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1、1 AUTODESK CIVIL 3D 2007 白皮书 使用 Civil 3D 2007 建立数字地形模型 Autodesk Civil 3D 软件是 Autodesk 公司为土木与基础设施行业提供的三维设 计解决方案 ,适用于勘 测、场地规划、总图、道路设计、水利工程、地质矿产等多 个不同的行业领域。 Civil 3D 的功能非常强 大,但其中最有价值的部分是三维数字 地形模型。利用数字地形模型,既可直观的查看场地的三维效果,也可用于土方计 算、纵横断面绘制等设计与计算功能。因此,详细了解如何生成数字地形模型非常 重要。本文不是一份全面的 Civil 3D 入门教材 ,而是着重讨论如何在
2、Civil 3D 中根 据多种源数据创建数字地形模型。 目录 1. 地形曲 面 . 2 2. 使用测量点数 据 . 3 2.1 使用点数据文 件 3 a 创建点编 组 . .4 b 引用点文 件 . .5 2.2 使用 DWG 图形中的 点 .6 a 使用有高程的图形对 象 .6 b 转换文本 点 . .7 3. 使用现有等高线图 形 . 8 3.1 使用三维等高 线 8 3.2 二维等高线赋 值 8 3.3 简化等高 线 . .9 a 顶点消除算 法 . .9 b 允差算 法 . .10 4. 使用其它数 据 . 11 4.1 使用三维特征 线 1 1 4.2使用边界和遮 罩 1 2 4.3
3、使用 DEM 文 件 . .13 4.4使用 L AND XML 文 件 .14 5. 曲面编 辑 . 15 6. 小 结 . 16 1. 地形曲面 在 Civil 3D 中,数字地形模型被称为 “ 曲面” 。 Civil 3D 中的曲面分为两种类型 , 即三角网曲面和 栅格曲面 ,其中三角网曲面是缺省的曲面类型。它使用不规则三角 网(TIN 来模拟真实地形 ,较为 精确,因此更适合土木工程设计应用。本文中的曲面均 是指三角网曲面。在 Civil 3D 中,尽管可以使用 多种不同的样式 (例如等高线或坡度 分析来显示曲面 ,但是请记住 ,在不同的显示样式背后 ,曲面 的数据是以三角网模式来 存
4、储和操作的。 在 Civil 3D 中建立曲面时 ,用户需要首先创建一个曲面对象,然后把源数据 (例如 测量点、等高 线、 DEM 文件等添加到曲面定义中 ,就可以生成曲面。在 Civil 3D 中创建曲面对象的步骤是:在工 具空间的 “ 快捷方式浏览 ” 选项板上找到 “ 曲面” 结点, 单击右键 ,选择“ 新建”,然后在弹出对话 框中输入新建曲面的名称与描述(可选,确定 即可。 创建了曲面对象之后 ,在工具空间的浏览选项板上,展开“ 曲面” 结点前的 按钮,就可以看到 新生成的曲面对象。继续展开该曲面对象以及其下的“ 定义” 结点,就可以看到在 “ 定义” 目录下面 列出了多种源数据类型
5、,例如边界、等高线、点 编组等。 Civil 3D 能通过列表中的任一种源数据生成曲面,也可以混合使用多种源 数据,只要把这些源数据都添加到曲面的定义目录下面即可。然而,根据 源数据的类 型和质量不同 ,可能需要采取不同的处理手段。下文将详细介绍。 2. 使用测量点数据 使用原始的测量点数据创建地形模型是最直接、最准确的方式。在使用 Civil 3D 时,如果能获取测 量点数据 ,那么最好是直接从测量点数据创建地形曲面,因为这 样能避免通过其它软件进行处理而引入的额外误差。根据具体情况不同,有些时候 我们可以取得点数据文件,而有些时候我们只能利用现有 DWG 图上绘制的测量点 对象。因此 ,根
