（构造地质学专业论文）地质图三维可视化研究与实现.pdf

浙江大学颈士学位论文 地质图三维可视化研究与实现 摘要 随着科学计算可视化、g i s 、虚拟现实等技术的发展，地学图件正朝着数字、 三维、交互的方向前进。地质图是地质工作者从事专业工作必不可少的专题图件， 但它只是一种二维平面图，难以表达地质要素的三维空间信息，因此研究地质图 三维可视化及其相关功能，具有重要的意义。 地形三维可视化是地质图三维可视化的基础本文提出了基于分块四叉树的 多分辨率模型，它打破了整个格网高度场宽度和高度必须满足2 ”+ 1 的限制，扩 大了适用范围；同时采用观察空间误差判断准则来改进误差测试，利用递归激活 的方法来消除裂缝，进一步提高了算法的执行效率和地形绘制显示的速度。 图切剖面图的编绘是地质图三维可视化的重要功能。本文提出了图切剖面图 的绘制模型，它基本能够绘制三维地质图上任意地点、任意方向上的图切剖面图。 同时，本文采用栅格辅助算法和基于局部空间变换的直线段求交算法来改进图切 剖面中的求交过程，提高求交速度，从而加速剖面图的绘制。 最后，作者基于v i s u a lc + + 和o p e n g l 开发了一个地质图三维可视化系统， 并对红沟子北部地区和凌家桥西部地区进行了试验，取得了较好的效果。 关键词：地质图，三维可视化，四叉树，剖面图，计算机辅助编绘 浙江大学硬士学位论文地质图三维可视化研究与实现 a b s t r a c t w t ht h ed e v e l o p m e n to f v i s c ，g i s ，v r g e o s c i e n c em a p sa r cb e c o m i n gd i g i t a l ， t h r e e - d i m e n s i o n a la n di n t e r a c t i v e g e o l o g i cm a pi s 趾i n d i s p e n s a b l et o o lf o r g e o l o g i s t sw o r lb u ti tc a n te x p r e s s3 ds p a c ei n f o r m a t i o no f g e o l o g i ce l e m e n t s ，j u s t 邵ak i n do f2 di c h n o g r a p h y s ot h e r ei si m p o r t a a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h e3 d v i s u a l i z a t i o no f g e o l o g i cm a pa n di t sc o r r e l a t i v ef u n c t i o n s t h e3 dv i s u a l i z a t i o no ft e r r a i ni st h ep r e m j f o rt h e3 dv i s u a l i z a t i o no f g e o l o g i cm a p s ot h ea u t h o rp u t sf o r w a r dam u l t i - r e s o l u t i o nm o d e lb a s e d0 1 1b l o c k q u a dt r e et oi m p l e m e n tt h e3 dv i s u a l i z a t i o no f t c n a i n t h i sm o d e lb r e a k st h er e s t r i c t s o ft h eh e i g h ta n dw i d t ho ft h ee n t i r e 鲥dh e i g h td a t af i e l da n db r o a d e n si t sa p p l y i n g s c o p e m e a n w h i l ei ta d o p t so b s e r v a t i o ne r r o re v a l u a t i o nc r i t e r i at oi m p r o v e 锄rt e s t , a n du s e sr e c u r s i v ea c t i v a t i o nm e t h o d st oe l i m i n a t et r r e v i c 它s , w h i c hc o n s u m e d l y i m p r o v et h ee x e c u t i v ee f f i c i e n c yo fa n t 硫c t i ca n ds p e e du pt h ev i s u a l i z a t i o no f t e r r a i n a s i g n i f i c a n tf u n c t i o no ft h e3 dv i s u a l i z a t