（信号与信息处理专业论文）三维数字地形动态调度及修改技术.pdf

西北工业大学硕士论文 摘 要 摘要 飞行器的多媒体仿真研究、开发和应用是目 前军队装备发展和建设中的一个 重要领域。 作为飞 行器研制及性能 评估的 重要环节和组成部分， 三维数字地形的 多媒体仿真必不可少。 本研究面向 工程应用， 运用了计算机的 虚拟现实技术对三 维地理信息系统提供的真实三维地形数据加以处理，在虚拟飞行环境下实现了 对 真实地形的 模拟再现， 并将其充分运用到相应的飞行模拟系统中。 本论文主要研 究工作及所取得的研究成果有: i l l 了 解了 流行的 三维数字地图的内 涵，以 及它在资源管理、 教育、 军事 等方面的应用，着重探讨了三维g i s 与虚拟现实技术的结合; z 掌 握了 数 字高 程 模型d e m . d e d 等 数据的 结 构， 实 现三维 数字 地 形的 模型编码表示方法研究，建立三维数字地形模型的合理的数据结构; 3 l 使用v i s u a l c + + 语言及o p e n g l 编程， 实 现了 对三维 地形数据d e m的 读取和仿真再现， 使我们可以直接利用地形测绘行业通用的地形数据标准; 4 l 综 合运用了l o d , m ip p m a p p i n g ， 地形 分割等技术手段，以 及 对场景数 据库的管理进行相应的优化，实现了对飞行模拟用的大地形的动态调度; 5 l 基于真实的 地形高 程数据， 通过对相 应的 地形数据库进行修改， 实 现 了地形的动态修改; 6 l 实现虚拟三维数字地景系统的开发; 本文的研究主要运用计算机虚拟现实技术来处理三维地理信息系统中所采 集的三维地形数据信息， 实现了真实地形的再现， 解决了一系列相关的技术问 题。 将三维地理信息系统和虚拟现实技术有机的结合为一体，为飞行模拟系统的 研究 提供了更为可靠的理论数据。 关键字:三维地形 飞行模拟 g i s虚拟现实 d e m o p e n g l 西北工业大学硕士论文 abs t rac t abs t ract t h e s t u d y , a p p l i c a t i o n a n d e x p l o i t a t i o n o f m u l t i m e d i a fl i g h t s i m u l a t i o n s y s t e m a r e im p o r t a n t t a s k f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d p r o d u c t i o n o f m i l i t a ry e q u i p m e n t s a t p re s e n t . a s a n im p o rt a n t p a rt , th e m u l t im e d i a s i m u la t i o n o f 3 d d i g i t a l t e rr a i n m u s t b e d o n e . c o n n e c t io n t o t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n , b y u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f t h e v i r tu a l r e a l i t y t o d e a l w i t h t h e d a t a w h i c h c a m e f ro m t h e g i s , t h e a i r c r a ft m u l t i m e d i a f l i g h t s i m u l a t i o n s y s t e m h a s b e e n s i m u l a t e d w h i c h s i m u l a t e t h e r e a l 3 - d d i g i t a l t e r r a i n a n d u s e t h e r e s u l t t o t h e f l i g h t s i m u l a t i o n s y s t e m . t h e ma i n r e s u l t s a n d a c h i e v e me n t s a re a s f o l l o w s : 1 ) w e c a n r e a l i z e t h e c o n t e n t o f t h e m o re p o p 3 - d d i g i t a l m a p t o d a y , r e a l i z e h o w t o u s e i t i n r e s o u r c e m a n a g e r , e d u c a t i o n , m i l i t a r y a f f a i r s a n d s o o n . 玩t h i s p a p e r , w e e m p h a s i z e h o w t o c o m b i n e t h e 3 - d g i s a n d t h e t e c h n o l o g i e s o f v i s u a l r e a l i t y . 