（通信与信息系统专业论文）地形数据三维可视化与压缩.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 地形三维可视化一直以来是地理信息系统( g i s ) 、数字摄影测量( d p ) 、虚拟现实 ( v r ) 等领域的研究热点。随着计算机科学、计算机图形学以及现代数学理论的不断 发展和创新，以虚拟现实( v r ) 、科学计算可视化( s v ) 为突出代表的一些崭新的研 究方向正吸引着越来越多的研究学者。同时，随着地形数据精度的提高，其数据量也在 迅速增长，因此有必要对地形数据的压缩技术进行研究。 本文对地形三维可视化的研究从两方面展开，分别为地表地形的三维可视化和地下 三维可视化。在地表地形可视化方面，研究了大范围地形数据的三维可视化和基于虚拟 现实技术的高分辨率城市景观的实时浏览与漫游。在地下三维可视化方面，本文对体视 化过程中的切片级重建问题和体视见方法进行了探讨，并实现了个地下地质结构的三 维展示系统。 在地形数据的压缩方面，针对地形图像纹理丰富的特点，本文给出一种基于小波包 变换的优化s p i h t 地形图像压缩算法。根据图像的频带特征对图像的高、中频带作进一 步的小波包变换以保留高、中频信息。对图像小波包系数采用分层树集合划分( s p i h t ) 算法进行量化编码，同时针对s p i h t 算法中的“连0 问题”进行了优化。 关键词：地理信息系统；虚拟现实；三维可视化；图像压缩；s p i h t 算法 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 t e r r a i nd a t a3 dv i s u a l i z a t i o na n dc o m p r e s s i o n a b s t r a c l ： t h ev i s u a l i z a t i o no ft h r e e d i m e n s i o nr 3 d ) t e r r a i ns u r f a c ei sah o tr e s e a r c ht o p i ci n g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，d i g i t a lp h o t o g r a m m e t r y ( d p ) ，v i r t u a lr e a l i t y ( v r ) a n d o t h e ra s s o c i a t e df i e l d s w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n di n n o v a t i o no fc o m p u t e rs c i e n c e ，c o m p u t e r g r a p h i c sa n dm o d e mm a t h e m a t i c st h e o r y s o m ed e wr e s e a r c hd i r e c t i o n s 、s u c ha s v i r t u a l r e a l i t y ( v r ) a n ds c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ( s v 九a r ea t t r a c t i n gm o l - e a n dm o r er e s e a r c h e r s a d d i t i o n a l l y ，t e r r a i nd a t aa r eb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e ra l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fr e s o l u t i o n t h e r e f o r er e s e a r c ho nc o m p r e s s i o no f t m t a i nd a t ai so fg r e a ti m p o r t a n c e t h er e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o no ft e r r a i nf a l l si n t ot w op a r t s ：v i s u a l i z a t i o no fs u r f a c ea n d v i s u a l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c e i nt e r m so fs u r f a c ev i s u a l i z a t i o n ，t h e3 dv i s u a l i z a t i o no f i a r g oe x t e n s i o nt e r r a i na n dt h er e a l t i m ew a n d e ri nv i r t u a ic i t ys c e n ea r ed