i o no fg e o l o g i cm a pi st h ep r o d u c t i o n o f t h ec u t t i n gs e c t i o n f o rt h i sp u r p o s e ，t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dap r o d u c t i o nm o d e l o ft h ec u t t i n gs e c t i o n , w h i c hc a nb a s i c a l l yp r o d u c et h ec u t t i n gs e c t i o no fa n ys i t eo n a n yd i r e c t i o no na3 dg e o l o g i cm a p a tt h es a m et i m e , t h ea u t h o ra d o p t sr a s t e r a s s i s t a n c ea l g o r i t h ma n di n t e r s e c t i o na l g o r i t h mo fl i n es e g m e n t s 谢t hl o c a ls p a c e t r a n s f o r mt 0i m p r o v et h ei n t e r s e c t i o np r o c e s so ft h ec u m n gs e c t i o n , w h i c hd i r e c t l y s p e e d su pt h ep r o d u c i n go f t h ec u t t i n gs e c t i o n a tl a s t , t h ea u t h o rd e v e l o p sa3 dv i s u a l i z a t i o ns y s t e mo fg e o l o 西cm a po nt h e b a s i so fv i s u a lc * a n do p e n g l a n dt r i e si to u ti nt h en o r t ho fh o n g g o u z im - e aa n d t h ew e s to f l i n g j i a q i a oa r e a , w h i c hh a sm a d ea c h i e v e db e t t e rr e s u l t s k e y w o r d s ：g c o i o g i cm a p ，3 dv i s u a l i z a t i o n , q u a dt r e e ，c r o s ss e c t i o n , c o m p u t e ra i d e d p r o d u c t i o n 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：抖日 期：上型l 出 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研究 生部办理。 研究生签名：碑导师签名：黝丛丛咿：也纽：基 浙江大学硕士学位论文地质雷三维可视化研究与实现 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 可视化是指在人脑中形成对某物( 某人) 的图像，是一个心智处理过程，促 进对事物的观察力及建立概念等( w o o de ta 1 ，1 9 9 4 ) 。但在1 9 8 7 年美国国家科 学基金委员会报告中，赋予可视化新的含义，同时可视化被称为科学计算可视化 ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 。它被定义为通过研制计算机工具、 技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感 受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析( 丁琳，2 0 0 3 ) 。随着计算机 技术的发展，科学计算可视化技术由二维向三维甚至多维进展。这其中尤以三维 可视化技术最为引人注目，它被广泛应用于医学、地质勘探、地理信息系统、气 象学、分子模型构造、计算流体力学及有限元分析等众多领域。 科学计算可视化自提出以来，其理论和技术对地学信息的表达和分析产生了 很大影响，这种影响可以归纳为两个方面：一方面是从技术层次上，可视化技术 与g i s 技术的结合，促进地学数据的图形表达；另一方面是在理论上，因为可视 化不仅仅是通过计算机图形显示来表达数据，本质上是人们建立某种事物( 或某 人) 在脑海中的意象，是人们对地学信息认知和交流的过程，通过这个过程可以 帮助人们获取地学知识，认识地学规律( 丁琳，2 0 0 3 ) 。 