2 ) w e k n o w t h e d a t a s tr u c t u r e o f t h e d i g i t a l e l e v a t i o n m o d e l s u c h a s d e m a n d d e d , a c h i e v e t h e m e t h o d o f t h e re s e a r c h o n c o d i n g t o t h e m o d e l o f t h e 3 - d d i g i t a l t e r r a in a n d a l s o f o u n d a l o g i c a l s tr u c t u r e a b o u t t h e 3 - d d i g i t a l t e r r a i n ; 3 ) p ro g r a m m i n g b y v i s u a l c + + a n d o p e n g l , w e re a l i z e t o r e a d t h e d a t a o f d e m a n d u s e t h e m t o r e b u i l d a r e a l d i g i t a l t e r r a i n . b y t h i s w a y , w e c a n u s e t h e s t a n d a r d d a t a o f t e r r a i n i n t h e t e r r a i n m a p p i n g i n d u s t ry ; 4 ) b y u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f l o d , m i p m a p p i n g , t e r r a i n d i v i s i o n e t c a n d a l s o o p t i m i z i n g t h e m a n a g e o f t h e s c e n e d a ta - b a s e , w e c a n d y n a m i c a l l y a t t e m p e r a b i g t e r r a i n w h i c h u s e d i n t h e fl i g h t s i m u l a t i o n ; 5 ) b a s e o n t h e e l e v a t i o n d a t a o f re a l t e r r a in , b y a m e n t h e s c e n e d a ta - b a s e , w e c a n d y n a m i c a l l y a m e n d t h e t e r r a i n ; 6 ) w o r k o u t t h e v is u a l 3 - d d ig i ta l te r r a in s im u la t i o n s y s t e m ; t h e i n v e s t i g a t i o n i n t h i s p a p e r p ro d u c e t h e i n f o r m a t i o n o f 3 - d t e r r a i n d a t a i n t h e 3 - d g i s b y u s in g t h e t e c h n o l o g y i n v i s u a l r e a l i t y , r e b u i l d t h e r e a l t e r r a i n . a s e r i e s o f t e c h n i c a l p r o b l e m i s s o l v e d . t h e c o m b i n e s o f g i s a n d v i r t u a l re a l i t y h a v e s u p p l y a m o r e t r u s t y t h e o ry f o r t h e r e s e a r c h o f t h e fl i g h t s i m u l a t i o n s y s t e m . k e y wo r d s : 3 - d d i g i t a l t e r r a i n , f l i g h t s i m u l a t i o n , g i s , v i s u a l r e a l it y , d e m, o p e n g l 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 第一章 绪 论 1 . 1地形仿真技术的国内外研究现状 地形是自 然界中最复杂的景物之一，是地理信息系统 ( g e o g r a p h i c i n f o r m a ti o n s y s t e m , g i s ) 运 用和 研 究 领 域的 一 个 重 要 方 面， 3 d 地形 模型 是 许 多应用领域迫切需要的，也己被广泛运用于各个方面。因此三维真实感地形的 绘制一直是国内 外计算机图 形学领域关注的 热点。 地形可视化的概念，也是在 2 0 世纪6 0 年代以 后随着地理信息系统的出 现而逐渐形成的。随着计算机软硬 件等技术的发展，加上科技人员的不断努力， 现在通过三维地形显示或三维地 图提供真实感的地面图形，帮助用户在更自 然、现实化的环境下以获取更多的 信息， 己 经取得一定成果。 