i s c u s s e d i nt e r m so f v i s u a l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c e ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o nf r o mp l a n a rc o n t o u r sa n dv o l u m e r e n d e r i n g a i e d i s c u s s e d s u b s e q u e l _ 1 t l y t h e r e a l i z a t i o no fa3 du n d e r g r o u j l d g e o l o g i c d e m o n s t r a t i o ns y s t e mi sg i v e n i nr e s p e c to fc o m p r e s s i o no ft e r r a i n ，a no p t i m i z e ds p l t t ta l g o r i t h mf v rt e r r a i ni m a g e c o m p r e s s i o nb a s e do i lw a v e l e tp a c k e ti sp r e s e n t e dw a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sd e c o m p o s e st h e u p p e rf r e q u e n c yb a n d sa sw e l la st h el o w e ro n e st o s u i tt h ee n e r g ys p e c i a l t yo ft h et e r r a i n i m a g e t h es e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e sa i g o r i t h m 岱p i h t ) i se m p l o y e d t oq u a n t i z e t h ew a v e l e tc o e 艏c i e n t sa n dt h ea l g o r i t h mi so p t i m i z e df o ri t s “c o m i n u o u sz e r op r o b l e m ” k e yw o r d s ：g i s ；v r ；3 dv i s u a l i z a t i o n ；i m a g ec o m p r e s s i o n ；s p i h ta l g o r i t h m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：奎璺! 基日期：兰! 竺兰 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：蝴 导师签名：曼盘!导师签名：! ：芝! ! = 鲤年上月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 地形数据三维可视化国内外研究现状 对于人类的视觉来说，二维平面的画面永远比不上三维立体的物体具有吸引力，而 互动式的画面又远比静止的画面生动有趣。现实生活是这样的，对于电脑资料的显示也 同样如此。地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是一种专门处理、储 存、分析及展示数字化的地形、地理资料等各种空间相关信息的软件系统。一个好的地 理信息系统能够将分析得到的结果用最大众化的方式展示出来，所以三维可视化的展示 是现今大多数g i s 系统最乐于采用的方式。 地形作为自然界最复杂的景物之一，对它的三维可视化技术，一直是计算机图形学 研究的重要内容之一。伴随着现代数学、计算机图形学、计算机科学等理论和技术的发 展，该领域已经历了线划三维地形图、实体型三维地形图、高度真实感三维地形图三个 发展阶段：在计算机图形学发展初期，由于计算机处理速度、存储空间、颜色数和显示 器分辨率的限制，只能绘制以线划符号表示的三维地形图。这类三维地形图一般采用透 视变换原理，按剖面方向消隐，地形表面线划没有经过光照模型处理，虽然得到的是一 幅有地形起伏立体感的三维线划地形图，但其内容单调、信息贫乏、真实感差。到t 6 0 年代末，通过引用光照模型，绘制具有表面明暗灰度连续变化的地形实体模型图，也就 是以模拟灰度表示地形表面图。这种立体图的立体效果更强，有一定的真实感，但信息 量仍不足，实用性也不强。 随着高速运算的c p u 年n 可容纳海量数据的存储设备的出现，以及相关的遥感技术、 摄影测量技术的飞速发展，使得快速获取地表信息并重建三维地表景观成为现实。而三 维景观虚拟现实技术的出现和发展，使人类对地表环境的认识更加直观、便捷。三维地 形可视化的基本流程可由图1 1 表示。 