（计算机应用技术专业论文）灌溉水资源调配虚拟视景仿真的研究和软件设计.pdf

摘要 摘要 灌溉工程建筑物是水利工程设施之一，对促进我国农业发展起着极其重要的作用。灌区 既是灌溉工程的建筑物，又是水资源调配的执行者。由于灌区规模大、管辖范围广，人员技 术力量薄弱，如何实时、直观地展示灌溉工程建筑物的运行情况，是实现灌区信息化管理、 工程建设以及水资源调配的决策基础。 虚拟现实( v r ：v i r t u a lr e a l 时) 技术是一种综台计算机图形技术、人工智毹、仿真技术 等多种学科而发展起来的最新技术。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三维信息的 虚拟环境，以模拟的方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世 界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，参与者可以直接探索虚拟对象在所处环境 中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中。所以，将虚拟现实技术应用于灌区仿真研 究，通过三维实时仿真来表现灌溉工程建筑物的运行状态，不仅为灌区管理提供了科学手段， 而且投资小，因此较为经济可行。 本文结合灌区三维场景中模型的类型及其特点通过分析三维可视化技术的特点选定了 研究中使用的各项技术。对不同类型的模型数据获取方法和模型的建立过程进行描述，实现 基于d e m 数据的三维可视化数字地形绘制，并采用源点网格蔓延算法计算当水位变化时水 流淹没区域。着重研究为实现系统实时运行应如何组织和管理各类模型的数据说明信息的 交互方式，以及实现系统运行的数据流程控制。提出一个基于大量地理数据的简易型灌区虚 拟视景仿真系统的整体框架，对实现灌区三维场景建模所采用的技术和算法以及怎样进行 三维场景的地物叠加、实时仿真、实时控制的实现过程作以详细的阐述。最后，阐述论文的 研究成果及创新点，说明软件实现的功能所具有的实际推广价值。 关键字：虚拟现实，灌区，数字高程模型，o p e n g l ，a d o 。实时仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n g i n e e r i n gi r r i g a t i o nb u i l d i n gi so n eo f t h ei r r i g a t i o nw o r k sf a c i l i t i e s ，p l a ya ne x t r e m e l y i m p o r t a n tr o l ei nb r i n g i n ga b o u t a na d v a n c ei na g r i c u l t u r eo f o u r c o u n t r y i r r i g a t e da r e ai sb u i l d i n g o f e n g i n e e r i n gi r r i g a t i o n ，e x e c u t o rt h a tw a t e rr e s o u l c ea l l o c a t e b e c a n s et h ei r r i g a t e da r e ai sb i gi n s c a l e ，t h ec o m p a s so f c o m p e t e n c yi sw i d e ，p e r s o n n e lh a v ew e a k t e c h n i c a lf o r c e ，h o wt os h o wt h e r u n n i n gs i t u a t i o no f t h ee n g i n e e r i n gi r r i g a t i o nb u i l d i n gr e a l t i m e l y ，o c u l a r l y ，r e a l i z et h ed e c i s i o n f o u n d a t i o na l l o c a t e di ni n f o r m a t i o n b a s e dm a n a g e m e n to f i r r i g a t e da r e a ，e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n a n dw a t e rr e s o u r c e ， v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi sak i n do f c o m p r e h e n s i v ec o m p u t e rf i g u r et e c h n o l o g y ，t h el a t e s t t e c h n o l o g yt h a tm a n yk i n d so fd i s c i p l i n e s ，s u c ha sa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，e m u l a t i o nt e c h n o l o g y ， e t c - i ti sf o r m e dt h ef i c t i t i o u se n v i r o n