6、据不同的数据来源 ,我们可以采用不同的创建方式。 2.1 使用点数据文件 在 Civil 3D 中 , 可 以 导入 文 本 格 式的 点 数 据 文件 (.txt 或 .csv。例如 ,右图是一个典型的点数据文件,文件的每一 行表示一个测量点 ,而四列数据分别表示点编号、 X 、 Y 、 Z 坐 标,列之间用空格分隔。这样的数据格式被称为“ PENZ ( 空 格分隔 ” 格式。 Civil 3D 中预定义的数据格式还有 NEZ 、 PENZD 等。格式名称中的每个字母代表的含义如下: P -点编号 E -东距(AutoCAD 中的 X 坐标 N -北距(AutoCAD 中的 Y 坐标 Z -
7、标高(AutoCAD 中的 Z 坐标 D -点描述 (任意字符串 格式名称中的字母排列顺序就对应于每一列的数据含义,而每种排列方式都可 以选择使用逗号或者空格作为分隔符 ,因此可选择多种数据格式。另外, Civil 3D 也 允许用户自定义数据格式,详见 Civil 3D 帮助文件中的 “ 创建点文件格式 ” 。 如果用户使用的点数据文件是其它格式(例如 Excel 文件的 ,则需要事先转成文 本文件 ,并符合 Civil 3D 的数据格式之一 ,然后才可以导入到 Civil 3D 中。 a 创建点编组 有了点文件之后 ,就可以把文件导入到 Civil 3D 中。通常的方式是先用点文件 生成
8、Civil 点编组对 象,然后使用点编组生成地形曲面。操作步骤: 1. 点击菜单 “ 点 -创建点 ”,然后在浮动的 “ 创建点 ” 工具栏上点击 “ 导入点 ” 按 钮。 2. 在“ 导入点 ” 对话框中选择正确的数据格式,点击 按钮找到并选择数据文件 ,然后 点击 按钮创建一个新的点编组 (输入一个点编组名称 ,例如“ survey ”。点击 “ 确 定” 后, Civil 3D 就会创建一个点编组 ,包含该文件中所有的测量点对象。 3. 创建点编组后 ,在绘图区域中应能看到所有的测量点(可能需要缩放当前视图 区域才能 看到。同时 ,在 Civil 3D 工具空间的 “ 浏览” 页面上选中
9、对应的点编组结点 后,数据 列表中会显示该编组中所有的测量点。用户可以在此处直接查看和修改点 数据,图形会 自动更新。 (小技巧:点击列表上任一列的栏头 ,则所有的点记录会按照 该列的数值进 行排序。在任一行记录上单击右键,选择“ 缩放到 ”,则当前视图会自动 缩放到该点所 在的位置。 4. (如果尚未创建曲面对象 ,此时请先创建曲面。 在工具空间的浏览选项板上,单击展开 “ 曲面” 结 点前的 按钮,然后找到已生成的曲面结点,右键 单击“ 定义” 下的“ 点编组 ” 结点,在弹出菜单中 选择“ 添加 . ” 5. 在弹出的点编组列表中 ,选择名称为 “ Survey ”的 点编组 ,然后单击
10、 “ 确定” 。很快 ,图上就生成了 地形曲面的等高线 (根据制图样板的不同 ,曲面的 显示方式可能不同。 在这种方式中 ,所有的点数据都存放在 DWG 文件中 ,并且曲 面与点编组是动态关联的。如果修改了点数据(例如标高 ,那么地形曲面可以动 态的进行更新 ,因 此非常方便。但由于在图文件中生成了大量的点对象,需要消耗较 多的系统资源 ,因此只适合于点数量较小 (图形对象 ” 结点 上右键 单击,选择“ 添加” 3. 在弹出对话框中选择要添加的对象类型,例如点或图 块,确定 4. 用框选方式选中要添加的所有要转换的对象,回车。 (注:您也许希望先通过关闭掉其它的图层,以防止 错误的选中其它对
11、象。曲面就创建好了。 b 转换文本点 如果点位处的图形对象本身 Z 坐标为 0(甚至有时根本没有图形对象,只有文字 , 通过文字对象 表示点高程 ,那么就可以使用 Civil 3D 本地化扩展中提供的 “ 转换文本 点” 工具,先把文本转换成 Civil 点对象和编组 ,然后再使用点编组创建曲面。使用“ 转 换文本点 ” 工具的前提是 : z Civil 3D 2006 中文版及更高版本 ,并已安装本地化扩展包 z 要识别的文本均位于同一个图层上,并且文本的内容就是点的高程值 z 每个点高程文本到点位的相对偏移都相同。例如,下面左图是满足这个条件的, 而右图 则不满足 (Civil 3D 20