l 数据获取 i 数据精炼与处理 可视化映射f 图l _ 1 三维地形可视化流程图 f i g 1 1f l o w c h a r to f 3 dt e r r a i nv i s u a l i z a t i o n 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 对于三维景观虚拟现实，其首要任务是获取地表环境的描述信息，这些信息主要包 括描述地形和地物空间位置的几何信息以及描述地表真实覆盖状况的纹理影像信息等。 而遥感技术和数字摄影测量技术则为快速准确地获取这些信息提供了可靠的保证。目 前，从数字立体影像中自动提取数字地形模型( d i g i t a l t e r r a i n m o d e l ，d t m ) 的技术已 经成熟，这给三维地形的可视化研究提供了充足的数据来源，是g i s 和地形可视化的基 础。数字地形模型的数据结构分不规则三角网t i n 和规则格网g r i d 两类。其中，g r i d 模 型由于具有数据结构简单，便于管理，有利于地形分析及制作立体图等优点，是建立数 字地形模型的基础。 三维真实感地形生成是地形三维可视化及其实时绘制技术的核心。地形三维可视化 的摄终效果是通过在计算机屏幕上逼真地显示地形体现的，而绘制渲染速度的快慢又与 采用的绘制算法直接相关。三维真实感图形生成一般需要进行建模、空间变换、光照处 理、可见面识别、背景遮挡、阴影处理和纹理映射等复杂过程，编程实现往往需要大量 的建模处理和复杂运算，这些计算和处理过程相当复杂和繁琐，即使对专门从事计算机 三维图形开发的专业人士也是一个艰巨的任务。随着三维图形硬件芯片的出现和 o p e n g l 、d i r e c t 3 d 等三维图形软件标准库的建立，该过程的实现变得相对简单和易于编 程操作“。而基于网络的地形三维可视化研究成为当前地形可视化研究的热点。 网络三维可视化是在网络上实现三维地形的多角度、多层次、实时地生成、显示、 分析和漫游，从而使用户沉浸在虚拟地形环境中。在i n t e r n e t 上建立虚拟三维地理信息系 统，主要的问题就是解决地理信息系统中大数据地形文件的网络传输和显示。在目前网 络带宽有限的情况下，要想实时传输矢量地形数据并实时显示是不可能实现的。而虚拟 现实技术致力于网络三维场景模拟显示的研究，它具有三维模型的显示和大数据量数据 网络传输的技术优势，因此应用虚拟现实技术是解决网络三维o i s 的有效方法。 虚拟现实技术应用于g i s 领域走过了从v r m l 到x 3 d 的历程。v r m l ( v i r t u a lr e a l i t y m o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种由国际标准化组织i s o 定义的、在网络上表达三维数据的文 件格式。通过编制v r m l 文件，可以实现在i n t e m e t 上描述交互式三维实体和共享虚拟世 界的标准文件格式和相关的访问服务，同时在支持浏览v r m l 文件的浏览器上简单而方 便地实现三维数据的网络下载、动态显示和交互式可视化 5 - 8 。 v r m l 是在网络上传输交互式三维图形和建立共享虚拟世界的一项重要的创新性 技术。国内外研究学者和单位开发了各种网络虚拟现实系统。n a d ab a t e s ，b r k l j a c 等人【9 1 使用v r m l 开发了网络艺术品收藏博物馆，可在线查看虚拟博物馆内收藏的各种艺术品 和古典书籍。j i es h m l 1 0 1 使用v r m l 建立了校园虚拟漫游系统，使访问者如同置身于真 实校园中漫步。m b a r i 的m i c h a e lp m c c a r m 等人使用v r m l 开发了称为r o v 系统的海 大连理工大学硕士研究生学位论文 量海洋数据三维仿真系统。王大江和沈旭昆 12 】运用x 3 d 和j a v a 3 d 技术实现了数字航空博 物馆三维场景的构建以及飞机的虚拟拼装。 随着w e b 技术的迅速发展和v r m l 应用领域的扩展，v r m l 标准逐渐暴露出了它的 缺点，如属性过多难于实现、与其它应用集成困难、稳定性和一致性不能满足用户要求 等问题。这些问题严重阻碍了w e b 交互式三维图形技术的发展，以及交互式三维图形技 术在w e b 上的大规模应用。 新一代面向w e b 的交互式三维图形规范x 3 d ( e x t e n s i b l e3 ds p e c i f i c a t i o n ) 就是在这 样的背景下诞生的。其基本的技术特点在于使用当今主流的技术x m l 技术与组件思 想对传统的v r m l 规范进行改造。使用x 3 d 进行w e b g l s = 维可视化与交互的研究 成为当前研究的热点。 x 3 d 是由w e b 3 d 联盟提出的所谓下代的v r m l 规范( v r m ln e x tg e n e r a t i o n ，简称 v r m ln g ) ，该组织称之为可扩展的三维图形规范( e x t e n s i b l e3 ds p e c i f i c a t i o n ) ，又称 为v r m l2 0 0 x 规范。规范使用可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，简称x m l ) 表达v r m l 对几何图形和实体行为的描述能力，缩写x 3 d 就是为了突出新规范中v r m l 与x m l 的集成。