m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a l i n f o r m a t i o n b yc o m p u t e r h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dv a r i o u sk i n d so fs e n s o r s ，c r e a t eo n ef o ru s e ra n dr e f i e c te n t i t y s t a r g e t s c h a n g ea n di n t e r a c t i v e3 - dv i e ww o r l di n r e a lt i m eb yw a yo fi m i t a t i n g ，i ni si tp e r c e i v el i f e l i k e e x p e r i e n c eo fb e h a v i o rt ol o o ka t ，h e a r ，t o u c h ，t a k eas n i f fa t ，p a r t i c i p a n tc a r le x p l o r ef i c t i t i o u s t a r g e tr o l ei ne n v i r o n m e n to fl i v i n gi na n dc h a n g ed i r e c t l y ，s e e mt op l a c eo n e s e l fi nt h em i d s to f o n ef i c t i t i o u sw o r l d s o ，a p p l yt os t u d yi n i r r i g a t e da r e ae m u l a t i o nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n d c o n l et o d i s p l a yt h eo p e r a t i o ns t a t eo ft h ee n g i n e e r i n gi r r i g a t i o nb u i l d i n gt h r o u g ht h er e a l t i m e e m u l a t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o n ，n o to n l yh a so f f e r e dt h es c i e n t i f i cm e a n sf o rt h et h i n g 【h a tt h e i r r i g a t e da r e ai sm a n a g e d ，b u ta l s oi n v e s t m e n ti ss i n a i l s oc o m p a r a t i v e l ye c o n o m i ca n df e a s i b l e t h i st e x tc o m b i n e st h et y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e li nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls c e n e o fi r r i g a t e da r e a ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev i s u a lt e c h n o l o g yo f t h et h r e e d i m e n s i o ns e l e c t se v e r yt e c h n o t o g yu s e dw h i l e s t u d y i n g d e s c r i b et h ed i f f e r e n tk i n d so f s e t t i n g - u p c o u r s eo f o b t a i n i n gt h em e t h o da n dm o d e lo f m o d e l d a t a ，r e a l i z et h a tt h ev i s u a ld i g i t a lt o p o g r a p h y o f3 - d i m e n s i o nb a s e do nd e m d a t ei s d r a w n a d o p ts o u r c es o m en e ts p r e a da l g o r i t h mc a l c u l a t e r i v e r sf l o o dt h ea r e aw h e nt h ec h a n g ea sw a t e rl e v e l s t u d ye m p h a t i c a l l yt h a to p e r a t e st h ed a t a h o wt oo r g a n i z ea n dm a n a g ea l lk i n d so f m o d e l si nr e a lt i m ef o rt h e i m p l e m e n t a t i o ns y s t e m ，s t a t e t h ei n f