12、06 与 2007版还不能准确的 处理右图的情况 在满足上述前提条件的情况下,就可以使用 “ 转换文本点 ” 工具。步骤是 : 1. 点击菜单 “ 点 -实用程序 -转换文本点 ” 2. 按提示 ,选中任一个点高程文本对象 3. 按提示 ,输入该高程文本对应的点位置 4. 输入这一批高程点的描述 5. 接下来 , Civil 3D 将自动搜索该文本对象所在的图层上的所有文本,并根据相 同的点位偏移 , 在每个文本对应的点位置上创建一个 Civil 点对象 ,该点的高程值就是文本的内容,并且为点 添加描述。最后 , Civil 3D 还将创建一个点编组 (使用该描述为编组命名 ,并把这 次生成的
13、 所有 Civil 点放在该编组中 “ 转换文本点 ” 是一个非常方便的工具 ,它可以快速的把 DWG 图上现有的勘测 点识别为 Civil 点 编组。如果希望将识别出的高程点导出成为点文件,还可以使用 Civil 3D 的导出功能 (菜单“ 点 -实用 程序 -导出 ” 。有了点编组或点文件 ,您就可以 使用它们来创建曲面 (参见第 2.1节。 3. 使用现有等高线图形 在很多时候 ,用户手上并没有原始测量点数据,而是使用现有的 DWG 格式的等 高线地形图。因 此,除了使用测量点数据 , Civil 3D 还可以从现有的等高线图形创建 数字地形。这些等高线通常是直线、多段线或样条曲线。 (
14、注意:Civil 3D 不能直接 使用样条曲线生成曲面。如果是样条曲线,需要先 使用 AutoCAD Express 工具转换 成多段线对象。 3.1 使用三维等高线 无论现有的等高线对象是直线或是多段线,只要它们是三维的 (也就是有正确的 Z 坐标,那么 就可以直接用来创建地形曲面。无论等高线是否有间断,对于最后结果 通常没有大的影响。添加等高线到曲面的步骤是 : 1. 在图形区域中选中任一条等高线。单击右键,选择 “ 选择类似对象 ” 。 Civil 3D 会自动选中同一图层上 的所有等高线对象 2. 在工具空间的浏览选项板上展开要添加的曲面。在 “ 定 义 -等 高 线 ” 结 点 上
15、单 击 右 键 , 选 择 “ 添 加 . ”。在弹出的对话框中点击“ 确定” 即可 注意:上述操作时 ,需保证所有的等高线对象位于一个 图层上 ,并且该图层上没有其它的直线或多段线对象。如果 等高线对象位于几个不同的图层上,则可以分批添加 ,每次 处理一个图层。 3.2 二维等高线赋值 如果现有的等高线是二维的(Z 坐标为 0或者 Z 坐标不正确 ,那么还需要先使用 Civil 3D 本地化扩 展中提供的 “ 等高线赋值 ” 工具,为其赋上正确的高程值。等高线 赋值的步骤是 : 1. 点击菜单 “ 曲面 -实用程序 -等高线赋值 ” 2. 按提示 ,先输入第一根等高线的高程值,再输入等高线的
16、高 程增量 3. 绘制一条橡皮线 ,依次穿过所有要赋值的等高线 4. 继续绘制橡皮线 ,或者回车结束命令。命令完成后,凡是赋 上高程值的等高线会用红色标示出来。 完成赋值后 ,就可以使用 “ 添加三维等高线 ” 功能将其添加到曲面定义中。 注意:使用这个工具时 ,要赋值的等高线对象应是连续的多段线。如果等高线有 中断,那么必须 分批进行处理。另外 ,必须保证橡皮线仅穿过要赋值的等高线而不穿 过其它的多段线对象 ,必要时可 以关闭其它的图层。 3.3 简化等高线 在现有的 DWG 地形图上的等高线 ,通常是由多段线表示。有时候,多段线的顶 点间距非常之短 , 因此每条多段线上都具有非常密集的顶点