采用x m l 作为x 3 d 的语法是由于x m l 正成为在全球范围内使用的一种 主要语法。同时标记也被证明是对数据归档和变换宿主机的长生命周期问题的最好的解 决方法。而且基于x m l 的页面易于集成，更多的用户可以使用交互式三维图形技术开发 w e b 页。x 3 d 采用x m l 编码，使自己能够与下一代w e b 技术很好的融合。正是由于x 3 d 的这些突出优点，新代的网络三维虚拟世界都将采用这一规范。 随着人们研究的深入，地形的概念也从一般意义上的地表形状、地表与地物的合体 拓展至地下空间。相对于地表地形可视化来说，地下三维可视化是有其特别之处的。从 三维绘制的内容上讲，地表地形可视化绘制的是地形表面，是个复杂的空间曲面；而 地下三维可视化要绘制的是地下三维结构，是一个空间实体。 三维绘制的目的，除了要实现三维数据的可视化外，另外一个重要目的就是三维分 析。地表地形数据的三维分析( 比如视线分析、坡度分析、坡向分析) 均是建立在曲面 之上的，本身不可能提供超越曲面之外的信息，比如地形剖面的内部情况。而地下三维 分析则不然，以剖面分析为例，它不仅要给出剖面的外围轮廓，而且要给出轮廓内的图 像。从三维可视化的实现过程来讲，地下三维可视化在实现上要更加复杂，因为它需要 再增加一个图像重建过程。 目前地下三维可视化使用的方法，基本是基于空间曲面插值拟合方法来实现的，归 纳起来有两个显著特征： 1 、将已知边界( 实测资料) 通过数学处理离散化为空间某个曲面的边界点； 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 2 、通过离散边界点建立曲面拟合方程，从而得到求解。 以上方法能否取得较优解，主要依赖于两个要素： 1 、已知离散点的信息量与全部已知边界信息量的比值： 2 、空间曲面拟合函数与待求整体分布属性之间的相似程度。 此外，也有应用随机过程原理或数理统计原理来进行地质模型分析，但由于工程地 质体的复杂性，单纯通过建立概率模型或随机过程也是难以取得理想结果的。因此，对 得到的探测基础数据进行预处理，得到可供三维可视化使用的体数据；然后根据数据的 来源及其特点进行体数据可视化算法的研究，重建探测数据的空间三维模型：最后基于 重建的规则体数据进行任意剖切来研究地下三维状况。这是目前地下三维可视化领域一 种可行的研究方法。 除了可视化之外，地形数据的压缩也是地形可视化研究领域的重要内容。现代的地 形数据采集技术提供了精确的地形图像，它通常是由卫星对地面拍摄的航片，图像尺寸 和数据量都非常大，所以如何有效地对其进行压缩编码，降低数据量，以利于存储和传 输便成为地形图像数据处理中的一个关键问题。对于地形图像的压缩，豳内外研究者通 常采用基于离散余弦变换( d c t ) 的j p e g 方法，但由于地形图像具有富含细节、边缘 及纹理的特点，对光学图像有较好压缩效果的j p e g 方法在压缩地形图像时，压缩比不 高，压缩图像恢复效果也不尽如人意。近1 0 多年来，随着小波变换在图像压缩领域中 应用的日趋广泛，而小波包变换又具有对图像细节信息的优秀刻画能力，因此利用小波 包变换对地形图像进行压缩是合理而有效的。 1 2 本文所做的主要工作 本文对地形数据的可视化与压缩进行了研究，主要工作可分为三部分：地形数据的 三维可视化、地下数据的三维可视化和地形图像的压缩。对第一部分，重点研究了大范 围地表地形的可视化技术和地上精细分辨率城市场景的可视化；第二部分研究了地下环 境探测结果数据的三维可视化；第三部分重点研究了基于小波包变换的地形图像编码及 s p i h t 编码算法的优化。具体研究工作分为以下五部分： 1 研究了大范围地形的特点及地形原始数据的格式和数据结构，对地形进行分块处理， 通过分块与重组实现了大范围地形的可视化。 2 对基于x 3 d 的城市虚拟景观三维可视化进行了研究，建立了地上精细分辨率城市场 景原型系统。 3 对地下三维可视化中相关算法和实际问题进行了研究，掌握了基于i d l 的可视化开 发流程，并建立了基于i d l 的地下三维地质结构展示系统，实现了对三维地质实体 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 的任意角度剖分。 4 研究了小波变换的相关知识，掌握了小波的多分辨率分析原理和小波包变换的原理， 对地形图像进行了小波包变换，解决了变换过程中的最优基选择、“父子冲突”等 问题。 5 对地形图像小波包变换系数使用经典的s p i h t 算法进行了编码压缩，研究了s p i h t 算法中存在的“连0 比特”问题，并对其进行了优化。 1 ，3 章节安排 论文全文共分六部分： 第一部分为绪论，简单介绍了地形可视化的国内外研究现状和本文研究的问题。 第二部分介绍了地表地形可视化的基本原理和方法，详细阐述了利用虚拟现实技术 实现大范围地形可视化和地形上高分辨率城市景观场景三维可视化的方法。 第三部分论述了地下三维可视化中的插值算法、体绘制消隐算法和任意切面算法， 并给出了所创建的地下三维地质结构展示系统。 第四部分给出了小波变换、多分辨率分析、小波包变换的基本原理；介绍了嵌入式 编码和零树编码的思想，并重点介绍了小波包变换系数编码的经典算法s p i h t 算 法。 