o r m a t i o nm u t u a l w a y ，a n dt h ed a t ap r o c e d u r eo fi m p l e m e n t a t i o ns y s t e m o p e r a t i o n i s c o n t r o l l e d p u tf o r w a r dt h ew h o l ef r a m eo f a f i c t i t i o u sv i s i o ns i m u i a t i o ns y s t e m o f s i m p l ea n de a s y a b 对t a c t i r r i g a t e da r e ab a s e do nal a r g en u m b e ro fg e o g r a p h i c a ld a t a , t or e a l i z i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a l s c e n em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n da l g o r i t h ma d o p t e do f i r r i g a t e da r e a , a n dh o wr e a l i z a t i o nc o u r s eo f t h es u r f a c ef e a t u r es u p e r p o s i n g ，r e a l t i m ee m u l a t i o n ，r e a l t i m ec o n t r o lw h i c h c f l l t yo nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls c e n ei sm a d ew i t hd e t a i l e d e x p o s i t i o n f i n a l l y ，e x p l a i n r e s e a r c hr e s u l t sa n d i n n o v a t i o no f t h e s i s o r d e r ，p r o v ea c t u a lv a l u e t op o p u l a r i z et h a tf u n c t i o nh a st h a ts o f t w a r er e a l i z e k e y w o r d ：v i r t u a l r e a l i t y ，i r r i g a t e da r e a ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ， o p e n g l ， a d o ，r e a l t i m ee m u l a t i o n 堡墨查兰堡主笙奎一簦旦堕垒 第1 章绪论 灌溉工程建筑物是水利工程设施之一，对促进我国农业发展起着极其重要的作用。灌区 既是灌溉工程的建筑物，又是水资源调配的执行者。由于灌区规模大、管辖范围广，人员技 术力量薄弱，如何实时、直观地展示灌溉工程建筑物的运行情况，是实现灌区信息化管理、 工程建设以及水资源调配的决策基础。 虚拟现实( v r ：v i r t u a lr e a l t y ) 技术是仿真技术在电子信息产业中应用发展的高新阶 段，它所追求的是将传统的计算机即一种需要人用键盘、鼠标对其进行操作的设备变成了人 处于计算机创造的人工环境中，通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互、 对话”的系统和环境。所以，将虚拟现实技术应用于灌区仿真研究，不但使建筑设计、景理 领域的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与实验的逼真性、实效一牲和 经济性。 可以说v r 技术从根本上改变了目前让人去适应计算机的不友善的局面，而变成让计算 机来适应人的一种新体制，从而使人不需要经过专门训练就可在不知不觉中使用计算机，大 大扩大了计算机的应用使计算机渗透到人们工作、学习和生活的各个领域。 1 1 论文的选题背景 1 1 1 研究的意义与现状 v r 技术是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初崛起的一种实用技术，它综合了计算机图形技术、 人工智能、仿真技术等多种学科的最新技术。它由计算机硬件、软件以及各种传感器构成三 维信息的人工环境一一虚拟环墟，以模拟方式为使用者创造一个实时反映实体对象变化与相 互作用的三维图像世界，在视、听、触、嗅等感知行为的逼真体验中，参与者可以直接探索 虚拟对象在所处环境中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中。所以1 m n t e r s i o n - - i n t e r a c t i o n - - i m a g i n a t i o n ( 沉浸一交互一构想) ，这3 个“i ”被称为虚拟现实技术的三要素。 接其功能的不同，可将虚拟现实系统划分为3 种基本类型：浸入型虚拟现实系统，简易型虚 拟现实系统，共享型虚拟现实系统。 美国作为v r 技术的发源地，其v r 技术的发展水平基本上代表了国际发展尔乎现已 风行于娱乐、教学、医学、军事训练、制造、建筑等各个领域。