地质图是显示地壳表层的岩石分布、地层年代、地质构造、岩浆活动等地质 现象的地图( 蔡梦裔等，2 0 0 1 ) ，是地质工作者从事专业工作必不可少的专题图 件。地质图需要专业人员在野外实际填绘，通常的做法是首先将地壳表层的所有 地质现象抽象为点、线、面、注记符号等，然后以普通地图为底图，通过正射投 影将这些地理空间实体投影到地理底图上，以实现地质现象的可视化表达。传统 的地质图的载体为各种绘图纸，这种纸质线划地质图由于采用正射投影的方法表 达各种地质现象，它只能表达这些地质现象在二维空间的定位。然而，许多地质 要素均是空间实体，如地层、地质构造、岩浆岩体在地表的出露均受地表起伏的 控制，它们除有确定的平面位置外，还随地形的起伏而包含一定高程信息。因此， 纸质线划地质图上的线状地质要素( 如地层界线、断层线等) 实际上为一些空间 曲线，面状地质要素( 如地层在地表的分布、岩体在地表的分布等) 实际上为一 些空间曲面，点状地质要素( 如矿化点、地层产状点等) 也具有一定的高程。传 统的地质图为了尽可能反映这些地质要素与地形间的空间关系，通常在地质图中 保留一些地形信息，如在大比例尺地质图中保留等高线，在小比例尺地质图中用 浙江大学硕士学位论文 地质圈三维可视化研究与实现 符号注记和文字注记标识特殊地貌，如地貌高点( 山头) 、鞍部、洼地等然而， 为了突出专题信息，对这些地形信息通常要作一定程度的简化，如大比例尺地质 图中等高线抽稀，小比例尺地质图中仅标注主要地貌点等，这样，地学工作者很 难从一幅展现在二维平面上的纸质地质图上读出地质要素的三维空间信息，从而 给分析地质体的空闻展布、地貌对地表地质要素发育的影响等带来了困难。计算 机制图学的发展促进了电子地图的问世，数字地质图也应运而生，然而，这种数 字地质图也只是传统的纸质地质图的数字化，是通过计算机来表达和管理纸质地 质图所包含的地质信息，仍然是一种二维表达( 刘学锋等，2 0 0 3 ) 。近年来，随 着三维可视化、6 i s 技术的发展，地质图的三维表达已成为可能。 图切剖面是地质图的重要组成部分，它与地质图搁配合，可以清晰地反映出 图区内地层、岩体、构造的空间分布特征，对于认识各种地质体和矿床赋存的地 质条件和时空分布规律，指导矿产资源和工程地质勘探，都具有重要的意义( 方 世明等，2 0 0 2 ) 。地质工作者常常需要在任意地点、任意方向上切制剖面图，然 而传统的手工制作方式难以满足这种要求。随着计算机辅助设计的引入，使得通 过计算机辅助绘制图切剖面图成为可能。 因此，结合科学计算可视化、g i s 、计算机辅助设计等技术，实现地质图三 维可视化及其图切剖面图计算机辅助编绘功能，具有着重要的意义。地质现象的 三维可视化能更好地表达地质现象随地形起伏的变化，便于地学工作者分析地质 体的空间展布规律，尤其是通过视点的变化，可以从不同的角度观察地质体的空 间展布。而任意地点、方向上的图切剖面图更是地质工作者认识和分析地质体在 垂直方向上的结构、构造及其相互关系的利刃。 1 2 研究现状 关于地质图三维可视化及其图切剖面图计算机辅助编绘功能的研究可概述 如下。 1 2 1 地质图三维可视化 国内外直接与地质图三维可视化相关的研究很少，且都是在三维地形的基础 上通过地质图纹理图像的映射来实现地质图的三维表达，其基本流程( 刘学锋等， 2 0 0 3 ) 如图l - 2 一l 。同时，目前这方面的研究仅仅是对地质图的三维显示，而所 有的基于地质实体的空间查询、分析等仍必须在数字化的二维地质图上进行。另 一方面，她质图纹理制作过程完全与三维显示系统分离，使得用户与地质图数据 之间缺乏交互性。 2 浙江大学硕士学位论文 地质图三维可视化研究与实现 图1 - 2 - 1 地质图三维显示基本流程 1 2 2 图切剖面的计算机辅助绘制 国外关于这方面的文献很少，主要是国内的一些专家、学者出于应用目的对 此进行了深入研究，并开发了相关软件。图切剖面的计算机辅助绘制都是基于二 维地质图、地形图进行的，其基本流程( 方世明等，2 0 0 2 ) 如图卜2 2 。丁宇明， 马文田( 1 9 9 2 ) 提出了实测地质剖面计算机辅助绘图的数学模型与算法，并着重 讨论了用三次样条函数插值法建立剖面图中各种自由曲线( 如地表曲线、第四系 沉积界线等) 的数学模型。方世明等( 2 0 0 2 ) 从手工绘制图切剖面图的过程出发， 设计了计算机辅助编绘图切剖面的流程，并利用g i s 软件a r c v i e w 3 2 进行开发 实践。利用他开发的系统，只需几十秒钟计算机就能自动绘出图切剖面图，相对 于手工而言，这种效率是相当高的。同时文中指出了两个难点：岩性花纹填充和 褶皱构造的计算机辅助绘制。对此，方世明等( 2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) 进行了深入研究， 着重讨论了平行褶皱( 等厚褶皱) 和相似褶皱( 顶厚褶皱) 的计算机辅助绘制， 并采用等斜线或平行线的方式对褶皱进行岩性花纹填充；而对于常规情况，如地 质体上下边界产状相近，就直接利用a r c v i e wg i s 提供的岩性花纹直接填充，反 之相差较大时，则采用产状制导填充方法，即依据上下边界的产状变化进行填充。 