第五部分详细讨论解决了小波包变换过程中遇到的边界延拓、系数对应、“父子冲 突”等问题；在具体分析s p i h t 算法存在的问题的基础上，设计了一种s p i h t 算法的 优化算法并给出了测试图像和地形图像的实验结果。 最后一部分对本文的主要工作进行了总结，对下一步的研究方向进行了展望。 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 2 大范围地形与城市场景的可视化 如今各类w e b g i s 开发软件，如a r c l m s 、m a p x t r e m e 等大都只侧重对二维地形的 支持，而三维地形的可视化问题还没有成熟的解决方案。由于三维地形数据结构复杂， 数据量大，数据的网络传输，尤其是窄带传输具有相当的困难。另一方面，三维数据结 构和数据格式尚无统一的标准，要在浏览器上对三维地形进行显示，就必须把各种不同 格式的三维数据统一起来。因此，本章对大范围地形与城市场景的可视化进行了研究和 探索。 2 1 三维w e b - g ls 系统架构分析 为有效实现地形数据的网络三维可视化，三维w e b g i s 系统至少应该包括数据获 取和转换、数据压缩和解压、数据的三维再现这三大模块，如图2 1 所示。 原 一统 始 匹堕 蓁篱 维 数 据 数据层 t 晕 嵩一应 图2 1 三维w e b g i s 基本架构 f i g 21b a s i cf r a m e w o r ko f 3 dw e b g i s 现有的三维地形数据格式多种多样，有的以文件或文件组的形式存储，有的则存储 在数据库中。因此，要把不同格式的数据转换成统一格式，需要针对每种格式编写相应 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 的格式转换程序，这个工作量无疑是比较大的， 地转换，也给这项工作增添了不少障碍。因此， 数据进行分析和转换，详见2 | 2 节。 况且有的数据格式并不公开，无法顺利 本文只对最为常用的e s r ig r i d 三维 对于已经转换格式的三维数据，由于其数据量仍非常大( 一幅5 0 0 0 * 3 0 0 0 的高程地 图转换格式后，将占用1 0 0 m 以上的空间) ，网络传输将花费相当长的时间。因此，数 据的压缩处理将是必不可少的环节。 数据压缩至少可以有两种办法：其一，在数据格式转换时，将数据压缩成二进制编 码，在客户端利用脚本语言编写解码程序，对二进制三维数据进行解析。这种方法仅在 数据转换过程中进行一次压缩操作，生成的文件本身体积很小，既减轻了服务器的负载， 又节省了服务器的存储空间，是比较理想的解决方案。但是脚本语言并不能很好地被用 户浏览器支持，在本次设计中没有试验成功。其二，数据转换格式时直接生成标准的场 景数据文档，当接到客户端请求时将客户所需的数据文档进行压缩处理，而在客户端浏 览器安装解压缩插件，实现对数据文档的还原。此方法对服务器产生了一定压力，但是 兼容性比较好，客户端解压缩摇件也十分小巧，本文选择这个方案。 数据的三维再现是w e b g i s 三维可视化的关键一环。场景文件到达客户端后，如何 将其还原为三维图像，是地形可视化的一个研究重点。最理想的方法莫过于自行开发一 款浏览器插件，但是这涉及解析器、渲染器等多个复杂模块的设计和编码，难度太大， 只能暂时寻找一款已有的浏览器插件代替。x j 3 d 是较早出现的三维虚拟现实浏览器， 它是基于j a v a 的开放源码浏览器，但是x j 3 d 浏览器的侧重点在于验证三维浏览的可实 现性，而不是浏览器的性能，因此在实际应用中难以满足大场景g i s 三维可视化的需要。 b sc o n t a c t 是德国的b i t m a n a g e m e n t 公司开发的款商业浏览器软件，它同时支持 v r m l 编码和x 3 d 编码，兼容i e 、m o z i l l a 、o p e r a 、n e t s c a p e 等多种浏览器，对大场景 的显示作了专门优化，性能出众。因此本研究选用b s c o n t a c t 作为客户端测览器插件。 在下一代互联网技术中，“l 技术将得到普及，三维地理数据的存储格式统为 x m l ，则可将数据以x m l 数据库的形式存储，并可以利用d o m ( 文档对象模型) 技 术对三维数据进行存取操作。这样可以实现三维空间数据的查询、分析、编辑等高级应 用，并且可以将二维数据和三维数据统一起来，实现系统的整合。此时的系统架构将更 加合理，本文仅给出下一代w e b g i s 系统架构，如图2 2 所示。 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 幽22 下一代三维w e bg t s 架构 f i g2 2n e wg e n e r a t i o n sf f a m e w o no f3 dw e b g 1 s 2 2 三维地形的构建 2 2 1 三维地形数据结构 三维g i s 在数据采集、系统维护和界面设计等方面比二维g i s 复杂得多，如三维数 据的再现、查询、分析、维护等方面。三维数据结构直接影响到三维可视化及三维分析 的效率和开发成本。 