基于Cyclone与AutoCAD二次开发的三维地形建模研究

(中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

1 研究背景

随着工程数字化与企业信息化的日益发展，对三维建模的需求也愈加迫切，传统二维图纸的工程设计与施工方式已经越来越难以满足信息化时代的要求。各种数字化测量仪器、计算分析软件、三维建模软件、虚拟现实软件及管理系统的快速发展，显著地提高了工程设计、建造、施工及运营管理水平，更为生产手段信息化奠定基础，从而加快企业信息化建设的步伐[1]。

然而，面对种类繁多的三维建模软件，其适用的专业或业务领域不可能面面俱到，例如AutoCAD软件针对二维图形设计领域非常强大和易用，但是在三维设计方面功能却略显不足；而Cyclone软件，在点云三维运算处理方面功能强大，但是在数据输入功能上限于格式要求，亦存在局限性。因此，本文提出在已有软件基础上通过一定的二次开发，弥补各软件功能的不足，使其能够协同作用，精准高效地满足相关专业领域的工作需求，以实现可观的经济效益和实用价值。

2 Cyclone与AutoCAD协同三维地形建模原理

AutoCAD软件是一款优秀的计算机辅助设计软件，广泛应用于各行业的二维设计制图，然而该软件本身的三维设计功能相对较弱，不能满足测绘领域的三维地形建模及相关分析计算的要求。

Cyclone软件是三维激光扫描领域内的主流软件，可以高效地处理工程测量、制图及各种改建工程中的海量点云数据，同时能够方便进行三维地形建模与分析计算。然而，该软件在图形设计和数据输入方面具有独特性，与传统设计软件的成果数据不兼容。

鉴于两款软件的特点，本文研究并提出利用二次开发后的AutoCAD做地形开挖设计，并将设计成果按照一定规则导出。然后利用Cyclone三维处理功能建立地形开挖模型并进行相关分析计算。

3 AutoCAD二次开发过程与结果分析

AutoLISP是由Autodesk公司开发的一种LISP程序语言，LISP是List Processor的缩写。AutoLISP语言作为嵌入在AutoCAD内部的具有智能特点的编程语言，是开发应用AutoCAD不可缺少的工具。本文利用AutoLISP语言，基于AutoCAD平台进行二次开发，以实现两个核心功能。

3.1 多段线上按规则添加顶点

程序设计思路见图1。

图1 AutoLISP程序流程

该程序在AutoCAD 2006中的执行结果情况参见图2。

图2 AutoLISP程序运行结果

结果分析表明，尽管AutoCAD本身能够实现在多段线上插入顶点，但其功能比较单一，而且操作比较繁琐。二次开发程序缩减了其中某些不必要的步骤，同时增添了额外的实用功能，使得操作更加方便直观，优化了AutoCAD功能。

3.2 导出多段线顶点坐标至文件

程序设计思路见图3。

图3 AutoLISP程序流程

该程序在AutoCAD 2006中的执行结果情况参见图4。

图4 AutoLISP程序运行结果

输出的成果为TXT文件，参见图5。

图5 AutoLISP程序输出成果

结果分析表明，该功能是AutoCAD软件平台二次开发后的新增功能，输出成果保存为TXT文本文件，适用范围很广，便于作为中间数据格式导入其他软件进行后续处理，因此作用十分显著。

4 三维地形建模实例与结果分析

以国内某大型水电站项目中石料场的边坡开挖为例，结合本文研究成果进行分析。

4.1 基于AutoCAD平台的边坡开挖体线框模型

建模过程如下：

(1)根据边坡开挖设计图中的坡度等要求，绘制马道线。

(2)根据边坡开挖设计图中给定的控制点坐标，拟绘制边坡开挖开口线。

(3)根据开挖开口线，截掉马道线多余部分。

(4)利用二次开发的加点功能，在马道线上采样加点，最后得到边坡开挖体线框模型。

(5)利用二次开发的导出功能，将线框模型导出至TXT文本文件。

AutoCAD 2014中建立的三维线框模型结果参见图6与图7。

图6 线框模型顶视

图7 线框模型侧视

结果分析表明，利用AutoLISP语言进行二次开发具有可移植性和通用性，在不同版本AutoCAD软件之间都能较好地发挥作用。

4.2 Cyclone三维地形建模及相关分析计算

4.2.1 边坡开挖体线框模型的导入

由于Cyclone软件不能直接导入AutoCAD的dwg格式文件，因此，导入开挖设计体线框模型，是以TXT文本数据格式导入实现的。

以点云格式导入开挖体的线框模型，运行结果参见图8与图9。

图8 开挖体点云顶视

图9 开挖体点云侧视

4.2.2 三维地形实体建模与相关分析计算

建立地形的模型，实现数字化设计，实质是通过一种算法来模拟现实中不规则的地形地貌等特征。目前，常用的算法是通过等高线或高程点建立不规则的三角网(Triangular Irregular Network，简称TIN)，然后在TIN基础上通过线性和双线性内插建DEM，即所谓的地形模型(数字高程模型)[2]。

Cyclone软件通过对点云数据的运算处理，建立TIN Mesh，即三维地形模型。

(1) 导入原始地形的点云数据，进行去噪处理，建立原始地形的TIN模型(见图10)。

图10 原始地形TIN模型

(2) 根据导入的边坡开挖体的点云数据，建立开挖体的TIN模型(见图11)。

图11 边坡开挖体TIN模型

(3) 通过对原始地形TIN模型与开挖体TIN模型的运算处理，计算出开挖方量与开挖面积等数据(见图12)。

(4) 建立边坡开挖后最终的地形模型(图13)。

4.2.3 结果分析

基于以上分析得出：

(1) 以TXT文本数据格式导入开挖体线框模型，能够便捷地转化为Cyclone可处理的点云数据格式；

(2) 利用Cyclone建立三维地形模型，效率高，同时成果非常直观，便于进行后续分析参考和场景模拟；

(3) 实践证明，采用此方法计算开挖土石方量，与采用传统断面法计算的开挖量相对误差约为万分

图12 模型开挖方量数据

图13 开挖后TIN模型

之一，精度能够得到保证，同时，该方法使建模绘图效率得到很大提高，为测绘工作者在算量方面节省了大量时间。

5 结 语

本文通过实例研究了基于二次开发的AutoCAD与Cyclone点云处理软件建立的三维地形模型。结果表明，该方法能够有效解决AutoCAD与Cyclone软件在测绘领域的不足之处，并且能充分发挥两者的优势，准确高效地建立三维地形模型并完成相关分析计算工作，为测绘工作者在日常工作中提供很大的便利，同时也方便为决策层领导提供各种数据，实用性很强。

[1] 陈祖文，王芳，郭锐. 浅谈工程数字化与企业信息化[J] . 水利水电技术，2013，44(8)：23-31.

[2] 代莉，陈春华，聂焱. 在AutoCAD环境下不规则三角网构建及等高线生成[J] . 地理空间信息，2011，9(2)：40-42.