这种三维地形或地图可视化程度高， 具有基本的g i s 功能，可以多角度观察、查询、检索，空间分析也较容易。 美国己 完成了1 : 2 0 0 万全要素地形数据库，1 : 1 0 万地形数据库和 1 : 2 5 万 土地利用数据库; 正在建立全国1 : 2 . 4 万地形数据库和 1 : 2 万正射影像数据库。 人们在进行信息查询时，除了可以 使用人口、农业、工业、第三产业等社会经 济调查统计数据外， 还可以使用地形、 地貌、 行政界线、 地下管线、 土地、 水、 气候、灾害、矿藏等地理空间数据资料。加拿大、西欧、澳大利亚、日 本、新 加坡、 伊朗等也纷纷推出了各自 的建设计划，业己取得了重要进展。 在我国， 国家测绘局经过十多年的不懈能力，已 经建成了 全国 1 : 1 0 0 万和 1 : 2 5万地形、地名数据库和数字高程模型( d e m ) ，是我国法定的国家空间数据 框架的重要内容。成立我国国家空间数据( n s d i ) 协调委员会，统筹协调和管理 空间数据基础设施的建设。以国家空间数据基础设施建设为主要任务的 “ 金 图”工程己列入我国国民经济信息化基础设施建设的重大信息工程。 近年来， 随着虚拟现实技术的迅速发展， 地形仿真技术也不断的发展起来。 将计算机可视化技术与现有的三维地理信息系统相结合，我们可以 充分的实现 真实地形的可视化。迄今为止，目 前国际国内 与三维g i s 相关的系统大多集中 在三维可视化方面，如e v s , v l s 5 d , v o x e l ，医学可视化及各种c a d软件 等， 也 有一 些 三维 系 统 部 分实 现 三 维g i s 的 功 能， 比 较出 名的 软 件 有: l y n x , i v m, g o c a d, i i e ms , s g m等。 三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域己 有很多成功的应用。 三维g i s 与二维g i s的一个重要不同就是在于它有一个三维对象的视觉表现问 题， 这也是它的一个基本要求，现在成熟的科学计算可视化技术己经为这一要 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 第一章 绪 论 1 . 1地形仿真技术的国内外研究现状 地形是自 然界中最复杂的景物之一，是地理信息系统 ( g e o g r a p h i c i n f o r m a ti o n s y s t e m , g i s ) 运 用和 研 究 领 域的 一 个 重 要 方 面， 3 d 地形 模型 是 许 多应用领域迫切需要的，也己被广泛运用于各个方面。因此三维真实感地形的 绘制一直是国内 外计算机图 形学领域关注的 热点。 地形可视化的概念，也是在 2 0 世纪6 0 年代以 后随着地理信息系统的出 现而逐渐形成的。随着计算机软硬 件等技术的发展，加上科技人员的不断努力， 现在通过三维地形显示或三维地 图提供真实感的地面图形，帮助用户在更自 然、现实化的环境下以获取更多的 信息， 己 经取得一定成果。 这种三维地形或地图可视化程度高， 具有基本的g i s 功能，可以多角度观察、查询、检索，空间分析也较容易。 美国己 完成了1 : 2 0 0 万全要素地形数据库，1 : 1 0 万地形数据库和 1 : 2 5 万 土地利用数据库; 正在建立全国1 : 2 . 4 万地形数据库和 1 : 2 万正射影像数据库。 人们在进行信息查询时，除了可以 使用人口、农业、工业、第三产业等社会经 济调查统计数据外， 还可以使用地形、 地貌、 行政界线、 地下管线、 土地、 水、 气候、灾害、矿藏等地理空间数据资料。加拿大、西欧、澳大利亚、日 本、新 加坡、 伊朗等也纷纷推出了各自 的建设计划，业己取得了重要进展。 在我国， 国家测绘局经过十多年的不懈能力，已 经建成了 全国 1 : 1 0 0 万和 1 : 2 5万地形、地名数据库和数字高程模型( d e m ) ，是我国法定的国家空间数据 框架的重要内容。成立我国国家空间数据( n s d i ) 协调委员会，统筹协调和管理 空间数据基础设施的建设。以国家空间数据基础设施建设为主要任务的 “ 金 图”工程己列入我国国民经济信息化基础设施建设的重大信息工程。 近年来， 随着虚拟现实技术的迅速发展， 地形仿真技术也不断的发展起来。 将计算机可视化技术与现有的三维地理信息系统相结合，我们可以 充分的实现 真实地形的可视化。迄今为止，目 前国际国内 与三维g i s 相关的系统大多集中 在三维可视化方面，如e v s , v l s 5 d , v o x e l ，医学可视化及各种c a d软件 等， 也 有一 些 三维 系 统 部 分实 现 三 维g i s 的 功 能， 比 较出 名的 软 件 有: l y n x , i v m, g o c a d, i i e ms , s g m等。 三维可视化技术在生物、医学、地质、大气等领域己 有很多成功的应用。 三维g i s 与二维g i s的一个重要不同就是在于它有一个三维对象的视觉表现问 题， 这也是它的一个基本要求，现在成熟的科学计算可视化技术己经为这一要 西北工业火学硕士论文 第一章 绪论 求打下了较为坚实的理论技术基础。三维g i s 工作者要做的是要对各种地学对 象的本质特征进行分析，找出它们与其它领域对象的不同点，进行合适的概念 建模，利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。 