虽然这些学者的研究取得了一定的成果，但仅适用构造发育相对简单的部分 的图切剖面绘制。通常，在一张地质图上，断层交互切割、褶皱来回翻转的复杂 情况比比皆是，因此还有很多的难题有待进一步研究解决。 3 浙江大学硕士学位论文 地质圈三维可视化研究与实现 纸质地质图纸质地形图 c f 一一墅弋圣( 字化 = l 数字化 断 地 地 产 层 质物状 构 体 标标 矢量地形图 造 图注注 线 层图图 广 - 。一 - 。一 - 。一 上 地质底图 上 选择适当图切剖面线 上 。舍。 i 颜色填充ii 花纹填充l 是禽否否是 1 人工修编l l 最后整饰i 上 if 7 l 刊叫钢出1 图1 - 2 - 2 地质图图切剖面的计算机辅助编绘基本流程图 1 3 论文创新 本文的创新之处有以下几点： 1 、提出了基于分块四叉树的多分辨率模型。 2 、提出了三维地质图基础上的图切剖面图绘制模型。 3 、利用基于局部空间变换的直线段求交算法与栅格辅助算法来改进图切剖 面中的求交过程，提高了求交速度。 4 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 1 4 本文的内容安捧与组织结构 本文共分七章，各章的内容和组织如下： 第一章绪论。主要介绍了地质图三维可视化的研究背景和意义、研究现状、 论文的创新点及组织结构。 第二章基于分块四叉树的多分辨率模型。首先简单介绍了数字地面模型、 数字高程模型及其两种表示模型，接着阐述了三维真实感地形生成的一般过程， 然后介绍了多分辨率表示技术的概念及两种多分辨率模型，最后详细介绍了作者 提出的基于分块四叉树的多分辨率模型。 第三章地质图线数据的求交算法。首先对矢量数据求交算法的相关研究进 行了概括，然后具体介绍了基于局部空间变换的直线段求交算法与栅格辅助算 法，最后阐述了剖面线与地质曲线求交的基本流程。 第四章地质图三维可视化。首先详细介绍了地质图三维可视化的结构及实 现过程，其中对地质图数据、地质图纹理的制作作了重点介绍；接着具体分析了 图切剖面的编绘，其中对绘制模型作了重点分析；然后介绍了地层产状的计算过 程；最后对路径设置与飞行漫游的实现作了阐述。 第五章地质图三维可视化系统设计与实现。描述了地质图三维可视化系统 3 d g e o m a p v s 的系统结构与功能。 第六章实例应用与分析。介绍了两个试验区的数据和地质概况，给出了试 验结果。 第七章结论与展望。总结了全文的研究工作，指出了需要进一步研究的问 题。 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 第二章基于分块四叉树的多分辨率模型 地形三维可视化及其实时绘制技术是指在计算机上对数字地面模型 ( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l s ) 中的地形数据实时地进行三维逼真地显示、模拟仿 真、简化和多分辨率表达等内容的一项技术。它涉及到测绘学、现代数学、计算 机三维图形学、计算几何、地理信息系统、虚拟现实、科学计算可视化等众多学 科领域( 彭仪普，2 0 0 2 ) 地形三维可视化是地质图三维可视化的基础，而数字 地面模型的生成又是g i s 和地形三维可视化的基础。 2 1 数字地面模型 数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l 简称d t m ) 是地形表面形态属性信 息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地面模型 中地形属性为高程时称为数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称d 酬) 。 它是建立数字地面模型的基础数据。由于高程是地理空间中的第三维坐标，而传 统地理信息系统的数据结构又都是二维的，所以d e m 的建立是一个必要的补充 ( 邬伦，2 0 0 1 ) 。 在地理信息系统中，d e m 最主要的表示模型是：规则格网模型、不规则三角 网模型和等高线模型( 邬伦，2 0 0 1 ；杨平，2 0 0 3 ) 。由于用等高线模型直接生成 三维地形会留有明显的等高线的台阶痕迹，使得地形不连续光滑，所以通常不采 用该模型构建三维地形，故在此不作介绍。 ( 1 ) 规则格网模型 以规则格网( 通常是正方形格网) 作为构成地形模型的基本面元。其典型结 构如图2 - 1 1 ，实际就是规则间隔的正方形格网点阵列，每个格网点与其它相邻 格网点之间的拓扑关系都己隐含在该阵列的行列号中。只要根据该区域原点坐标 和格网间距，对任意格网点的平面位置可用相应矩阵元素的行列号经过简单运算 而获得。因此，规则格网地面模型具有存储量小、结构简单、操作方便等优点， 而且由于其典型的栅格结构，很容易利用各种栅格数据压缩算法压缩存储，非常 适合于三维地形的使用和管理。但其对于复杂的地形地貌，难于用合适的网格大 小来表示，如果网格太小，会产生大量冗余数据，如果网格太大又不能准确表达 各种地形起伏特征。 