不过技术实现难度较大，模型编写是一个技术门槛很高的工作，需要专业的编程人员完成，一般的土地整治规划设计人员难以在很短的时间内掌握。三是模型的应用效果较好，参数化建模对于空间分析的应用有很大的帮助。目前参数化建模的平台中，ESRI公司的City Engine软件最为成熟，ESRI公司作为全球最大的GIS技术供应商，将City Engine与Arc GIS进行了深入整合，实现了很高的数据共享度。City Engine中生成的模型可以直接导入到Arc GIS中，这可以充分利用Arc GIS各种强大的编辑与分析能力以及属性管理功能。另外，参数化建模方法使模型的修改和编辑变得更加方便，与传统建模方法不同，模型的修改不需要针对单个对象逐个操作，参数化模型各个模型的形状、纹理、方向、位置等均由属性参数决定，所有模型都是动态的、灵活的，只需在属性管理模块中修改相关属性参数、刷新后即可看到修改后的结果[9]，这就大大减少了建模工作量。

参数化建模具有建模速度快、规范性强、模型修改便捷、与GIS兼容性好等优势，同时，也存在规则编写难度高、精细模型建模不足等局限。用该方法确实可以增强土地整治规划操作的可视化和规范性，提高土地整治规划工作的质量和效率。但是，由于规则编制复杂，若希望完美表达模型构建过程，在规则的推理方面还有待做进一步的研究[10]。从土地整治规划设计的实际出发，该方法若结合其他更为精细的建模方法使用，也可以得到很好的效果。

3.3 航空摄影测量建模和机载激光扫描建模

航空摄影测量和机载激光扫描技术都是利用航空平台来取地表数据、通过专业软件处理的自动化建模的方法，也是地形建模的方法，可用于三维要素建模。两者可快速获取DSM，对得到的DSM应用分类技术，可分别得到地形模型和地物模型，这里的地物模型就可用于三维要素建模。三维要素模型包括实体和纹理两部分，通过分类得到的地物模型可作为模型实体，纹理数据可从机载数码相机拍摄的相片提取。但是，由于机载相机只能从垂直一个角度拍摄相片，地物侧面很容易受到遮挡，难以完整提取侧面纹理，所以需要人工实地提取纹理作为补充。

航空摄影测量建模和机载激光扫描建模的特点主要有：一是都属于基于测量技术的建模方法，建模精度达到测绘级精度，极度准确；建模数据获取可以与土地整治项目前期测量同时进行，不需增加额外的工作，这就使建模成本大幅减少；二是涉及设备较多，且无人机及机载设备价格昂贵。基于无人机平台的航空摄影测量技术目前已经走向成熟，并得到大范围推广。但是，机载激光扫描技术的操作难度大，对技术人员素质要求较高，导致培训费用较高，并且处于探索阶段，短期内难以大范围推广。

在模型应用方面，两种方法只能对现有地物建模、土地整治规划设计涉及的各类新建工程布设，全部完成需结合其他方法。而且得到的地表模型本身并不是一个一个的单体模型，所有的地物都连在了一起，因此如何管理、查询、分析、应用也是非单体化模型应用的难点。

值得一提的是，国际测绘领域近些年发展起来了一种新的航空摄影测量技术——倾斜摄影测量，该技术可以很好地解决侧面纹理提取的问题。倾斜摄影测量技术在2010年引入国内，目前在大范围数字城市三维建模中有所应用。倾斜摄影测量系统与普通航空摄影测量系统的主要区别在于数据获取和数据处理两方面；数据获取方面，普通航空摄影测量系统只有一个垂直摄影相机，倾斜摄影测量系统一般由5个数码相机组成[10]；数据处理方面，倾斜摄影测量相比普通航空摄影测量数据量大，处理难度也大。倾斜摄影测量技术目前国内虽然已经有单位成功研制并且生产出一些硬件设备，但是后期数据处理软件的研发并没有跟上，能熟练应用该项技术的单位还较少。

3.4 建模方法总结

根据以上分析，对土地整治三维要素模型建模方法进行了比较，详见表1。

4 建模方案与建议

从以上分析可知，每种地形建模和要素建模方法对于土地整治三维建模的需求均有其优势和局限性，重要的是如何利用分析的结果，找出最适合土地整治三维建模方法的组合，这也是研究的出发点和目的所在，下面提出几种可供选择的方案。由于规划设计阶段主要涉及要素模型，所以这里主要讨论了要素建模方法的选择。

4.1 手工建模+参数化建模

手工建模和参数化建模具有不同的特点，如果结合使用可以取长补短，达到更好的效果。手工建模在构建精细模型方面具有很大的优势，但是建模效率低、成本高；而参数化建模方法建模速度快、效率高，但是难以构建复杂模型。所以，可以采取手工建模方法对复杂工程（如桥、涵、闸等）进行单体建模，对沟、路、渠以及田块等简单工程可以采取参数化建模的方法，这种方案既可以满足模型精细度的要求，同时兼顾了建模效率的需要，是一种比较理想的方案。

4.2 手工建模+航空摄影测量建模

手工建模和航空摄影测量建模结合使用也是一种可行的方案。可以先用航空摄影测量建模方法对现状场景进行全面的模拟，再用手工建模的方法进行新增工程的建模，并将其添加到已生成的三维场景中。采用这种方案会使场景真實度更强、美观度更高、可视化效果更好，但是建模效率比手工建模+参数化建模方案低。对于新增工程较少的规划设计项目，采用这种方案可以达到很好的效果。

4.3 参数化建模+航空摄影测量建模

参数化建模和航空摄影测量建模相结合的方案可以达到很高的建模效率，两种建模方法都是自动或半自动化程度较高的，不需太多的人力投入，也可大大节省时间；但同时模型的美观性和精细度不足。技术人员在进行规划设计的过程中，若是对可视化效果要求不高，则可采用这种方案快速生成三维场景，以直接辅助规划设计人员决策。

参考文献：

[1] 胡秀丽.基于GIS的土地整理规划设计系统研究[D].武汉：华中师范大学，2006.

[2] 唐祥云，刘艳芳，张勇.数字高程模型在农地整理排水渠道规划设计中的应用[J].测绘通报，2004（1）：47-50.

[3] 贾明超，李满春，王宋辉，等.可视化技术在土地整理规划中的应用—以韶山市为例[J].安徽农业科学，2007，35（21）：6468-6470.

[4] 陈家赢.基于虚拟地理环境三维可视化模型的农用地土地整理规划设计[D].武汉：华中农业大学，2007.

[5] 石若明，朱海勇，陈灿.基于规则库的三维土地整治规划[J].农业工程学报，2011，27（9）：323-327.

[6] 贾文涛.3S技术在土地整治中的应用[M].北京：中国财政经济出版社，2014.75.

[7] 陈松尧，程新文.机载LIDAR系统原理及应用综述[J].测绘工程，2007（1）：27-31.

[8] 李娟，刘溪，韩婕玉.基于参数化建模的三维城市设计方法探讨[J].城市管理与科技，2013（3）：66-68.

[9] 肖辉平.基于City Engine的农村土地整治三维设计技术研究[D].南昌：江西农业大学，2014.