清華山維在地形圖等高線自動生成中的應用

魏 猛，馮傳勇，羅 興

（長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，武漢 430012）

1 引 言

當前在大比例尺地形測量過程中，準確繪制等高線一直是比較繁瑣的工作。目前在大比例尺地形測量中繪制等高線時，對于簡單的地貌主要是手繪，而對于復雜的地貌一般使用軟件生成。清華山維軟件是基于數據庫平臺技術的數字化測繪數據采集系統，功能比較齊全，應用比較廣泛，在地理信息系統建庫以及大比例尺測量中，該軟件廣泛應用于地形、工程測量及應用等領域。

2 不規則三角網的形成及等高線的自動生成原理

野外測定的地貌特征點一般是不規則分布的數據點，根據不規則分布的數據點繪制等高線可采用網格法和三角網法。不規則三角網（TIN）減少了規則格網的數據冗余，具有精度高和顧及地性線（如斷裂線、構造線）等特點，且三角網形態良好，具有可變的分辨率，能較好地表現不規則地貌的形態特征，因此本文主要從不規則三角網（TIN）角度論述。

不規則三角網模型（TIN）由一系列的“質點”構成，是由地形特征采集的點，按最近原則連接成覆蓋整個區域且互不重疊的三角形。其數據結構分別由點和三角形兩個記錄表構成，其中點表存儲所有節點數據，每條記錄包括節點的編號及三維坐標，如表1所示：

表1 點的拓撲關系

三角形表用于存儲點、三角形的拓撲關系，每條記錄包括三角形的編號，組成三角形3個頂點的編號及鄰接三角形的編號，如表2所示：

表2 三角形的拓撲關系

規定：三角形的3個點、3條邊，均按逆時針排列，相應的邊對應的就是相鄰的三角形，且整個模型外部為0號三角形，如圖1所示。

三角網法直接由不規則數據點連成三角形網，不考慮約束條件，由生成的數字高程模型表達地表的復雜關系。在三角形網后，再按照一定的高程尋找等值點，進行等高線的搜索、起始點的判別和等值點的追蹤，最后進行等高線的繪制。

3 清華山維在自動生成等高線中的應用

目前，大多數情況是只采用離散的地形點來構建三角網，只獨立地考慮了數據中的每一個點，則結果是除非通過足夠密度的地形點，否則生成的高程模型不能正確地表達地表的復雜關系，也不能滿足實際應用的需要。因此，在無約束數據的三角網中嵌入約束線段影響三角網的生成，進而建立正確的高程模型成了問題的關鍵。

圖1 TIN模型的結構

3.1 地性線影響不規則三角網（TIN）的生成

清華山維EPS2005很好的解決了用地性線（EPS2005中為特性線）來控制不規則三角網（TIN）的問題，具體操作如圖2所示。

圖2 清華山維中不規則三角網生成操作

筆者簡單將需要用地性線來約束三角網生成歸納為坎坡類和自然形態的山類。

坎坡類：該類包括坎、坡、以及與此類似的溝、懸崖等。構建該類三角網時，非坎頂點和坎下點、坎頂點和非坎下點是不能直接相連的。因此，必須用坎頂點連線、坎下點連線定義為地性線才能正確對坎進行表達；坡以此類推，具體如圖3所示。

圖3 坎坡類地性線表示方法

自然形態的山：山一般用等高線表示，等高線則可以通過不規則三角網生成。在構建山的不規則三角網時山腳線、山脊線、山谷線必須定義為地性線，反映山體特征的點，如山頂點、山脊點、山谷點、鞍部點、山腳點等要納入各自類型的地性線中。僅以圖4、圖5反映山體未勾畫地性線和添加地性線后的等高線生成結果如下：

圖4 未勾畫地性線的三角網構網及生成等高線結果

圖5 勾畫地性線的三角網構網及生成等高線結果

3.2 優化三角網（TIN）影響等高線的生成

實際工作中不可能把所有的地性線都畫出來，而這些情況按不規則三角網（TIN）特性都是不合理的，因此在應用中必須予以消除。本文要求根據對實際地形的對照，找到不合理的三角形，采取手工增加特征點、修改三角形、刪除三角形、增加三角形等辦法，消除了構網時出現的不合理的三角形，進行不規則三角網優化。

圖6 未修改的三角網及生成等高線結果

圖7 修改后的三角網及生成等高線結果

由圖6可以看出，通過陡坎的三角形與實際地形不符，圖中三角形A、B、C、D、E、F都是與實際地形不符合的三角形，需要手工修改，通過清華山維EPS2005的三角形修改功能對它進行修改，三角網修改好了后，保存三角網，重新生成等高線，圖7是重新生成的等高線和三角網，該等高線和實際地形較為吻合。