6 浙江大学硕士学位论文 地质图三维可视化研究与实现 图2 1 1 规则格网d 酬 ( 2 ) 不规则三角网模型 它是将所采集的地形特征点根据一定的规则连接成覆盖整个区域且互不重 叠的许多三角形，其结构形式如图2 1 - 2 ，与g r i d 结构不同，它是一种典型的 矢量拓芥结构。它能很好的顾及地貌特征点、线，逼真的表示复杂地形的起伏特 征，并且能够克服地形起伏变化不大的地区产生冗余数据的问题。但由于t i n 结构的显式拓扑关系记录，导致其数据量大、数据结构复杂且难以建立。通常不 用于大区域地形的实时仿真和可视化，而主要适用于小范围大比例尺高精度地形 的建模和土木工程。 图2 - 卜2 不规则三角网 数字高程模型作为地球空间框架数据的基本内容和其它各种地理信息的载 体，是各种地学分析的基础数据，也是g i s 的基本内容，特别是g i s 中的三维可 视化更是离不开d e m 。 2 2 三维真实感地形生成 三维真实感地形的生成是地形可视化的重要组成部分，其目的是使三维地形 景观直观、逼真、交互地显示在计算机屏幕上。三维真实感地形的常规生成一般 包括建模、三维交换、可见面识别、光照模型、三角形面片的明暗处理和纹理映 射等基本过程( 彭仪普，2 0 0 2 ；杨平，2 0 0 3 ) 。本来这些过程的计算相当复杂， 7 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 但随着0 p e n g l 和d i r e c t 3 d 三维软件标准的建立，使得三维真实感地形的生成较 易编程实现。下面就先介绍一下0 p e n g l ，然后结合0 p e n g l 对三维真实感地形的 生成过程逐一分析 2 2 10 p e n g l 概述及其工作流程 0 p e n g l 是s g i 公司从其图形工作站的图形开发环境g l ( g r a p h i c s - l i b r a r y ) 拓展而来，目前已成为国际上通用的开放式三维图形标准。它实际上是一种图形 与硬件无关的接口，包括1 0 0 多个重要的函数，集成了所有曲面造型、图形变换、 光照、材质、纹理、像素操作、融合、反走样、雾化等复杂的计算机图形学算法 开发者可以利用这些函数来建立三维模型和进行三维实时交互 0 p e n g l 的工作流程( 廖朵朵等，1 9 9 6 ) 如图2 - 2 1 ： 图2 2 10 p e n g l t 作流程 其中几何顶点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，但在0 p e n g l 中它 们都用顶点来描述，这样运算器和逐个顶点操作就可以针对每个顶点进行。图像 数据包括像素集、影像集、位图集等，它的处理方式与几何顶点数据不同，处理 得到的结果被存储纹理存储器中。之后，两者都经过光栅化、逐个片元处理直至 把最后的光栅数据写入帧缓冲区，实现图形的显示。在0 p e n g l 中，显示列表技 术是一项重要的技术，两种数据都可以被存储在显示列表中或者立即得到处理。 2 2 2 三维真实感地形生成的一般过程 ( 1 ) 建模 这里的建模是指用一定的数学方法建立所需三维地形场景的几何描述。由于 场景的几何描述直接影响图元的复杂性和图形绘制的计算耗费，故一般都用三角 形来描述。数字高程模型( d t m ) 中的t i n 数据结构可直接进行处理，而规则格 网数据结构则须依据一定的分割方式，对其格网四边形分割成三角形面片后才能 进行。图2 - 2 2 是规则格网两种不同的分割策略，其中本文采用( a ) 。 8 浙江大学硕士学位论文 地质圈三雏可视化研究与实现 【a)(” 图2 2 - 2 规则网格的三角形分割 当然，为了增加显示地形的分辨率和画面的逼真效果，可先对原始地形数据 格网进行递归细分得到子格网，然后再对全体格网( 包括子格网) 进行上述三角 形面片分割来建模。图2 - 2 3 就是通过这种方式得到的多分辨率地形。 图2 - 2 - 3 基于分块四叉树多分辨率模型的三维地形表达 ( 红沟子北部地区，线框图) 三角形面片的明亮程度除取决于光源和明暗处理方式外，还受到点法向量的 影响。如图2 2 - 4 所示，作者先计算点周围四个三角面的的法向量，然后求取这 些法向量的均值，作为该点的法向量。 图2 2 - 4 点法向量的计算示意图 ( 2 ) 三维变换 三维地形模型是在世界坐标系中建立的，但在计算机屏幕上所显示的景观画 面是在给定视点和视线方向下，三维地形场景投影到垂直于视线方向的二维成像 平面( 屏幕) 上而形成的。将几何对象的三维坐标转换到其在屏幕上对应的像素 9 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 位置，需要进行一系列坐标变换，一般统称为三维图形变换( 廖朵朵等，1 9 9 6 ； 乔林等，2 0 0 0 ；邓郑祥，2 0 0 5 ) 。它是平移、旋转、缩放和投影等变换的组合。 这里涉及至0 三个坐标系，即世界坐标系、视点坐标系和屏幕坐标系。