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　　基于ArcGIS与Unity3D的三维可视化海底管道虚拟地形建模方法.PDF

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　　基于ArcGIS 与Unity3D 的 三维可视化海底管道虚拟地形 建模方法 1,2 2 1 支雄飞 马修水 李桂华 1. 安徽大学 2. 浙江大学宁波理工学院 [摘要]构建海底输油管道周边地形地貌，对海熊猫体育科技股份有限公司洋油气资源安全开发意义重大。本文提出了一 种基于地理信息软件ArcGIS 与游戏开发引擎Unity3D 实现海底地形三维可视化的建模方 法 ，并通过法线贴图技术，对海底管道的铺设地形及周边环境进行了真实还原。 [关键词]海底管道；海底地形；三维可视化 ；ArcGIS ；Unity3D ；法线 引言 我国海洋油气资源丰富，有着极高的开发和利用价值。据调查统计，我国大 [1] 陆架海域石油资源储藏量为150~200 亿吨 ，如何在开发、利用海洋油气资源的 同时，避免对环境、经济造成负面影响，对促进海洋产业的可持续发展有着重要 的意义。 海底管道是海洋油气开发的重要设施之一。管道投入使用后，由于长年受到 海底复杂环境和海上人为因素的影响，管道易受到腐蚀和损坏，导致油气泄漏， 从而造成严重的生态破坏和经济损失。因此，直观、快速地监测和显示海底管道 铺设地形及周边环境信息，对管道的安全运营有着重要作用。 目前，国内外研究人员运用地理信息系统、计算机图形学，结合GIS软件以 及Web服务等方法对三维虚拟地形进行建模，并取得了一定的成果。Bo Huang， Hui Lin等人提出了一种基于GeoVR 网络工具实现地形数据处理和人机交互的方 法，这种方法可以将本地地形数据通过Web服务进行处理，并在Web页面显示处 理后的地形模型，这种方法只能对地形基本数据进行图表显示，无法线] 形地貌，对地形分析有着局限性 。M. Castrillón ，P. A. Jorge等人利用开源的地 理信息软件Capaware对野外环境进行三维建模，并将其应用于野外防火安全系统 中，虽然这种方法可以直观地反映野外火灾现场情况，但是无法对地形数据实现 [3] 实时显示 。李凌提出了一种基于OpenGL 图形库，利用VC++编程进行三维地形 的重建开发，这种方法单纯依靠编程来实现对地形数据的处理，开发周期长，且 [4] 构建的地形模型粗糙，精度较低 。肖剑波、胡大斌等人提出了一种使用Terri Vista 软件构建三维地形模型的方法，这种方法需要对生成的地形进行复杂的优化才能 [5] 满足计算机处理要求，对于较大地形的显示处理效果不佳 。 目前，绝大多数三维地形建模对象仅限于陆地地形，对海底地形的建模研究 较少；现有的建模方法建模周期长，无法快速、准确地构建所需地形；所构建的 模型失真较大，无法真实还原海底环境。本文运用虚拟现实及三维可视化技术， 提出了一种基于地理信息软件ArcGIS 9.2 与游戏开发引擎Unity3D 4.2 构建海底 地形，并通过纹理处理和法线贴图技术，还原真实的海底管道铺设地形地貌及管 道周边环境的方法。 1 研究区域概况及建模方案 本文以某油气田海域海底地形作为建模对象。该海域的特点为： 1.该海域属于沉降盆地，地形相对平坦，油气资源丰富； 2.该海域水浅浪小，气象条件较好，加上沿岸地区经济、技术条件优越，对 石油开发十分有利； 3.该海域输油管道铺设数量多，管道分布复杂。 由于海底输油管道的铺设方式多种多样，且海底环境复杂，数据采集难度大， 所以管道铺设地形数据的采集和处理至关重要，本文以声呐探测、GPS 定位等技 术采集的海底高程数据，运用三角网生成算法与插值算法生成高度图，对海底管 道周边地形地貌进行建模，从而实现对海底管道铺设地形及周边环境的重构与复 现，其整体建模方案如图1 所示。 