随着计算机整体技术的飞速发展，视景地形仿真的应用也越来越广，尤其 在现代新型武器的研究和军事对抗等领域， 环境仿真研究是其中不可缺少的部 分。 视景地形仿真可以根据数据库中不同 地形的数据建立不同的地形环境模型， 使环境对对抗双方的影响可以 得到更真实的体现: 同时， 由于人机交互的需要， 在我们提供的仿真环境中要充分体现对抗双方的行为对环境的影响，也就是要 求能够根据具体的交互情况实时对数据库进行动态修改，并且要求能同时在我 们仿真的环境中得到体现。 1 .2地形仿真技术的发展和应用 我们研究地形仿真技术的发展，首先要了解地理信息系统的发展过程。地 理信息系统，是随着地理科学、 计算机技术、 遥感技术和信息科学的发展而发 展起来的一个学科。 在计算机发展史上， 在计算机发展史上， 计算机辅助设计 技术 ( c a d )的出 现使人们可以 用计算机处理像图 形这样的数据，图形数据的 标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关 系。用计算机把这些数据管理起来，就成为一个简单的地理信息系统的雏形。 在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、 非常复杂的数据，可能有几 万个多 边形，几万条线， 上万个点， 还要计算和管理它们之间的各种复杂的空 间 关系。地理信息系统， 就是可以 对空间数据进行组织、 管理、分析、 显 示的系统，它由计算机、 地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图 形用户界面及系统人员组成。 二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的计算机制图，今天已深入到社 会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以 及城市规划等。 但二维g i s 存在着自 身难以克服的 缺陷， 本质上是基于抽象符 号的系统，不能给人以自 然界的本原感受。随着应用的深入，第三维的高程信 息显得越来越重要。一些二维g i s 和图 象处理系统现在已 经处理高程信息， 但 它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只是将其作为附 属的属性变量对 待， 能够表达出表面起伏的地形， 但地形下面的信息却不具有，因此它们在国 际国内 也被俗称为2 .5 维的系统。 考虑到2 . 5 维这一概念并不严密， 我们称之为 “ 地形面三维”或简称为面三维。 面三维的g i s 本质上仍然是二维g i s 系统。 地形面三维的表达将z值投影到一个模型上，显示时x , y , z三个轴均 西北工业火学硕士论文 第一章 绪论 求打下了较为坚实的理论技术基础。三维g i s 工作者要做的是要对各种地学对 象的本质特征进行分析，找出它们与其它领域对象的不同点，进行合适的概念 建模，利用相应的三维可视化技术对之进行视觉表现。 随着计算机整体技术的飞速发展，视景地形仿真的应用也越来越广，尤其 在现代新型武器的研究和军事对抗等领域， 环境仿真研究是其中不可缺少的部 分。 视景地形仿真可以根据数据库中不同 地形的数据建立不同的地形环境模型， 使环境对对抗双方的影响可以 得到更真实的体现: 同时， 由于人机交互的需要， 在我们提供的仿真环境中要充分体现对抗双方的行为对环境的影响，也就是要 求能够根据具体的交互情况实时对数据库进行动态修改，并且要求能同时在我 们仿真的环境中得到体现。 1 .2地形仿真技术的发展和应用 我们研究地形仿真技术的发展，首先要了解地理信息系统的发展过程。地 理信息系统，是随着地理科学、 计算机技术、 遥感技术和信息科学的发展而发 展起来的一个学科。 在计算机发展史上， 在计算机发展史上， 计算机辅助设计 技术 ( c a d )的出 现使人们可以 用计算机处理像图 形这样的数据，图形数据的 标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关 系。用计算机把这些数据管理起来，就成为一个简单的地理信息系统的雏形。 在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、 非常复杂的数据，可能有几 万个多 边形，几万条线， 上万个点， 还要计算和管理它们之间的各种复杂的空 间 关系。地理信息系统， 就是可以 对空间数据进行组织、 管理、分析、 显 示的系统，它由计算机、 地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图 形用户界面及系统人员组成。 二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的计算机制图，今天已深入到社 会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以 及城市规划等。 但二维g i s 存在着自 身难以克服的 缺陷， 本质上是基于抽象符 号的系统，不能给人以自 然界的本原感受。随着应用的深入，第三维的高程信 息显得越来越重要。一些二维g i s 和图 象处理系统现在已 经处理高程信息， 但 它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只是将其作为附 属的属性变量对 待， 能够表达出表面起伏的地形， 但地形下面的信息却不具有，因此它们在国 际国内 也被俗称为2 .5 维的系统。 