目前g i s 主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它 投影到地表，再进行处理，其实质是以二维的形式来模拟、处理数据。也就是说，目前 大多数“三维地形”使用的并不是真正的三维数据结构，而是在二维模型的基础卜增加 了高度属性。最常见的是数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s ，d e m ) 。 数字高程模型是一种对空间起伏变化的连续表示方法。尽管d e m 是为了模拟地面 起伏而开始发展起来的，但也可以用于模拟其它二维表面的连续高度变化，如气温、降 水量等。对于一些不具有三维空间连续分布特征的地理现象，如人口密度等，从宏观上 讲，也可以用d e m 来表示、分析和计算。 通常所说的d e m 指的是格网d e m ( g r i d ) 平d 不规则三角网d e m ( t r i a n g u l a ri r r e g u l a r n e t w o r k ，t i n ) ，地形的创建也基于此。 奎垄堡三查兰堡主堕壅竺堂笪堡茎一 格网d e m 是在某一投影平面上规则格网点的平面坐标( 卫y ) 及高程( z ) 的数据 集。格网d e m 是d e m 的最常用的形式，其数据的组织类似于图像栅格数据，只是每 个像元的值是高程值，即格网d e m 是一种高程矩阵，如图2 3 所示。d e m 的格网间隔 应与其高程精度柑适配。 1 4 01 1 0 1 3 51 2 0 1 3 01 3 01 2 0 1 1 0 幽23 格网d e m 数据片断 f i g 2 3s e g m e n t o f g r i dd e md a l a 格网d e m 的优点是：数据结构简单，便于管理；有利于地形分析及制作立体图。 其缺点是：格网点高程的内插会损失精度；格网过大会损失地形的关键特征，如山峰、 洼坑、j b 脊等；如不改变格网的大小，不能适用于起伏程度不同的地区；地形简单地区 存在大量冗余数据。 格网d e m 数据可以直接从航片获取，也可从等高线地形图通过计算获取。 不规n - - g 日网d e m ( 即t i n 格式数据) 直接利用原始采样点进行地形表面的重建r 由连续的相互联接的三角面组成，如图2 4 所示，三角面的形状和大小取决于不规则分 布的观测点的密度和位置。 一 鹚 1 里 m 一嘶 加 0 0 ， n 控 嚣一 ； 巧 粥； 0 0 邙 “ 5 o 拈 垢， 受 m 莹： 李冉明；地形数据三维可视化与压缩 t i n 的建立过程，就是由离散数据点构建三角网的过程，即确定哪三个数据点构成 一个三角形，也称为自动联接三角网。 2 o 7 ，唏：， ) 直 34 图2 ，5 由离散数据点构建三角网 f i g 25c o n s t r u c tt r i a n g u l a rn e t w o r kb yd i s c r e t ed a t a 如图2 5 所示，剥于平面上聍个离散点，其平面坐标为& ，y ，) ，卢1 ，2 ，”， 将其中相近的三点构成最佳三角形，使每个离散点都成为三角形的顶点。自动联接三角 网的结果为所有三角形的三个顶点的标号，如： 1 ，2 ，8 2 ，8 ，3 3 ，8 ，7 ： i 为了获得最佳三角形，在构建三角网时，应尽可能使三角形的三内角均成锐角。其 基本依据是三角形余弦定理，如图2 6 所示： c c o s ( o = ( a 2 + 6 2 - c 2 ) 2 a b 图26 利用余弦定理构建最佳三角网 f i g 2 6c o n s t r u c tb e s tt r i a n g u l a rn e t w o r kb yl a wo f c o s i n e s 大连理工大学硕士研究生学位论文 在已知a 、b 点，即己知c 边时，要选取另一个三角形顶点c 时，若c 角最大，则 要扩展的三角形的顶点c 离扩展边c 的距离最短。这样可保证由相邻最近的三点构成三 角形，并且保证不让某个离散点在组成三角网时被漏掉。 t i n 格式的优点是：能充分利用地貌的特征点、线，较好地表示复杂地形；可根据 不同地形，选取合适的采样点数；便于进行地形分析和三维再现。其缺点是：由于数据 结构复杂，因而不便于规范化管理，难以与矢量和栅格数掘进行联合分析。 本研究所用的三维地形数据格式是a r c l n f o 系统的g r i d 文件，属于规则格网d e m 数据。地形数据的特点是场景范围广、数据量大、网络显示和传输困难，因此在实际实 现三维可视化过程中对其进行了分块创建、传输，到客户端再重新组合并显示。 22 2 三维地形数据源的获取及分块构建 由于三维地形数据的存储格式多种多样，不能直接拿来使用，因此，数据的获取和 转换成为不得不做的工作。而且，各种格式的存储机制不同，不可能找到一种万能的方 法来实现数据的统一，只能针对不同的格式编写不同的转换程序。本研究对e s r ig r i d 格式的数据编写了转换程序。 e s r ig r i d 是应用较广的一种三维地形存储格式，属于格网d e m 类型。e s r ig r i d 是以文件组的形式存储的。