17、。从这些等高线生成曲 面时,过多的顶点数量并不能保证生成的曲面更准确的反映现实地形,反而会消耗更 多系统资源 ,严重影响速度。因此 ,有时候希望对这 些等高线进行简化 ,减少顶点数量 (参见下图所示。 在 Civil 3D 中,为等高线简化提供了两种不同的算法: a 顶点消除算法 这是 Civil 3D 默认的等高线简化方式。使用这种方式,只要在添加等高线到曲 面的对话框中 (参见 第 3.1节指定顶点消除因子 (包括距离和角度即可。该算法的示 意图如下 : 从图中可以看到 ,当该顶点两侧相邻的线段总长度(L1+L2 小于给定距离 ,并且偏 转角 小于 给定角度时 ,该顶点就被忽略 ,也就是把
18、此处的等高线波折拉直。因此,要 加大简化的幅度 ,可以适 当的增加顶点消除的距离和角度即可。 b 允差算法 在 Civil 3D 软件中 ,已经包含了 Autodesk GIS 软件 Map 3D 的功能。因此 ,还可 以利用 Map 3D 功能中提供的另一种多段线简化方式:允差算法。它的示意图如下: 从图中可见 ,允差算法只需要用户指定一个允差带宽。在这个带宽范围内的多 段线波折将被拉 直,从而生成简化的多段线。要加大简化的幅度,只需要增加允差带 宽的值。 允差算法的操作步骤如下 : 1. 输入命令 “ mapclean ” 2. 在“ 要包括在图形清理中的对象” 栏目中 ,选中“ 全部选择
19、 ”,然后选择要清理的 等高线所 在图层。点击 “ 下一步 ” 3. 在“ 选择动作 ” 页面的 “ 清理动作 ” 列表中 ,单击“ 简化对象 ” 。 单击“ 添加 ” 。然 后在 “ 清理参数 ” 下,将“ 允差” 设置为适当的值 (注意:如果在此页面上选择 “ 清理动作 ” 为“ 清理多段线 ”,那么也可以使用顶点消 除算法进 行等高线简化。 4. 接受所有其他默认值。单击“ 完成 ” 5. Civil 3D 将自动简化该图层上的所有多段线。然后,就可以使用简化后的等高 线创建曲面。 等高线简化是一项非常有用的功能,往往能大幅度提高曲面的生成速 度。虽然它也会在一定程度上损失数据精度 ,但
20、在处理大面积地形时 ,通常这是可以 接受的牺牲。顶点消除算法和允差算法并没有一定的优劣之分 ,而对于算法的参数 设置也需要根据具体情况进行选择,有可能要多尝试不同的算法和不同的参数设置 , 然后选择一种较好的配置。这需要一定的经验积累和摸索。 4. 使用其它数据 4.1 使用三维特征线 在现有的地形图上 ,有时还会遇到地形特征线 ,例如山脊线或山谷线。如果这些 地形特征线是用 三维多段线表示的 ,并且每个顶点都有正确的 Z 坐标 ,那么也可以将 其作为源数据加入到曲面定义中 (可以与其它数据混合使用。添加的方式与“ 添加 三维等高线 ” 相似,只是选择将其加入到 “ 定 义” 结点下的 “ 特
21、征线 ” 类别中 ,并且选择特 征线类型为 “ 标准” 即可。 另一种情况是地形上有垂直的陡壁,例如挡墙或悬崖。这种情况下可以使用“ 陡 壁特征线 ” 功 能。具体操作请查阅 Civil 3D 帮助文件中的 “ 创建陡壁特征线 ” 。 4.2 使用边界和遮罩 默认情况下 , Civil 3D 使用源数据生成曲面时 ,会按照凸包形状生成曲面的外 缘。但如果希望生成的曲面具有凹形边界 ,或是手工限制曲面的范围 ,就需要手工为 曲面添加边界。边界之外的曲面将不再参与任何操作 ,例如曲面剖切或体积计算。 根据作用不同 ,曲面的边界分为三种 : z外部 :定义曲面的外边界。外部边界之外的所有 三角形都被
22、裁掉。 z隐藏 :裁掉边界内的三角形。用于在曲面内部创 建局部空洞 (例如建筑物地脚。 z显示 :在隐藏边界内部使用 ,显示边界内的所有 三角形 ,即创建岛状区域。 另外,每种边界都分为普通模式和虚特征线模式。以外部边界为例,普通模式是 将边界线穿过的 三角形也裁掉 ,只保留完全在边界线内部的三角形;而虚特征线模式 是将边界线穿过的三角形打碎并生成新三角形 ,保留边界内侧的部分 ,裁掉外侧的部 分,因此获得的曲面外缘较为整齐。虚特征线的示意图如下 : 在 Civil 3D 中,为曲面添加边界的操作非常简单: 1. 先建立曲面 ,添加所有其它的源数据 2. 用多段线绘制要添加的曲面边界,并确保边