考虑到2 . 5 维这一概念并不严密， 我们称之为 “ 地形面三维”或简称为面三维。 面三维的g i s 本质上仍然是二维g i s 系统。 地形面三维的表达将z值投影到一个模型上，显示时x , y , z三个轴均 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 被显示，其模仿人类从某点观察的视觉，使三维对象看起来像真正的三维对象 一样。但是面三维技术有两个明显的缺点: 个 它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息; 令 虽然它能表现临近的多个表面，但对于表面交叉的情况，则难以进行 交叉表达和管理。 只有将这类现象置于真正的三维空间中考虑，才能灵活高效地处理各种三 维问 题，如三维内部属性和拓扑关系，三维空间索引和管理等。这是三维空间 表达与二维 g i s 、地形面三维表达的本质区别之一。 三维 g i s 是布满整个三维空间的g i s ， 与传统的基于平面的二维g i s或2 .5 维g i s 明 显不同， 尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方 向上。三维g i s 加上时间维的处理即为四维g i s 。 在三维g i s中，空间目 标通 过x , y , z 三个坐标轴来定义， 它与二维g i s 冲定义在二维平面上的目 标具有 完全不同的性质。在目 前二维g i s中已 经存在的0 , 1 , 2 维空间要素必须进行 三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素来表示体目 标。空 间目 标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维 g i s ，其复杂程度更高。 二维g i s 对于平面空间的有限一 互斥一 完整划分是基于面的划分，三维 g i s 对于 三维空间的有限 一 互斥一 完整划分则是基于体的 划分，因而， 三维 g i s的可视表 现也比二维g i s 复杂得多， 以 至于出 现了 专门的三维可视化理论、 算法和系统。 总起来说，与二维g i s 相比， 三维g i s 对客观世界的表达能给人以 更真实 的 感受， 它以 立体造型技术给用户展现地理空间现象， 不仅能够表达空间对象 的平面关系，而且能描述和表达他们之间垂向关系:另外对空间对象进行三维 空间分析和操作也是三维g i s 特有的功能.而与c a d及各种科学计算可视化 软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间 数据库是三维g i s 的核心， 三维空间分析能力是其独有的能力。 三维g i s对 客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空 间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的 垂向 关系:另外对空间 对象进行三维空间分析和操作也是三维 g i s特有的功 能。它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力， 今天已深入到社 会的各行各业中，如土地管理、电力、电 信、城市管网、水利、消防、交通以 及城市规划等 随着 g i s 应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问 题。在 应用要求较为强烈的部门 如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部 分功能的三维g i s ， 如加拿大l y n x g e o s y s t e m s 公司的l y n x软件。 三维g i s 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 已经日益成为人们关心的领域。但由于它们一般是针对自己的领域开发的，没 有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通过平台进行设计，因此具有较强 的局限性(3 8 虚 拟现实 技术 ( v i rt u a l r e a l i t y ) ， 又 称灵境技术。 这一 概念由 美国 人j a r o n l a n i e r 在 1 9 8 9 年提出。 虚拟现实是由计算机生成的， 具有临场感觉的环境， 它 是一种全新的交互系统。 虚拟现实能对介入者一人产生各种感官刺激， 如视觉、 听觉、 触觉、嗅觉等， 给人以 一种身临其境的 感觉，同时，人能以自 然的方式 与虚拟现实系统通过向计算机系统输入各种感觉 ( 如视觉、 听觉、 触觉和感情) 是参与者产生身临其境的感觉。 特别的头盔 ( 或立体镜) 、手套、鞋 ( 袜子) 、 电子控制的衣服和自 动座套是参与者产生临场感。一系列身体运动跟踪设备从 用户向 计算机发送反馈，这些反馈可以 是对当 前景象的感知， 也可以 是参与者 改变方向和前进的动作。这使得用户感觉到是在控制环境或环境对用户的动作 做出反应，即现场感。因此，虚拟现实是完全的交互体验，使用户完全觉得融 合在环境中。 虚拟现实技术， 其实质是利用计算机、 传感器及相关的硬件接口 生成一个 与人交互的三维环境，而人 ( 操作者) 在这种虚拟的环境下可产生与现实一致 的身临其境的视觉、 触觉和听觉效果。