每张三维地形图保存在一个文件夹中，该文件夹中包含以下 必要的文件： h d ra d f保存地形数据的基本属性信息 d b l b n d a d f保存地图的边界坐标信息 w 0 0 1 0 0 1 xa d f地形数据的索引文件 w o o l 0 0 1a d f地形数据文件 利用上述四个文件，就可以编写程序将三维地形数据转换为浏览器插件可训别的格 式。四个文件的存储结构如表2 1 、表2 2 、表2 3 和表2 4 所示。 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 o x 0 0 1 0 0 如0 i3 o 婢10 0 一o x o i 0 7 o x 0 1 0 8 m d ，吖 o x o l2 8 一o x o i2 b i n t 3 2 d o u b l e d o u b l e i n t 3 2 地形高程值的数据类型，卜整型，2 一浮点型 每点在x 方向上代表的单位坐标值 每点在y 方向上代表的单位坐标值 每区块在x 方向上包含的点数( 列数) o x 0 1 3 0 0 x 0 1 3 3i n t 3 2 每区块在y 方向上包含的点数( 行数) o x 0 0 0 0 一o x 0 0 0 7 o x 0 0 0 8 d r o o o f d 加d ，0 一d x 0 d 0 7 o x 0 0 1 8 o x 0 0 ，r d o u b l e d o u b l e d o u b l e d o u b l e 西南角的x 坐标值 西南角的y 坐标值 东北角的x 坐标值 东北角的y 坐标值 表2 3w 0 0 1 0 0 1 x a d f 文件存储结构 t a b 2 3s t o r a g es t r u c t u r eo f w 0 0 1 0 0 1 x a d f 大连理：l = = 大学硕士研究生学位论文 。如0 18 一o x o o l b 0 x 0 0 6 4 o x 0 0 6 5 n x d d 6 6 i n t 3 2 i n t 3 2 f 1 0 a t 该文件大小( 双字节数) 区块0 的大小( 双字节数) 区块0 数据，4 字节浮点数组 从上面表格可以看出，e s r i g r i d 数据是以区块为单位存储的，每个区块的大小相 等，其大小在h d r a d f 文件中定义。各区块数据在w 0 0 1 0 0 1 a d f 文件中保存，每个区块在 文件中的地址可由w o o l o o l x a d f 索引文件读出。 另外，e s r ig r i d 的二进制数据存储方式与正常w i n 3 2 数据存储方式有所不同。 每个“字”的低字节对应的是文件的高地址，高字节对应文件的低地址。例如，4 字节 整数0 x 1 2 3 4 5 6 7 8 在文件中的存储方式对比如图2 7 所示： 图2 7e s r ig r i d 与w i n 3 2 数据存储方式对比 f i g 27s t o r a g em o d ec o m p a r i s o nb e t w e e ne s r ig r i d a n dw i n 3 2d a t a 根据上述数据存储格式，编写程序实现了数据转换。图2 8 描述了数据转换程序的 流程图。 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 型 打开h d r a d f 文件 二= 工二二 读取每格网大小 读取区块参数 关闭h d r a d f 文件 打开d b l b n d a d f 文件 读取地图的坐标范围 璐黯 得到下一区块地址 得到下一区块大小 从w 0 0 1 0 0 1a d f 文件 读取一个区块数据 关闭d b l b n da d f 文件 翌盐! ! ! ! ! ! ! ! ：型 主一 打开w 0 0 1 0 0 1 a d f 关闭w 0 0 1 0 0 1 a d f 二二 二二 关闭w o o l 0 0 l xa d i 鬲 图2 8e s r i g r i d 数据转换流程 f i g 28t r a n s f o r mp r o c e d u r eo f e s r ig r i dd a t a 22 3 地形分割及裂缝问题的解决 由于地形场景范围很大，直接将其作为一个整体进行传输时，数据量过大；同时在 实际运行中，由于地图场景较大，导致b s c o n t a c t 浏览器报告“非法操作”错误。经过 反复测试，发现b sc o n t a c t 浏览器只能正常显示大约2 5 0 0 个高程栅格，即一次不能渲 染过多的高程栅格，否则在显示时浏览器将报错。 为此，在生成地形文件时，将全部高程栅格划分成若干区块，具体划分为多少区块 则根据整个地图的行数和列数按照图2 9 所示的算法自动计算得来。 大连理工大学硕士研究生学位论文 国2 。9 定义区块大小算法流程 f 追2 9p r o c e d u r eo f d e f i n i n gb l o c ks i z e 按照计算得到的每区块大小对整个地图进行分割，为每个区块生成一个独立的地形 文件。然后生成一个索引文件，将所有区块地形文件包含进去。这样，b sc o n t a c t 浏览 器就可以显示全部三维地形了。 