坐标变换 不规则三角 插值 栅格 高程数据 三角网生成算法 网 （TIN ）数据 算法 （Grid ）数据 导 出 真实 纹理处理 三维 转换 高度图 海底场景 模型添加 海底地形 处理 （Heightmap ） 图1 整体建模方案 2 高度图生成方法 2.1 实验区域选取 实验区域的选取方法为：提取所选区域输油管道若干位置坐标，判断管道的 大体走向，以管道的两个拐点坐标所在经度作为地形的边界条件，最终确定实验 区域。 本文以某大型海上油气田某海底输油管道周边海域为实验区，以此管道周边 地形为建模对象，建立海底地形三维模型。此实验区海底地形的基本参数如表1 所示。 表1 实验区海底地形基本参数 基本参数 区域面积 采样高程点数 最高点海拔 最低点海拔 实验区 2 某油气田输油管道周边海域 2747.7km 3304 -7.072m -29.475m 2.2 高程数据预处理 本文所采集的海底地形高程数据以WGS-84 （World Geodetic System 1984） 坐标系为基准，包含经度、纬度和高程三种数据，但由于所构建的地形处于空间 直角坐标系中，因此，对于采集的高程数据，首先要进行坐标变换。 坐标转换是把经纬度坐标数据转换为空间直角坐标系下的坐标，如图 2 所 示，P (, , H ) 表示空间某一点在WGS-84 坐标系下的坐标。 图2 空间直角坐标与WGS-84 坐标的转换关系 [6] 其转换公式为 ：  X (N H )coscos   Y ( N H )cossin  （1）   2 2  Z N a b H sin    式中，a、b 分别为参考椭球体的长半轴与短半轴；N 为卯酉圈半径，其值为： a N （2 ） 2 2 1e sin  e 其中， 为参考椭球体的第一偏心率，其值为： a2 b2 e （3 ） 2 a 由式（1）~ （3 ），可将收集的海底地形数据进行预处理，并导入ArcGIS 中 生成满足建模需求的空间直角坐标离散高程数据。 2.3 基于DEM 数据结构的灰度图生成 数字高程模型（Digital Elevation Model ）简称DEM ，是用有序数值阵列的 [7] 形式表示地面高程的一种实体地面模型，其表达式为 ： i 1 , 2 , 3 , m. . . , m j1 , 1,2,3,...,n 1,n DEM H ； （4 ）   i, j 式中， 为栅格(i, j) 上的高程值。 H i , j DEM 的表示方式很多，按照面单元DEM 可分为规则栅格DEM （Grid ）和 不规则三角网DEM （TIN ）两种结构。ArcGIS 分别以Raster 图像类型表示规则 栅格 DEM ，以TIN 图像类型表示不规则三角网 DEM 。对于预处理后的海底地 形离散高程数据，首先生成TIN，再将生成的TIN 转换为Raster 图像类型。 2.3.1 TIN 的生成算法 由离散高程点生成TIN 是构建DEM 的重要环节，生成TIN 的算法很多，最 为经典的算法有分治算法、逐点插入算法及 TIN 生长算法，其中逐点插入算法 [8] 的运用最为广泛 。 Lawson提出了运用逐点插入法建立Delaunay三角网的算法，该算法的流程如 图3所示。 开始 初始化 插入数据点P 定义多边形，使 三角网中找出 其包含所有数据点 含P 的三角形T 处理 把P与T 三个顶点 相连，生成三个新三角形 N 是否处理完？ Y 结束 图3 逐点插入法流程图 2.3.2 Grid 数据的生成算法 Grid数据生成的基本方法是对TIN进行内插计算。首先需要判断栅格节点属 于哪一个三角形。已知三角形三个顶点坐标为(xA , yA ) ，(xB , yB ) ，(xC , yC ) ，可 得该三角形面积为： (xA yB ) (xB yC ) (xC yA ) (yA xB ) (yB xC ) (yC xA ) S （5 ） 2 若已知图4 中所示三角形 三

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