三维电子地图的可视化和交互

收稿日期 : 2005 - 09 - 12. 作者简介 :时会省 (1975 - ) ,女 ,硕士研究生 ,讲师 ,主要从事计算机辅助地图制图、地理信息系统开发与应用研究. 三维电子地图的可视化和交互 时会省 (郑州测绘学校 制图部 ,河南 郑州 450005) 摘要 :以 OpenGL技术为基础 ,应用支持动态显示的相关技术 :多分辨率地形模型技术 (LOD)、动态场景装载技 术 (DOL)、大面积数据管理等技术、地物三维显示的相关技术 (目标剔除技术、Instance技术、M ip - Map纹理贴图 ) , 对三维电子地图的技术实现进行了实践 ,为三维电子地图的进一步研究以及相关技术的研究提供了可以借鉴的经 验. 关键词 : OpenGL;三维电子地图 ;地形三维显示技术 中图分类号 : TP39 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 - 8423 (2006) 02 - 0159 - 03 图 1　TIN模型的 LOD技术 Fig. 1　LOD technologies of TIN model 准确地模拟和再现三维地理景观 ,以一种直接的、易于理解的形式来表示地理信息是三维电子地图面临 的一个重要问题. 3S技术的飞速发展使人们可以获取信息丰富、现势性强的地图数据 ,为三维电子地图的真 实表达提供了丰富而可靠的数据源. 而随着计算机硬件和软件水平的不断提高 ,人们对三维电子地图的真实 性要求也越来越高. 除了利用光照技术使三维场景有明暗显示外 ,通常为了提高三维电子地图的真实性 ,还 可以添加图像纹理 (如叠加卫星照片、彩色地性图等 )、分形纹理 (利用分形产生植被和水系等 )和叠加地表 地物 (道路、河流、建筑物等 )的真实照片. 计算机图形图像技术、科学计算可视化技术研究的深入 ,使得三维 电子地图的可视化已经没有从基本的图形生成代码开发的必要 ,各种可视化技术为三维电子地图的显示提 供了强大的工具. 当前三维图形软件应用最广泛的是以下 3种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 [ 1～3 ] :开放式的国际图形 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 OpenGL、将三维世界带 入网络的 VRML (V irtual Reality Modeling Language,虚拟现实建模语言 )以及基于 Java语言的三维图形技术 Java 3D. 本文以目前最有优势的开发软件 OpenGL为基础 ,研究三维电子地图的建立和应用情况. 1　地形三维显示的相关技术 三维电子地图的动态表现是实现交互式操作的前提 [ 4～6 ] . 为了支持动态显示 ,三维电子地图中所采用的 相关技术 ,主要有多分辨率地形模型技术 (LOD )、动态场景装载技术 (DOL )和大面积数据管理等技术. ① LOD技术. LOD建模技术是 20世纪 90年代以来出现的一种用于三维仿真的新技术. 它的基本思想是在三 维建模过程中 ,对数据进行分层、分块处理 ,建立起由粗略到细致的多个模型层和模型块. 目前有多种地形层 次多分辨率建模方法 ,尽管不同的建模方法得到的多分辨率网络模型不完全相同 ,但从多分辨率网络模型的 表示来看 ,主要可归结为基于三角网剖分的多分辨率 层次模型和基于树数据结构的多分辨率层次模型. 另 外 , LOD也可分为动态和静态两种 ,如图 1 所示. ② DOL技术. DOL的基本思想就是为了提高显示效率 , 只有当某个区域在观察者的视野范围内或者观察者 距离区域足够近且能看见它的时候 ,才将这个区域装 载进内存并加入到三维场景中. 在具体的实现过程 中 ,首先按照地形的平面坐标结合高程信息进行空间 第 24卷第 2期 　　　　 　　　　　　　　　湖北民族学院学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　 　　　　Vol. 24　No. 2 2006年 6月 　　　　　　　　　Journal of Hubei Institute for Nationalities(Natural Science Edition) 　　　　　　　　　Jun. 2006 分区并建立空间区域索引 ,然后在实时三维显示的时候 ,先按要求调入所需的平面分区 ,在所选取的分区中 逐个判断分区的三维空间坐标是否在观察者的三维视野范围内 ,最后将满足要求的地形分区加入到三维场 景中 ; ③LADBM技术. LADBM (Large A rea Database Management)即大面积数据管理. 在管理大面积地理数据 时 ,使用 LOD技术实现将可视距离作为参数 ,实现 3维地形显示的确可以解决内存不足的问题 ,但却带来了 由于显示的详略程度不同引起的模型突跳 ,同时也引发了由于不断装入新数据而延迟的结果. 高性能的仿真 均要求能在大面积复杂数据库上连续运行且无延迟. 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、开发大面积数据库管理模块可以定义并动态的分 配一个可移动的数据库 ,使得模型的由详细到概略有一个连续变化得过程 ,使在能有效分配和使用计算机系 统资源的同时 ,在最大程度上消除立体显示时的突跳 ; ④Clip纹理贴图. 地形的真实性是地形可视化的重要 组成部分. 随着计算机的发展 ,人们对真实性的要求也越来越高 ,除利用光照技术使地形具有明暗外 ,使用高 分辨率的纹理也是增强地形真实性的最常用的有效方法. 但高分辨率的纹理将占用大量内存 ,耗费系统资 源 ,严重影响地形的显示速度. 2　地物三维显示的相关技术 2. 1　目标剔除技术 目标剔除技术主要包括视图平截头体剔除 VFC (V iew Frustum culling). 