但是，这种地形分块传输，然后重组显示的解决方案会带来另一个问题：使用包含 文件的方法生成的地形是不连贯的。其原因是对于每个不同的区块，浏览器会认为是不 同的场景，因此，浏览器并不为两个区块的交界部分进行插值和渲染。这样得到的图像 会出现许多条状断裂，如图2 1 0 所示。 图2 1 0 不连贯的三维场景 f i g 2 1 0d i s c o n t i n u o u s3 ds c e n e 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 为解决区块断裂的问题，采取为每个区块增加冗余栅格的方法，即创建区块时，每 个区块除了包括该区块本身的高程栅格外，再向外扩展一行和一列栅格，如图2 1 1 所示。 这样，当众多区块合成为一个场景时，区块与区块之间有部分内容相互重叠，形成了连 贯的场景轮廓。 图2 1 1 区块增加冗余栅格 f i g 2 11b l o c kw i t hr e d u n d a n td a t a 图2 1 2 是解决了地形裂缝问题的地形场景图，可以看出，本研究能够准确地对三维 地形轮廓进行描述和还原。 图2 1 2 通过浏览器访问得到的三维地形图 f i g 2 1 23 dt e r r a i no b t a i n e db yb r o w s e r 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 3 地形上精细分辨率城市场景的创建 大范围的地形场景可以概览地形的全貌，而地形上精细分辨率的场景则可以直观地 展现小范围内实际的场景。这对城市规划与城市景观仿真、测绘与土地管理、房地产展 示等其它需要三维可视化的领域有十分重要的意义。 2 31 场景景物的分类 图2 ，1 3 实际城市场景图 f i g 2 1 3r e a ls c e n eo f c i t y 如图2 1 3 所示为一幅实际城市的二维场景图片，从二维图片中只能对景物进行静态 的观察而不能实现沉浸其中的漫游。如果利用虚拟现实技术将此场景进行三维可视化， 则可得到身临其境的真实体验。 要对城市场景进行三维可视化，观察图片可知，场景中的景物大体可以分为五类： 天空和大地、建筑物、车辆、树木、行人。因此地形e 精细分辨率城市场景的创建也就 围绕这五类景物来进行。 2 3 2 不同景物的建模与优化 ( 1 ) 天空和大地： 天空和大地属于场景中的背景，在场景的建模中不可避免地需要对其进行建模。由 于天空和大地的多样性和可变性，其绘制模型一般也较复杂。所以就需要采取措施降低 它们的复杂度，同时不能引起太大的失真。研究中对这里两类背景模型的建模原则是在 不影响视觉效果的情况下尽量简化，减少数据量。因此天空和大地模型的建立采用环境 李冉明：地形数据三维可视化与压缩 映射( e n v i r o n m e n tm a p s ) 技术。它是采用纹理图像来表示物体的表面效果和透视效 果，即组成“方盒”空间，通过六个面的天空纹理贴图建立个包围整个场景空间的 “方盒”来模拟真实环境，这一技术在虚拟现实中也称为全景图( p a n o r a m a ) 技术2 ”。 蕊 f f r o n t 陟 l e f t r i g h t b a c k pv i e w + z 图2 1 4 全景图的侧视图和俯视图 f i g 2 1 4 s i d e v i e wa n dd o w n v i e wo f p a n o r a m a 图2 1 4 为所建“方盒”空间的侧视图和俯视图，整个场景( 图中矩形) 都处于“方盒” 的内部，图2 1 5 为创建场景所用的六幅纹理贴图，六幅图接缝处图像连续，浏览者无论 怎样移动都无法接近这个“方盒”，于是便产生了真实世界的感觉。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 5 组成天空和大地的六幅纹理贴图 f i g 2 1 5s i x t e x t u r e sc o m p o s i n gs k y a n d g r o u n d ( 2 ) 建筑物、车辆： 建筑物和车辆为城市场景中的主体内容，它们建模的逼真程度直接体现了虚拟城市 场景的视觉效果，因此建筑物和车辆的建模力求尽量逼近实物。在追求真实的同时，仍 要控制模型细节面片的数量，使模型数据量控制在允许范围内。建筑物的几何模型使用 常规的三维辅助建模软件即可生成，在创建的过程中尽量使用立方体、球体、圆锥等规 则几何体来模拟实际的物体以减少所建模型的数据量。由于模型简化所造成的细节失真 则可通过在模型表面采用纹理映射贴图来弥补，而且这样可使造型更具真实感。 纹理映射技术是将纹理图像根据几何体的外形，按一定规则映射到物体表面的技 术。纹理实际上就是幅位图，它并不改变物体的几何形状，而是赋予观察者一种视觉 效果，因此纹理图的使用可以在不增加多边形的情况下提高渲染质量。纹理分为二维纹 理和三维纹理，本研究只涉及二维纹理。二维纹理映射本质上是一个二维纹理平面到三 维景物表面的映射。二维纹理定义在一个平面区域上，它可以用数学函数解析地表达。 在图形绘制时，利用映射可方便地确定景物表面上任可见点尸在纹理空间中的对应位 置( ”，( “，v ) 处所定义的纹理值或颜色值描述了景物表面