世界坐 标系到视点坐标系的变换，在o p e n g l 中，可通过几何交换函数g l t r a n s l a t e f ( ) ( 平移) 、g l r o t a t e f ( ) ( 旋转) 和g l s c a t e f ( ) ( 缩放) 来实现；而视点坐标 系到屏幕坐标系的变换则通过投影变换g l f r u s t u m ( ) 和视口变换g l v i e w p o r t ( ) 实现。 ( 3 ) 可见面识别 可见面识别包含了消隐处理和可见性铡试两个过程。通过消隐处理确保不可 见或被遮挡部分被屏蔽，通过可见性测试省去相当部分非可见面元的计算和绘 图。 o p e n g l 中，消隐处理采用深度缓冲方法( 廖朵朵等，1 9 9 6 ；乔林等，2 0 0 0 ； 邓郑祥，2 0 0 5 ) ，通过深度缓冲和深度测试来实现。绘图时，深度与每个像素相 关联，检查深度缓冲，看前面绘制的顶点是否掩盖了当前顶点。如果当前顶点被 掩盖了，就不再绘出。使用g l e n a b l e ( g l d e p t h j e s t ) 激活深度测试，在绘制 场景之前，用命令g l c l e a r ( ) 清理深度缓冲。 可见性测试分为背面剔除和视景体裁剪( 廖朵朵等，1 9 9 6 ；乔林等，2 0 0 0 ； 邓郑祥，2 0 0 5 ) 。背面剔除先用g l f r o n t f a c e ( g l e n u mm o d e ) 函数指定地表模 型的正面，然后用g l c u l l f a c e ( g l e n u mm o d e ) 函数指定剔除背面的多边形，最 后通过g l e n a b l e ( g l _ c u l l _ f a c e ) 函数启用剔除功能，从而使得背面多边形免 于光照计算和绘制。图争z - 5 显示了双面绘制的三维地形，若启用背面剔除功能， 就只绘制实际需要的地形正面。而视景体裁剪则已包含在投影变换g l f r u s t u m ( ) 函数中 反面正面 图2 - 2 5 双面绘制的三维地形( 红沟子北部地区) ( 4 ) 光照模型 经光照模型计算可获得可见面元二维影像的明暗值，从而显示成模型的浓淡 渲染图。光照模型本较复杂，但o p e n g l 采用的是简单光照模型( 廖朵朵等，1 9 9 6 ； l o 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 乔林等，2 0 0 0 ；邓郑祥，2 0 0 5 ) ，它将光分为辐射光、环境光、漫反射光和镜面 反射光四个独立部分，实际应用时先计算每个部分，然后迭加在一起形成最后的 效果。设置光照模型，首先要创建光源即用g l l i g h t ( ) 定义光源和设置光源的 特性，如颜色、位置、方向等；其次用g l l i g h t m o d e l ( ) 设置光照模型参数， 最后使用g l e n a b l e ( g l _ l i g h t i n g ) 启动光源；这样，即可得到地形整体的光 照效果( 图2 - 2 - 6 ) 图2 2 _ 6 基于分块四叉树多分辨率模型的三维地形表达 ( 红沟子北部地区，光照效果图) ( 5 ) 三角形面片的明暗处理 通过点的着色来实现三角形面片的着色，这一过程就称为三角形面片的明暗 处理。o p e n g l 提供了相应的函数g l s h a d e m o d e l ( g l e n u mm o d e )( 廖朵朵等， 1 9 9 6 ：乔林等，2 0 0 0 ；邓郑祥，2 0 0 5 ) 。该函数定义了两种着色模式：单一着色 和光滑着色。单一着色指一个图元所有点的颜色均相同；光滑着色指对一个图元 的不同点的颜色单独计算，图元边上点的颜色由决定这条边的顶点的颜色插值得 到，而其内部点的颜色则由边点颜色插值得来。图2 2 7 显示了两种着色模式下 绘制的三维地形，很明显，本文将采用光滑着色模式。 浙江大学硕 学但论文地质图三维町视化研究与实现 单一着色 光滑着色 图2 - 2 7 不同着色模式下的三维地形( 红沟子北部地区) ( 6 ) 纹理影射 对地形模型而言，可将遥感影像、航空相片、地质图等作为纹理贴到三维空 问模型上，以使地形具有更加丰富的信息和真实感( 图2 2 8 ) 。用o p e n g l 函数 进行纹理映射的基本步骤( 廖朵朵等，1 9 9 6 ：乔林等，2 0 0 0 ；邓郑祥，2 0 0 5 ) 为： 1 ) 定义纹理：用g l t e x i m a g e 2 d ( ) 函数说明所映射的纹理内容。 2 ) 纹理控制：用g l t e x p a r a m e t e r ( ) 函数说明纹理以何种方式映射到三维 模型表面上。 3 ) 纹理的映射方式：在纹理映射过程中既可以用纹理图像中的值来替代或 调整三维模型原来的颜色，又可以将两者进行融合，其调用函数为g l t e x e n v ( ) 。 4 ) 定义三维地形模型顶点的纹理坐标与空问几何坐标，绘制场景。