23、界是封闭的 3. 在工具空间的浏览选项板上,展开该曲面结点 ,在“ 定义 -边界” 结点上右键单 击,选 择“ 添加” 4. 在弹出对话框中 ,输入边界名称 (可选,选择要添加的曲面类型。如需使用“ 虚 特征 线” 模式,勾选该选项。确定 5. 在图形区域选中要添加的边界多段线 当曲面有多个边界时 ,请按照从外向内的顺序进行添加。 与边界相似的另一种功能是曲面遮罩。遮罩的用法与边界非常相似,但它并不 真实的裁掉遮罩外的曲面 ,而只是将其改为不可见。在曲面剖切或者体积计算时,遮 罩外的部分仍然参与运算。与边界类似的 ,遮罩也分为三种类型 : z内部 :创建内部遮罩 ,剪裁并隐藏多边形内部的区域。
24、 z外部 :创建外部遮罩 ,剪裁并隐藏多边形外部的区域。 z仅渲染 :为多边形内部的区域指定不同的渲染材质样式,仅用于渲染功能。 使用遮罩时 ,在工具空间的浏览选项板上找到该曲面结点,在曲面下的 “ 遮罩” 结 点上单击右键 添加,按提示操作即可。 4.3 使用 DEM 文件 DEM (Digital Elevation Model, 数字高程模型文件用于存储大范围地形地貌信息, 以供 GIS、 地球科学、资源管理、土地规划、测量和工程项目中使用。尽管很多 软件都把自己生成的数字高程文件称为 DEM ,但 Civil 3D 软件和本文中所说的 DEM 格式是特指美国地质调查局(USGS 所制订
25、的标 准格式 ,它在很多软件中都得 到支持。有关 DEM 文件格式的完整信息 ,请参见由美国内务部地质调查局下属的 国家地图制作中心出版的 National Mapping Program Technical Instructions 中的 “ Standards for Digital Elevation Models” 一 节 。 可 以 在 USGS 网 站 上 找 到 此文 档 (网 址 为 。 DEM 文件通常以规则的栅格网形式记录地形 XYZ 信息,以表示地 面高程。对于许多规划和设计任务而言, DEM 文件是非常有 价值的数据源。尽管 它对于工程详细设计来说还不够精确,但是对于大
26、范围规划和初步方案却是非常方 便的。 在 Civil 3D 中,您可以使用 DEM 文件生成曲面 ,包括对 DEM 进行坐标转换。步 骤是: 1. 新建曲面。如需进行坐标转换,请在“ 图形设置 ” 中指定当前图形的坐标系 2. 在工具空间的浏览选项板上,展开新建的曲面结点 ,在“ 定义 -DEM 文件” 结点 上右键 单击,选择“ 添加” 3. 在弹出对话框中选择要添加的 DEM 文件,在“ DEM 文件信息 ” 中会显示该文 件的信息 4. 如果 DEM 文件的坐标系与当前图形的坐标系不同,就需要进行坐标转换。点 击下方列表 中“ DEM 文件 -CS代码” 右侧的 “ ”按钮,根据 Civ
27、il 3D 显示的 DEM 文件信息 ,选择 正确的坐标系 ,确定即可。 有关使用 DEM 文件生成曲面的更多信息 ,请参阅 Civil 3D 帮助文件中的 “ DEM 文件” 。 4.4 使用 LandXML 文件 除了传统的 DWG 格式, Civil 3D 软件还支持使用新的 LandXML 格式来保存和 交流地形数据。 LandXML 是由 Autodesk 公司发起、全球各大公司参与制定的,用 于土地开发和土木工程设计领域的标准数据格式 ,可以用于描述、存储、交换设计 信息。由于 LandXML 是全球统一的开放性格式,因此使 得不同国家、使用不同软 件的工程技术人员能够用相同的语言