遮断剔除和背面剔除等几种. 视 图平截头体剔除技术主要是通过判断目标或场景的边界体是否与视图平截头体存在交集来实现目标或场景 的取舍. 遮断剔除操作可以识别场景图形中被其他目标遮蔽的三角形 ,并阻止在图形流水线中对它们作进一 步处理 ,它是通过深度测试来实现的. 在三维世界里每个三角形都有两个面 ,有一个面向观察者. 而另一面则 背对观察者 ,背面剔除操作可以避免对背面的三角形进行可视化处理. 联合利用这些剔除技术 ,可以极大地 降低需要渲染的几何图形的数量 ,提高图形的显示效率. 2. 2　 Instance技术 Instance技术是为解决三维海量数据的另一重要的技巧. 对于相同的物体模型 ,应该多使用 Instance技 术. 它非常类似于面向对象中类的实例. 实时显示时 ,在内存中只有一个物体的模型数据. 其余的模型显示只 是在不同的空间三维坐标中进行显示. 对于复杂模型 (由多个三角形构成 )使用 Instance特别有效. 2. 3　M ip - map纹理贴图 把地形多分辨率模型的 LOD思想引入到地物纹理映射中来 ,就要求同一地物有不同分辨率的纹理影 像 ,结果使每一块纹理影像被采样成几个范围相同但分辨率不同的小块数据 ,分别贴图于各级层次的地物模 型上. M ip - map纹理又称多分辨率纹理贴图 ,利用它进行贴图的技术称为多重贴图技术. 这一技术主要依据 不同的精度要求 ,使用不同分辨率和大小的纹理影像进行贴图. 当视线移近地面时 ,以较小的细节和较高的 清晰度图像显示 ,反之就以较粗的细节显示图像 ,从而提高图像处理的整体效率. 3　实验 3. 1　实例 1 结合相关研究工作的理论和方法 ,利用 V isualC + + 6. 0平台和 OpenGL编程技术 ,开发一系列实验程 序 ,对以上阐述的三维电子地图的理论和方法进行实现和验证. 本实验为三维电子地图的数据获取所开发的 应用程序 ,可以实现了对现有数据地图的显示、分层操作等功能. 并且可以安要求单独导出所需类型的数据 , 为后面的三维模型建立作准备. 如图 2显示的是建筑物的平面图形 ,图 3显示的是根据图 3建立的建筑物的 三维模型. 具体的实现过程为 :在二维数字地图中对建筑物数据进行预处理 ,即把高度大致相同的目标分为 同一图层 ,并把该图层的名字用该层建筑物的高度表示 ,把制图区域内所有的建筑物都分层归类后一起导出 到文件. 在三维显示的时候 ,利用程序对建筑物进行三维建模 ,最后按实际的要求映射纹理图像即可. 3. 2　实例 2 在数字地图中 ,等高线通常用 Bezier曲线表示 ,在存贮到文件 (如. dxf文件 )时 ,会在控制点之间内插进 曲线上的所有点坐标. 这样当需要利用等高线数据建网时 ,这些密集的数据有的有用 ,有些没有. 因此 ,要对 等高线数据进压缩处理 ,从等高线上提取对地形起标志作用的特征点 ,供后面的构网程序使用. 压缩过程中 061 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　湖北民族学院学报 (自然科学版 ) 　　　　　　　　　　　　 　 　　第 24卷 图 2　建筑物的平面图表示 图 3　生成街区、建筑物的三维显示 Fig. 2　A floor p lan of building model Fig. 3　Building three dimensions model 图 4　三角网地形的三维显示 Fig. 4　Triangular terrain three dimensions mode 可以根据实际地制图区域大小决定压缩的指标 ,不同 的压缩指标将导致不同详细程度的 DEM 生成. 在三 角网构造程序中可引入空间分区和索引机制进行处 理. 图 4是对上述构网程序生成的地形模型进行三维 动态显示. 实现了对三维地形的分层设色操作、Z因子 的衰减控制以及实时漫游等操作. 并且尝试使用了法 向量和雾化效果的应用. 参考文献 : [ 1 ]　李鹤元 ,王轩 ,谢鹏. 虚拟 3维地理环境系统的设计与实现 [ J ]. 测 绘通报 , 2002 (8) : 7～30. 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V isua liza tion and In teraction in Rea liza tion of 3D Electron ic M ap SH I Hui - sheng ( Zhengzhou Surveying and Mapp ing School, Zhengzhou 450005, China) Abstract: This paper, based on open GL technology, p ractices realization of 3D eletronic map by app lying relevant technologies suppooting dynam ic disp lay: LOD, Dynam ic Object Loading (DOL ) , Large A rea Database Management (LADBM ) , Clip and the technique of three dimensions disp lay (V iew Frustum culling (VFC) , Instance and M ip - Map ). The study p rovides some experiences for the further research in 3D electronic mapand other relevant technol2 ogies. Key words: openGL; 3D electronic map; technique of 3D disp lay 161 第 2期 　　　　　　　　　　　　　　　　时会省 :三维电子地图的可视化和交互