几何坐 标决定了顶点在三维空问的位置，而纹理坐标决定纹理图像中哪一个纹理单元赋 予该顶点，其调用函数为g l t e x c o o r d ( ) 。 图2 2 8 基于分块四叉树多分辨率模型的三维地形表达 ( 凌家桥两部地区，遥感影像纹理映射图) 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 2 3 地形的多分辨率表达 地形的多分辨率表达是地形可视化的重要内容。三角形是计算机图形绘制的 基元，目前，尽管许多高档图形工作站已能对上万个三角形进行实时绘制，但地 形数据异常宠大，例如在进行飞行模拟时，要穿越一个宽约2 0k m ，长约2 0 0k m 的带状地形，按2 5m 的网格计算，就是8 0 0 x 8 0 0 0 个格网节点，需1 2 8 x1 0 个三角形，大大超过了一般图形工作站的实时绘制和内存管理能力。因而模型简 化技术、多分辨率表示( m u l t i r e s o l u t i o nr e p r e s e n t a t i o n ) 或细节层次l o d ( l e v e lo fd e t a i l ) 技术成为近年研究的热点。 所谓多分辨率模型简化技术( 也称l o d 技术，即细节层次技术) 是通过软件 和算法技术，对地形表面和纹理等进行多分辨率的分析和造型，根据人眼观察景 物的特点和地形复杂程度，选择视野范围内相应的分辨率地形区域，从而尽量减 少三角形的数量，降低内存空间消耗，使得在给定视点下获得的图像效果与最精 确的模型画出的效果完全相同或差距在给定范围内，从而大大提高绘制效率，实 现地形的动态显示和交互式可视化( 彭仪普，2 0 0 2 ) 。 多分辨率模型，则是指多分辨率表示的数据模型，它是多分辨率地形数据在 计算机内的组织形式。目前，多分辨率模型主要分为两种：基于三角形剖分的层 次模型( 适用于不规则三角网) 和基于树数据结构的层次模型( 适用于规则格网) ( 王永明，2 0 0 0 ) ( 1 ) 基于三角形剖分的层次模型 d ef l o r i a n i ( 1 9 8 4 ) 首先提出了用层次结构来描述地形，并采用一分三 ( t e r n a r y ) 的办法来分割和建立层次三角形模型，但是该方法会不可避免地产 生细长的三角形，使地形的拟合精度下降。因此，s c a r l a t o r 和p a v l i d i s ( 1 9 9 2 ) 又提出了用自适应层次三角形方法来建立层次三角形模型，它是将一个三角形的 分裂分为5 种情况，从而避免了部分三角形变长，但仍没有彻底解决这个问题。 在层次d e l a u n a y 和金字塔三角形模型( d ef l o r i a n i ，1 9 8 9 ) 中，是通过 d e l a u n a y - - - 角形来维护每个层次上的三角形的。由于d e l a u n a y 三角形的数学性 质，使得d e l a u n a y = 角形可以避免细长三角形的出现，提高了地形拟合的精度。 但也应该看到，在二维平面里的三角形优化并不等于在三维空间里的三角形也是 优化的，数据相关三角形模型则( r i p p a ，1 9 9 2 ) 是将地形的z 值考虑进去，并按 l a w s o nl o p 准则( l a w s o n ，1 9 7 7 ) 进行三角形的优化，这样既可以有效地避免狭 长三角形的出现，又考虑了地形的三维空间优化，这是目前采用的三角形层次模 型中比较好的一种方法。 ( 2 ) 基于树数据结构的层次模型 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 在基于树数据结构的层次模型中，四叉树模型( s a m e t ，1 9 8 4 ；彭仪普等， 2 0 0 2 ：谭兵等，2 0 0 3 ) 是一种很著名的数据结构，而四叉树划分( 王永明，2 0 0 0 ) 就是通过递归的方法将一个矩形区域不断地进行一分四的划分，直到某一种条件 得到满足为止。这种四叉树划分( 图2 - 3 - i ) 是一种由顶向下的方法。如果用占表 示四叉树划分的误差阈值，e ( q ，) 为矩形区域叮，与地形的最大误差，那么，四叉 树的划分通常可以分为以下三步： 1 ) 用原始地形区域的四个角点和四条边的中点进行一分四的划分，并将这 一划分送到四叉树的根节点作为四叉树的初始化。 2 ) 在后续各步中，对每个矩形区域g ，如果满足e ( q ，) 占，那么，g ，则继 续通过插入矩形区域的中点和四条边的中点进行递归划分。 3 ) 当所有矩形区域都满足e ( 吼) 占时，则划分被停止 l lfl lll li 广广 一 li 图2 3 - l 殴叉树三层划分示意图 但是，四叉树划分模型存在两个问题：一是用四叉树划分的地形节点数必须 是2 ”，即节点的数量必须是2 的整数次方；二是由于每个被四分的矩形区域大小 都不一样，因此在矩形块与矩形块交界处会出现地形表面的不连续，这在地形显 示时，会出现“裂缝”第一个问题可以通过重新增加或减少地形的格网来避免； 对于第二个问题，国内外许多学者提出了基于四叉树的裂缝消除方法( y o ne t a 1 ，1 9 8 7 ；l i n d s t r o me ta 1 ，1 9 9 6 ：王宏武等，2 0 0 0 ；谭兵等，2 0 0 3 ；陈少 强等，2 0 0 5 ) 。