同时， 通过视、听、手及身体部位的 动 作参与虚拟环境中实物的运动过程。 简单的 概括就是 “ 一种高度逼真地模拟人 在自 然环境中视、听、动等行为的 人机界面技术” 作为虚拟仿真系统的一部分的视景展示部分， 我们对地形进行视景仿真， 很大程度上吸收和借鉴了 三维g i s 领域已 经取得的大量的 成果，并充分利用三 维地理信息库中的地理信息来重现真实地形。同时，我们可以 利用三维可视化 领域取得的大量成果和技术，与其相结合， 就可以 将三维g i s 系统中的 地理数 据变为 可见的地理信息， 广泛应用到我们的虚拟现实仿真领域。 近十几年来， 由于虚拟现实技术在世界上发展很快， 对于其视景实现部分也提供了了诸如 l o d技术、 m ip m a p p in g 技 术、 地 形 单 元 分 割 法、 脱 线 预计 算以 及内 存 管理 技 术等理论和技术， 可以很好的解决在视景仿真系统中处理海量的三维地理信息 的问 题。 使我们可以 实现对真实地形的再现。 在计算机条件下， 观察者可以 在 不同高 度、不同角度下观看地形区域， 还可以 增强系统的分析功能以 便更多地 熟悉和了解地形特征和人文经济地理信息。视景地形仿真在军事上和民 用上都 有着广泛的应用 在民用上， 工程设计和道路工程设计需要在施工前模拟出地形改造前后的 景观，以 便更好地选定工程设计方案。 对土地进行开发利用时，视景地形仿真 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 的自 然地形景观，其地形表面可根据土地不同类型用不同颜色表示，十分直观 的显示出土地利用的相互关系。港口 建设时，可模拟港湾的海底地形以确定航 道。 在军事上，视景地形仿真应用十分广泛。美军用图形工作站超级计算机进 行实时动态视景地形仿真，己 用于实战和部队训练之中。 美国陆军工程兵测绘 研究所在9 0 年代初推出了一种t e r r a b a s e 软件供部队使用，能对地形进行自 动 分析和三维仿真显示， 为部队人员提供了大量的地表形态信息。 美国r p a公司 开发的军团战斗仿真系统中，视景地形仿真是十分重要的部分，它通过视景地 形仿真来模拟战场环境。该系统己 在海湾战争中 使用。 近年来，国内在进行视 景地形仿真研究和应用的单位也不少。解放军测绘学院的视景地形仿真成套设 备系统就是其中的典型代表之一t0 3 1 1 .3地形修改及动态调度技术研究的目的和意义 本论文研究的关键技术的突破和成果的 取得， 将为大大提高部队训练和武 器火力的研究水平，并为其提供必要的理论知识和基础技术。研究的成果应用 于部队模拟培训、武器对抗仿真，将有望提高我军模拟战场的现代化、数字化 和信息化。它的研制成功可为我国其它各军种训练提供必要的基础和方法。本 项目 的 研究是以空军当前飞行培训及作战的需要和提高空间作战能力为前提， 以自 主开发新型算法及图 像图形处理的新方法的研究为重点， 致力于形成三维 数字地形的跨越式发展所需的技术基础和储备。 本论文研究的内 容为三维地形动态调度及修改技术。 广泛应用于模拟仿真、 三维显示等领域的虚拟现实技术，在大场景的视景显示方面提供了许多好的算 法和思想，使优化模型显示，动态修改场景成为可能。我们将使用虚拟现实技 术及计算机图形图像技术来研究动态三维数字地形技术的问题。 目 前三维数字地形显示方面国内外虽己 做了大量的工作，但这些三维数字 地形都是己经建立完善的。在应用中我们仅可以调用这些地形数据用于反映仿 真或真实系统的真实性，但是目 前在三维数字地形所表示的大型场景动态调度 方法及场景动态修改技术方面， 在国内 外都还没有一个好的解决办法， 特别是 在作战仿真中 对地形变化的描述等，这就需要我们对三维数字地形表示方法、 数据结构、动态调度及动态修改等技术进行深入地研究。 在实际的使用中，我们通过各种技术的综合使用对比， 基本可以 满足我们 的仿真模拟系统的设计要求。 让我们在现有的计算机硬件的条件下，比 较圆 满 的在虚拟现实系统中实现了对三维数字地形动态调度和修改。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 的自 然地形景观，其地形表面可根据土地不同类型用不同颜色表示，十分直观 的显示出土地利用的相互关系。港口 建设时，可模拟港湾的海底地形以确定航 道。 在军事上，视景地形仿真应用十分广泛。美军用图形工作站超级计算机进 行实时动态视景地形仿真，己 用于实战和部队训练之中。 美国陆军工程兵测绘 研究所在9 0 年代初推出了一种t e r r a b a s e 软件供部队使用，能对地形进行自 动 分析和三维仿真显示， 为部队人员提供了大量的地表形态信息。 美国r p a公司 开发的军团战斗仿真系统中，视景地形仿真是十分重要的部分，它通过视景地 形仿真来模拟战场环境。该系统己 在海湾战争中 使用。 近年来，国内在进行视 景地形仿真研究和应用的单位也不少。解放军测绘学院的视景地形仿真成套设 备系统就是其中的典型代表之一t0 3 1 1 .3地形修改及动态调度技术研究的目的和意义 本论文研究的关键技术的突破和成果的 取得， 将为大大提高部队训练和武 器火力的研究水平，并为其提供必要的理论知识和基础技术。研究的成果应用 于部队模拟培训、武器对抗仿真，将有望提高我军模拟战场的现代化、数字化 和信息化。它的研制成功可为我国其它各军种训练提供必要的基础和方法。