28、进行交流,同时也适合于长期档案保存。另外 , LandXML 本身是一种文本格式 ,可以用 MS Internet Explorer 打开查看 ,也可以用任 何文 本编辑器 (例如 Windows 记事本进行编辑。 在 Civil 3D 中,可以将地形曲面导出成 LandXML 文件,或者从 LandXML 导入已 有的曲面。命令 是:菜单“ 文件 -导出 -导出 LandXML ”或者“ 文件 -导入 -导入 LandXML ”。 LandXML 文件中完全 精确的记录了曲面的几何信息。因此,当建立 了一个曲面之后 ,如果要进行存档或者拷贝 ,可以将曲 面导出到 LandXML 。以后只 要
29、在其它的 DWG 文件中导入该 LandXML 文件即可 ,而不再需要重复建立 曲面的整个过程。另一个很有用的技巧是,当使用图形中的大量对象 (例如 Civil 点编组或是等高线创建曲面后 ,可以先将曲面导出为 LandXML , 然后删除图中的源 数据对象和曲面 ,再导入该 LandXML 重建曲面。使用这个方法,可以有效的缩减图 文件大小 ,从而节省系统资源 ,获得更好的性能。 5. 曲面编辑 对于已经建立好的曲面 ,有时还希望进行修改。在 Civil 3D 中,除了修改源数据 从而更新曲面之 外,还可以对曲面模型进行手工编辑。但由于 Civil 3D 的曲面对象 是依靠三角网算法生成的,
30、要修改曲 面模型时 ,只能对曲面的三角网进行编辑,然后 Civil 3D 自动更新曲面显示的等高线图形(或是其它样 式,而不能直接编辑曲面的等 高线图形。 Civil 3D 支持的曲面编辑操作如下表。(注意:使用“ 三角网编辑 ” 类别的命令时 , 必须先保证该 曲面是用三角网样式显示的,即曲面的三角网是可见的。 操作类别 编辑命令 功能说明 添加直线 为曲面添加新的三角网线 删除直线 删除曲面中的三角网线或栅格线 交换三角形边 改变三角网中一条边的方向(同时改变相邻的两个三角形添加点 为曲面模型添加新的三角形顶点 删除点 删除曲面中的顶点 修改点 修改单个顶点的高程 三角网编辑 移动点 将现
31、有顶点移动到新位置,并更新三角网剖分 最小化平面面积 对于使用等高线生成曲面的情况,此操作有助于改善新建曲面 的质量 ,提高曲面等高线与原始等高线的匹配度 升高 /降低曲面 将所有顶点的高程增加或减去一个数值,从而升高或降低整个 曲面 曲面规整 平滑曲面 使用插值方法 ,在指定区域内对曲面网格进行细分,从而使 得曲面更加 平滑。该局部的等高线也会更加平滑,并且不会 相交。但该操作可能导致数据量增 大,影响系统性能 曲面运算 粘贴曲面 将另一个曲面合并到当前曲面。例如在进行场地设计时,将 局部的设计地形与场地原始地形进行合并,生成最终的完整场地设计地形。 使用 CIVIL 3D 2007 建立数
32、字地形模型要编辑 Civil 3D 曲面对象 ,在工具空间 的浏览选项板上展开该曲面结点,在“定义-编辑“结点上 右键单击 ,选择相应的操作 即可.所有编辑操作的历史记录都保存在工具空间选项板上.在历史记录 上单击右键 , 就可以选择取消先前的任一项编辑操作,因此非常方便 . 6. 小结 Civil 3D 不仅提供了 强大的地形分析和处理功能,更重要的是能从多种源数据快速灵活的创建三维的数 字地形模型 .Civil 3D 2007 已经提供了丰富的功能对原始的二维地形数据进行预处 理,而随着软 件的不断发展 ,这些工具还会更加方便和强大,帮助用户更好的实现从二 维到三维的转换 ,赢得生产 效率的飞跃提升 . Autodesk,AutoCAD 和 Civil 3D 是 Autodesk, Inc. 在美国和 /或其 它国家或地区的注册商标或商标.所有其它标志名称 , 产品名称或商标 均属于其持有人 .Autodesk 保留更改产品供应和产品规格的权利,恕 不另行通知 ;并且我们不承诺对此文档中可能出现的印刷或图形错误负任何责任 . 2007 年 Autodesk, Inc. 公司.保留所有权利 . 16