另外，针对四叉树划分模型的不足，d u c h a i n e a u y 等( 1 9 9 7 ) 提出 了采用直角三角形剖分地形的方法即r o a m ( r e a l t i m eo p t i m a l l ya d a p t i n g m e s h e s ) 算法，该方法通过生成一个二叉树的数据结构来建立三角形层次网格。 实际上，四叉树划分地形的方法和二叉树划分地形的方法都是一种基于层次 模型的划分，当给定某一精度要求时，即可通过遍历四叉树和二叉树来生成地形 的表面，并与基于三角形剖分的层次模型显示一样，通常根据视点到地形的距离 来选择某一层次中的三角形集合。 在多分辨率模型的应用中，有一个难以克服的问题：在不同分辨率地形模型 1 4 浙江大学硕士学位论文 地质图三维可视化研究与实现 之间切换时会出现。跳动”现象，在视觉上造成了模型变换的不连续。h o p p e ( 1 9 9 8 ) 提出使用形态学变形的方法来实现不同分辨率地形模型之间的切换。 虽然计算机硬件有了很大的发展，但是仍无法满足海量地形数据的三维可视 化及漫游的需求。于是，地形数据分块及视相关动态调度机制被引入到多分辨率 模型中，出现了一些适合海量地形的绘制算法( 李惠等，2 0 0 4 ；马照亭等，2 0 0 4 ； 吴金钟等，2 0 0 5 ) 。 从地形多分辨率表示技术的发展来看，最先开发的且目前该领域研究最多的 还是基于树数据结构的层次模型，而且它的应用远比基于三角剖分的层次模型 广。 2 4 基于分块四叉树的多分辨率模型 当前，若不涉及多分辨率表示的地形模型根本无法实现大区域地形的实时可 视化。四叉树模型，由于其简单和易扩展性得到了广泛的研究应用。本文作者从 g i s 角度出发，在l i n d s t r o m 等( 1 9 9 6 ) 的高度场实时连续细节层次绘制算法的 基础上扩展改进，开发了效率更高、适用范围更广的基于分块四叉树的多分辨率 模型。算法以多棵四叉树或四叉树森林的形式来组织格网高度场数据，打破了整 个格网高度场宽度和高度必须满足2 ”+ l 的限制，从而扩大了适用范围。另外， 作者一方面采用观察空间误差判断准则( 彭仪普等，2 0 0 2 ) 来代替原算法中的屏 幕空间误差判断准则进行误差测试，另一方面利用递归激活的方法来消除裂缝， 从而进一步提高了算法的执行效率和地形绘制显示的速度。 算法思想大致如下：在预处理阶段，对格网高度场数据按一定的机制进行形 式上的分块，并建立各块的四叉树；当绘制一帧时，首先激活部分或全部位于视 景体内的块的四叉树，接着遍历激活的四叉树，并通过基于块的简化过程选择( 激 活) 不同细节层次的四叉树结点，然后依据观察空间误差判断准则对每个激活的 四叉树结点进行更深的基于顶点的简化，最后将每个激活的四叉树结点块组织成 三角形扇形形式进行绘制，从而生成连续的多分辨率地形。 2 4 1 四叉树结构 规则格网模型与四叉树结构具有天然的一致性，因此可以用四叉树结构对其 进行表示，树中的每一个结点都覆盖地形中的一块相应的矩形区域，同时上一层 结点的分辨率低于下一层结点，其中叶结点分辨率最高，根结点分辨率最低。 浙江大学硕士学位论文地质图三维可视化研究与实现 口角点o 边点中心点 。子结点的边点子结点的中心点 图2 4 1 四叉树结点结构示意图 四叉树结点结构如图2 - 4 - 1 ，图中有结点的顶点( 角点、边点、中心点) 以 及它的一个子结点，其中结点中的边点与中心点也是其子结点的角点。下面对算 法中使用的四叉树结构源码作一介绍： ( 1 ) 顶点坐标数据结构 s t r u c tv e r t i n f o i n th a n g ；该顶点在格网高度数据场d a t a h e i g h t w i d t h 中的行坐标( 高 度坐标) i n tl i e ；该顶点在格网高度数据场d a t a h e i g h t w i d t h 中的列坐标( 宽 度坐标) ) 。 ( 2 ) 四叉树结点数据结构 s t r u c tq u a d s q u a r e q u a d s q u a r e * c h i l d 4 ：四个子结点 q u a d s q u a r e * p a r e n t ：父结点 q u a d s q u a r e * n o d e 2 ；与该结点块相邻的两个非兄弟结点 y e r t i n f ov e r t ：左下角点坐标，它与i n t e r v a l 一起用于取得结点各顶点 的高程值 1 6 浙江大学硕士学位论文 地质图三维可视化研究与实现 i n ti n t e r v a l ：相邻的角点与边点之间的行间隔或列间隔 f l o a tm a x z ，m i n z ，m a x e r r o r ；结点中的最大、最小高程及最大顶点近似 误差，用于包围