本 项目 的 研究是以空军当前飞行培训及作战的需要和提高空间作战能力为前提， 以自 主开发新型算法及图 像图形处理的新方法的研究为重点， 致力于形成三维 数字地形的跨越式发展所需的技术基础和储备。 本论文研究的内 容为三维地形动态调度及修改技术。 广泛应用于模拟仿真、 三维显示等领域的虚拟现实技术，在大场景的视景显示方面提供了许多好的算 法和思想，使优化模型显示，动态修改场景成为可能。我们将使用虚拟现实技 术及计算机图形图像技术来研究动态三维数字地形技术的问题。 目 前三维数字地形显示方面国内外虽己 做了大量的工作，但这些三维数字 地形都是己经建立完善的。在应用中我们仅可以调用这些地形数据用于反映仿 真或真实系统的真实性，但是目 前在三维数字地形所表示的大型场景动态调度 方法及场景动态修改技术方面， 在国内 外都还没有一个好的解决办法， 特别是 在作战仿真中 对地形变化的描述等，这就需要我们对三维数字地形表示方法、 数据结构、动态调度及动态修改等技术进行深入地研究。 在实际的使用中，我们通过各种技术的综合使用对比， 基本可以 满足我们 的仿真模拟系统的设计要求。 让我们在现有的计算机硬件的条件下，比 较圆 满 的在虚拟现实系统中实现了对三维数字地形动态调度和修改。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 如果我们在现有的基础上进行编程代码以及算法的优化，可以进一步的完 善现有的虚拟现实系统的视景显示部分，使我们的视景仿真模拟达到更好的效 果。 另外， 在现有理论和技术上进行进一步的修改， 将这些技术可以推广到其 他所有虚拟仿真的系统之中，会大大提高视景模拟仿真效果和水平。 1 .4本文的结构 本文共分为六个章节。分别阐述了从最开始的真实地形的数据采集，地形 模型的建立，到视景仿真系统中真实地形的再现、调度以及相应的修改。主要 从三维地形模型的数据结构，视景仿真系统中的建模技术，三维地形的可视化 以 及三维地形的动态调度和修改等方面具体阐述了三维地形的可视化过程。 在 地形可视化的基础上，详细地阐述了 对三维数字地形进行动态调度以及修改的 原理和主要应用的 技术手段。 最后对虚拟三维数字地景系统 3 d - s h o w 的 结构和功能进行相应的说明。 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 如果我们在现有的基础上进行编程代码以及算法的优化，可以进一步的完 善现有的虚拟现实系统的视景显示部分，使我们的视景仿真模拟达到更好的效 果。 另外， 在现有理论和技术上进行进一步的修改， 将这些技术可以推广到其 他所有虚拟仿真的系统之中，会大大提高视景模拟仿真效果和水平。 1 .4本文的结构 本文共分为六个章节。分别阐述了从最开始的真实地形的数据采集，地形 模型的建立，到视景仿真系统中真实地形的再现、调度以及相应的修改。主要 从三维地形模型的数据结构，视景仿真系统中的建模技术，三维地形的可视化 以 及三维地形的动态调度和修改等方面具体阐述了三维地形的可视化过程。 在 地形可视化的基础上，详细地阐述了 对三维数字地形进行动态调度以及修改的 原理和主要应用的 技术手段。 最后对虚拟三维数字地景系统 3 d - s h o w 的 结构和功能进行相应的说明。 西北工业大学硕士论文 第二章 三维数字地形的数据结 构 第二章 三维数字地形的数据结构 在飞行模拟系统中所仿真的地形， 大多数情况下， 都要求是对真实地形的仿 真再现。 也就是说， 在视景系统中， 所表现的地形和现实世界中我们要表示的某 一地域的地形完全一致。这就要求我们根据真实的地形数据进行地景的仿真再 现。 所以 我们必须对表示真实地形的三维数字地形模型的数据结构进行分析和了 解，从而在我们的视景系统中对其进行调用。 数字地形模型 ( d t m. d i g i t a l t e r r a i n m o d e l )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。 最初是为了高速公 路的自 动设计提出 来的 ( m i l l e r , 1 9 5 6 ) 。 此后， 它被用于各种线路选线 ( 铁路、 公路、 输电 线) 的设计以 及各种工程的面积、 体积、 坡度计算， 任意两点间的通 视判断及任意断面图绘制。 在测绘中被用于绘制等高线、 坡度坡向图、 立体透视 图， 制作正射影像图以 及地图的修测。 在遥感应用中可作为分类的辅助数据。 它 还是地理信息系统的基础数据， 可用于土地利用现状的分析、 合理规划及洪水险 j清 预报等。 在军事上可用于导航及导弹制导、作战电子沙盘等。 在制图学历史上等高线是一项最重要的发明，它是用二维手段表示三维物 体的常用方法。 可以 直接用d e l a u n a y 三角形对等高线上的点进行三维地形的造 型。但是，等高线在点的分布规律上是不规则的，因此直接生成三维地形会留 有明显的台阶痕迹。所以 通常不采用这种方法，而将等高线转换成格网数据， 这就是通常所说的数字高程模型。 数 字 高 程模 型( d i g i t a l e l e v a t io n m o d e l , 缩 写 d e m) 是 在某 一 投 影 平 面( 如 高斯投影平面) 上规则格网点的平面坐标 ( x , y ) 及高程 ( z ) 的数据集。 它是 用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型 d t m的一个分支。 