地形模型数控雕刻技术研究与实现

引用格式：周国奎．地形模型数控雕刻技术研究与实现［Ｊ］．测绘科学，２０１７，４２ （５）：１４３-１４７，１８２．

地理模型是一种古老又新颖的立体造型艺术，能艺术地模拟再现自然景观，直观表达地形地貌、地物特征和专题信息，是对客观世界真实形态的仿真表达，可以直观形象地表现我们对一个区域的科学认识和理解，展示有关的专题研究成果^[1-2]。地形模型以形象逼真、立体直观、使用方便等特点，在国防建设、政府以及文化、交通、城建、旅游、水利、地矿等政府部门得到广泛使用^[3]。

传统的模型生产，主要采用手工作业方式，存在着制作周期长、人工费用高、成品外观粗糙、精度难以保证等问题。近年来，国内学者对地形模型制作技术进行了相关的研究，文献[4]利用新材料新技术新工艺制作沙盘模型，引进声光电等多媒体技术；文献[5]研究了计算机数控雕刻的新方法；文献[6]利用具有高程的等高线数据进行地形雕刻；文献[7]提出了计算机数控雕刻技术的立体地理模型设计与制作方法；文献[8]介绍实体沙盘、三维数字地形、二维矢量地图与多媒体播放结合的数控联动模型的研制及应用。已有的研究取得了许多成果，但利用传统的地形模型加工技术进行地形模型加工制作，效率低，地貌特征和微地貌丢失，难以真实反映区域地貌特征。针对这些问题，本文提出了基于数字高程模型的地形模型数控雕刻技术，采用地形图形特征化处理和依据地貌特征优化雕刻参数匹配，解决了地形模型的精细雕刻和加工效率之间矛盾，实现了地形实体模型地貌特征的精确表达和快速雕刻成型。

数字高程模型是地形表面形态的数字表达，具有空间位置特征和地形属性的数字描述。数字高程模型有规则网模型和不规则三角网模型^[9]，本文基于不规则三角网模型进行探讨。

地理模型是特种地图之一，是以地图投影为基础，将地球表面起伏形态和地物根据用途和制图综合取舍原则进行综合选取，并按一定的比例制作的实体模型，主要反映区域地理特征、分布规律和相互关系。地形模型是地理模型的基础，主要表示地表的起伏形态，反映地貌特征^[10]、地貌类型；反映山脉水系等地理要素的空间分布和相互关系。采用传统工艺进行地形模型制作，地貌特征表达失真。本文提出地形图形特征化处理技术对数字高程模型数据进行图形处理，实现地貌特征的精确表达。

地形图形特征化处理是依据地理模型范围的地貌特征、模型的用途、模型比例尺和数控雕刻特性等特点，对数字高程模型进行图形特征化处理。

基于数字高程模型的数控雕刻技术，创新了地形图形处理方法——地形特征化处理，探讨了模型数控雕刻精度因素的优化匹配，实现地形模型快速雕刻成型和地貌特征的精确表达，提升地形模型的表达力，特别是在水平比例尺大于1:100 000时，采用地形模型数控雕刻技术进行雕刻加工，空间位置准确，地貌形态特征保持良好。但还存在以下问题：① 同比例尺的数字高程模型与地形实体模型在微地貌表达上存在显著差异,图形处理阀值问题有待进一步研究；② 基于数字高程模型的数控雕刻技术特别是刀具轨迹计算法和刀具配置、路径步长和间距的优化配置有待深入研究；③水平比例尺小于1:100 000、大于500 000时,对地貌特征的表达欠佳,图形处理方法有待改进。