Цифровое моделирование поверхности в программе Topocad

Чернявцев А.А.

ЗАО "ГЕОСТРОЙИЗЫСКАНИЯ", г. Москва 

Цифровая модель рельефа (ЦМР) является средством представления топографической (земной) поверхности при компьютерной обработке результатов инженерно-геодезических изысканий. С помощью цифровой модели рельефа решаются такие прикладные задачи, как построение горизонталей, получение продольных и поперечных профилей, подсчет объемов земляных масс и т.п. Процессы моделирования поверхностей важны не только для изыскателей. Например, при проектировании генеральных планов, с помощью цифровой 3D модели существующего рельефа проектировщики решают задачи подсчета и оптимизации объемов перемещаемого грунта.  А для успешной и эффективной реализации созданных проектов, будь то генеральный план или проект автомобильной дороги,  необходимо представлять проектное решение в виде  цифровой 3D модели рельефа проектируемой  поверхности, так как такие данные жизненно важны для обеспечения работы систем автоматического управления строительной техникой. Поэтому задачи создания и использования цифровых моделей поверхностей стоят не только перед изыскателями, но и перед проектировщиками, и перед строителями.

  Если есть задача, то должно быть и решение в виде надежных программ, имеющих весь необходимый набор средств для моделирования поверхностей, а также редактирования полученной модели.

  Программа Topocad (Adtollo AB, Швеция) соответствует всем перечисленным выше требованиям и успешно используется в сотнях организаций, как в России, так и за рубежом. В данной статье сосредоточимся на технологии цифрового моделирования топографической и проектной поверхностей в Topocad. Отметим особенности, поясним термины и требования, с которыми придется столкнуться во время работы.

  Программа Topocad предназначена для решения различных задач, поэтому позволяет открывать или создавать документы (проекты) различных типов. Полный список возможных документов показан на рис.1.

Рис 1. Виды документов, создаваемых в программе Topocad

  Работа начинается с создания нового документа – «Чертежа». Именно в «Чертеже» загружаются исходные данные (или создаются в результате построений) для генерирования цифровой модели рельефа. В качестве исходных данных для моделирования поверхности (ЦМР) в программе могут быть использованы:

• точки, имеющие пространственные координаты;
• линии (полилинии, состоящие из  прямых, круговых и переходных кривых);
• символы, имеющие точки привязки с тремя координатами.

  Процессы моделирования поверхности по точкам и символам схожи, моделирование по линиям имеет свои особенности. Поэтому рассмотрим отдельно процессы моделирования по точкам, а затем  по линиям. Это важно для понимания принципов работы программы. Подчеркнем, что в реальном проекте и точки, и линии, и символы могут участвовать в моделировании одновременно.

  Рассмотрим процесс моделирования поверхности по точкам в программе Topocad на примере рельефа местности. Загрузим результаты полевых измерений рельефа в программу. Они отобразятся в документе  «Чертеж» (рис. 2).

Рис.2 Загруженные результаты съемки рельефа в документе «Чертеж».

  Выберем все точки и начнем процесс моделирования поверхности. Для правильной работы программы зададим значения параметров в  строках «Макс. Расст.» и «Искл. Точки с H=0» (выделено красным цветом на рис.3). 

Рис 3. Задание параметров для моделирования поверхности по точкам.

  «Макс. Расст.» - это максимальное расстояние между точками, участвующими в построении модели поверхности. Если реальное расстояние между ближайшими точками превысит указанную величину, то цифровая модель рельефа в данном месте не будет построена. Установка признака в строке «Искл. Точки с H=0» позволит исключить из построения поверхности точки с нулевой отметкой. Пояснения остальных значений дадим чуть  позже, когда будем рассматривать построение цифровой модели рельефа с использованием линий.

  Подтверждаем введенные значения параметров и нажимаем кнопку «Ok». Программа автоматически перейдет в режим создания документа «Модель рельефа», интерфейс программы изменится (рис. 4). Доступными остаются функции, необходимые для создания и редактирования ЦМР. 

Рис 4 Поверхность, представленная сетью нерегулярных треугольников.

  В программе Topocad построение цифровой модели рельефа основывается на хорошо известном и широко используемом алгоритме построения триангуляции Делоне. В результате создается нерегулярная сеть треугольников. Довольно часто при построении цифровой модели рельефа требуется вмешательство оператора для её редактирования. Программа Topocad при редактировании модели предоставляет следующие возможности: удалять (восстанавливать) треугольники, изменять направление интерполяции, перемещать (удалять) точки и изменять их высоту.

  Важно заметить, что при редактировании модели мало видеть просто плоское изображение сетки нерегулярных треугольников. Для повышения информативности программа предлагает использовать различные цвета отображения графических элементов при визуализации, включать (выключать) вспомогательные горизонтали, направления стоков (рис. 5).   Все это облегчает визуальное восприятие создаваемой модели. Но все-таки этого не достаточно.            