数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型( d e m) o 高程是地理空间中的第三维坐标。 d e m通常用地表规则网格单元构成的高程矩 阵表示， 广义的 d e m 还包括等高线、 三角网 等所有表达地面高程的数字表示t2 8 1 在地理信息系统中， d t m 是描述包括高程信息在内的各种地貌因子， 如坡度、 坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布， 其中d e m是零 阶单纯的单项数字地貌模型， 是建立d t m的 基础数据， 其它的地形要素可由 d e m 直接或间 接导出， 称为“ 派生数据” ，如坡度、 坡向。 d e m的格网间隔应与其高 程精度相适配， 并形成有规则的 格网系列。 根据不同的高程精度， 可分为不同 类 型。为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。 西北工业大学硕士论文第二章 三维数字地形的数据结构 d e m是用于描述地形表面起伏特征的表面几何模型， 它是通过地形表面上 一组有限的高程采样点来进行描述的，一般根据构成模型的基本面元类型和数 据结构特征来划分的。由于传统的地理信息系统的数据结构都是二维的，数字 高程模型的建立是一个必要的补充。 d e m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，也是地理信息系统 ( g i s )的基本内容，特别是三维地景仿真中的三维可视化更是离不开d e m. 我们在飞行模拟系统中 对真实地形的 仿真， 主要就是依据真实地形的d e m数 据进行仿真再现。 下面就对三维数字地形的数据结构进一步地进行分析和说明。 2 . 1 三维数字地形的模型建立过程 为了 建立三维数字地形模型，必需先量测一些点的三维坐标，这就是地形 数据采集。 对地形所做的d e m数据采集主要有以下4 种方法。 ( 1 ) 地面测量 利 用自 动记 录的 测 距经纬 仪( 常 用电 子 速 测经纬 仪或 全站 经纬 仪) 在野 外 实测。这种速测经纬仪一般都有微处理器，可以自 动记录和显示有关数据，还 能进行多 种测站上的计算工作。 其记录的 数据可以 通过串 行通讯， 输入计算机 中进行处理。 ( 2 ) 现有地图数字化 利用数字化仪对己 有地图上的 信息 ( 如等高线) 进行数字化的方法，目 前 常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。 ( 3 )空间传感器 利用全球定位系统g p s ，结合雷 达和激光测高仪等进行数据采集。 ( 4 ) 数字摄影测量方法 这是d e m数据采集最常用的 方 法之一。 利用附 有的自 动记录装置 ( 接口 ) 的立体测图 仪或立体坐标仪、解析测图仪 及数字摄影测量系统， 进行人工、半 自 动或全自 动的量测来获取数据。 最后通过各种方式测量获取的 d e m 数据点都要按一定插值方法转成规则 格网d e m或规则三角网d e m格式数据。 数字高程模型d e m实际上就是一个 存放地表高度数据的二维阵列。生成 d e m 的过程就是在一个矩形区域上， 在 宽度和长度两个方向 上， 用一定距离间隔，绘上横竖直线，生成一个格网， 然 后通过某种算法， 利用已 有的离散高程采样数据计算每个格网 节点的高度值。 所以，生成 d e m 的过程也叫做格网 化过程。 无论用哪种方法获取的采样数据 都是离散无序的。由 于数据的无序、随机分布， 如果利用这些采样数据来求得 西北工业大学硕士论文第二章 三维数字地形的数据结构 d e m是用于描述地形表面起伏特征的表面几何模型， 它是通过地形表面上 一组有限的高程采样点来进行描述的，一般根据构成模型的基本面元类型和数 据结构特征来划分的。由于传统的地理信息系统的数据结构都是二维的，数字 高程模型的建立是一个必要的补充。 d e m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，也是地理信息系统 ( g i s )的基本内容，特别是三维地景仿真中的三维可视化更是离不开d e m. 我们在飞行模拟系统中 对真实地形的 仿真， 主要就是依据真实地形的d e m数 据进行仿真再现。 下面就对三维数字地形的数据结构进一步地进行分析和说明。 2 . 1 三维数字地形的模型建立过程 为了 建立三维数字地形模型，必需先量测一些点的三维坐标，这就是地形 数据采集。 对地形所做的d e m数据采集主要有以下4 种方法。 ( 1 ) 地面测量 利 用自 动记 录的 测 距经纬 仪( 常 用电 子 速 测经纬 仪或 全站 经纬 仪) 在野 外 实测。这种速测经纬仪一般都有微处理器，可以自 动记录和显示有关数据，还 能进行多 种测站上的计算工作。 其记录的 数据可以 通过串 行通讯， 输入计算机 中进行处理。 ( 2 ) 现有地图数字化 利用数字化仪对己 有地图上的 信息 ( 如等高线) 进行数字化的方法，目 前 常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。 ( 3 )空间传感器 利用全球定位系统g p s ，结合雷 达和激光测高仪等进行数据采集。 ( 4 ) 数字摄影测量方法 这是d e m数据采集最常用的 方 法之一。 利用附 有的自 动记录装置 ( 接口 ) 的立体测图 仪或立体坐标仪、解析测图仪 及数字摄影测量系统， 进行人工、半 自 动或全自 动的量测来获取数据。 最后通过各种方式测量获取