Рис. 5. Дополнительные возможности визуализации. 

  Создаваемая поверхность - это трехмерный объект, то есть это цифровая 3D модель рельефа, поэтому было бы удобно работать с информацией в трехмерном виде. Такая возможность в программе Topocad существует. Переведя рабочее окно программы в режим «Орбита» (рис. 6, левая часть), можно свободно вращать объект в пространстве, масштабировать и перемещать его изображение, а, войдя в специальное окно  «3D вид», работать в трёхмерном режиме.

Рис. 6 Пример трехмерной визуализации топографической поверхности

  В окне «3D вид», кроме описанных  выше функций визуализации цифровой 3D модели рельефа, дополнительно можно накладывать различные текстуры на поверхность, например, закрасить по высоте или наложить на поверхность  растровое изображение аэрофотоснимка. Для лучшего восприятия трехмерной информации при создании поверхности с небольшими перепадами высот можно изменять вертикальный масштаб, что делает поверхность более «рельефной». Самое главное, что «3D вид» и режим «Орбита» - это не просто удобные функции визуализации – в данных режимах сохраняются возможности редактирования создаваемой модели. Оператор, работая в окне «3D вид», может менять направления линий интерполяции, наблюдая результат своих действий в интерактивном  режиме, словно «вылепливая» поверхность.

  После окончания редактирования поверхность сохраняется в отдельном файле в формате DTM.

  Внимательный читатель заметил, что при описании процесса моделирования ни разу не упоминался термин  «структурная линия». Следует подчеркнуть, что все линии в программе Topocad являются пространственными 3D полилиниями. Другими словами, каждый узел полилинии имеет три координаты. Эта особенность программы позволяет отказаться от использования отдельного типа линий, который обычно именуется структурной линией.  Любая линия «Чертежа»  может играть роль структурной, если мы включим ее в состав исходных данных для построения цифровой модели рельефа.

  Рассмотрим еще один пример. Создадим несколько концентрических окружностей на разных высотах в документе «Чертеж». По существу, мы используем данные окружности для отображения круговых ступеней структурными линиями (рис. 7). В диалоговом окне зададим необходимые значения и установим признак в поле «Проверить линию» (выделено зелёным цветом на рис. 7). 

Рис. 7 Задание параметров для моделирования поверхности по структурным линиям. 

  Это необходимо для того, чтобы упорядочить создаваемые треугольники вдоль окружностей. Затем установим значение в поле «Прогиб дуга/ хорда». Физический смысл данной операции заключается в следующем. При построении поверхности создается сеть треугольников, опирающихся на точки, расположенные на окружностях (рис. 8, слева). В «Чертеже» этих точек нет, поэтому они будут создаваться автоматически, так, чтобы хорда, стягивающая заключенную между соседними точками дугу, не отклонялась от дуги на величину, более заданного значения. После подтверждения введенных параметров автоматически запустится процесс создания 3D модели рельефа. Полученный результат представлен на рис. 8 (справа). 

Рис. 8. Трехмерная визуализация проектных 3D моделей поверхностей

   Если первый из рассмотренных примеров более характерен для моделирования топографических поверхностей, то второй – для создания проектных.

  В заключение следует ещё раз отметить, что программа Topocad в качестве исходных данных для построения цифровой модели рельефа может использовать как линии, так и точки, а отдельного построения структурных линий не требуется – любая линия может играть роль структурной. 

  Также к особенностям программы следует отнести возможность хранения файлов цифровых моделей рельефа отдельно от файлов чертежей. Это позволяет свободно осуществлять обмен данными между проектами, а также использовать модели из других проектов в текущих расчетах.

  Помимо этого, такой принцип структурированного хранения информации позволяет оптимизировать использование вычислительных ресурсов. Открывая чертеж  топографического плана, мы видим на экране все его элементы: высотные отметки, ситуацию, тексты. Файл модели рельефа в это время остается закрытым и не отнимает компьютерные ресурсы. Такой подход при организации хранения и использования данных позволяет без видимых задержек открывать и использовать чертежи планов и проектов на значительные по площади территории. Этот аргумент становится решающим, например, при ведении дежурных планов городов, топографическом мониторинге крупных объектов, площади которых исчисляются квадратными километрами.

  Предлагаемые  программой функции извлечения фрагментов цифровой модели рельефа и их объединения существенно повышают эффективность работы на объектах, мониторинг которых проходит практически непрерывно. К таким объектам можно отнести оползневые участки, карьеры, строительные площадки. 

  Возможности программы Topocad не ограничиваются изящным и удобным подходом к  цифровому 3D моделированию поверхностей. Более подробно о программе можно узнать, посетив сайт www.topocad.ru или один из бесплатных семинаров, график проведения которых можно найти на том же сайте в разделе «Изучаем».