在欧洲，相关部门视v r 为 - - f 7 新兴技术，并已经组织了多次评价v r 的专题活动。而日本主要致力于v r 知识库和游 戏方面的研究，成为实用v r 技术开发居于领先地位的国家之一。在我国，v r 的研究还处 于起步阶段，与发达国家相比还有很大的差距，但也已经引起了政府的高度重视。随着计算 机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，v r 已引起我国各界人士的兴趣与关注，研 灌溉水资源调配虚拟视景仿真的研究和软件设计 _ _ _ _ _ 。_ 。1 _ 。_ 。_ 。_ - 。 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 。_ 。_ - 。- 。1 。一 究与应用v r 建立虚拟环境，虚拟场景模型和分布式v r 系统的开发i e 着深度与广度发 展。 目前国内外有关文献大多从水利专业的视角探讨灌溉水资源调配的功能实现，但是对如 何把灌区系统进行虚拟现实表达以及通过交互的方式在虚拟的三维空间中对灌溉系统进行 实时控制的讨论并不多。在灌区信息系统的虚拟仿真中涉及到地理信息的虚拟现实表达、地 物叠加、水流淹没区的确定方法、实时变互式监控等多项技术和算法。所以本溧题无论在算 法理论或是实际应用方面都有很重要的意义和价值。 1 1 2 软件系统功能分析 灌溉水资源调配虚拟视景仿真系统是在已知灌溉水资源调配过程优化分析结果的基础 上实现这一过程的实耐仿真，通过对数据库中实时数据的获取，动态的显示水资源调配的过 程，这一软件的实现不仅可以为工程设计过程中制定及时、准确的决策，又可以为灌区管理 提供科学有效的手段。所以该软件系统是v r 技术在建筑规划和建筑物虚拟现实漫游两个应 用领域内的有效结合。 灌区的建设通常具有较强的区域性，同时，对场景模拟的细节度要求不离。而简易型虚 拟现实系统是由一台普通的计算机系统组成，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交 互。用户在普通的电脑上，利用鼠标和键盘，就能真实地感受到所虚拟的情景，是一套经济 实用的系统。它具有结构简单、价格低廉，易于普及推广等特点，这些特点与灌溉水资源调 配虚拟视景仿真系统的功能要求大体一致，可作为系统类型的设计取向。 灌溉水资源调配虚拟视景仿真系统不仅耍为用户提供三维的虚拟场景进行实时漫游同 时，场景内的模型还应具有可选择性，这是实现系统决策功能的基础。漫游时用户通过键盘 输入控制漫游路径，随着渠道分布等数据的变化，三维场景内的建筑物的渲染位置也发生变 化n 软件实现时设计以实时方式获取地形数据，动态生成地形，这可使软件具有良好的可塑 性。此外，根据不同的视野要求设计不同的视图模式：根据漫游的要求设计多种漫游方式如： 自动漫游、步行漫游、借助飞行器漫游等：根据气候、季节等自然环境的不同，变化虚拟的 自然场景；建立系统内部的材质数据管理器，地形、地物管理器等系统管理模块。 1 i 3 灌溉水资源调配虚拟仿真中的主要研究内容 灌区主要是通过渠道以及各种取水、分水建筑物，如水闸和泵站等，把灌溉用水从水源 引入田间。因此，其三维场景不仅包括灌区内的自然地形积地貌，也包括灌溉工程建筑物、 水体以及区域内所种植的作物。显然，灌区的三维场景中主要包括地形模型、地物模型和复 杂实体模型等。要确保虚拟场景的真实性和生动性，不仅要构建各种模型，还要建立建筑物 与地形之间的正确叠加，同时，系统要具有良好的交互性和实时性。 2 - 阍海大学硕士论文 第1 章绪论 通过对软件功能的分析，研究工作的主要内容确定如下 1 、基于d 跚的三维地形虚拟现实研究； 2 、地物叠加的研究： 3 、水流淹没区算法的改进研究； 4 、交互性，实时性的研究； 1 2 论文的工作及组织 1 2 1 论文的主要工作 v r 技术是多媒体技术的集成，甚至可以说它是多媒体技术发展的又一高端境界。通过 多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的虚拟环境，用户以自然的方式与虚拟环境中的客体 进行体验和交互作用。从而产生身临其境的感觉和体验。近年来，随着计算机硬件技术的发 展以及虚拟现实系统的推广，这一技术已被广泛应用于各个领域。尤其对当前仿真环境的改 善起到了重大作用，引起了社会各界的普遍关注。 本文细述应用v r 技术进行灌区仿真的过程中所涉及到的相关技术、概念并结合具体 应用对各项技术展开细致的分析评论。总结灌区仿真中运用的各类算法，技巧，为实时的虚 拟现实场景提供方便可行的方法和经验。分析可视化数据的数据结构，以及存储数据的数据 表结构，数据表关系等，为系统实现实时性和交互性奠定数据基础。最后，对这一领域内研 究方向的发展进行总结和展望。 1 2 2 论文的组织结构 第l 章引言部分说明虚拟现实技术应用于灌区运行仿真的意义，并从用户需求角度分析 软件系统功能，突出研究的重点。最后对本篇论文的行文思路及其组织结构作以简单介绍。 第2 章介绍了虚拟场景中真实地形再现所采用的方法一一数字高程模型的基本概念，及 其获取方式。重点叙述地形模型的建模过程、地形模型的可视化以及在可视化时对地形数据 的具体组织形式。 第3 章介绍了v r 技术的发展情况，以及虚拟现实系统的基本特征和类型，在此基础上 重点分析虚拟现实系统的主要构造技术之一一- - o p c n g l 与w i n d o w s 的接口及其工作流程。 最后，简单介绍复杂3 d 模型构建的主要途径。这一章为软件的设计思路提供理论指导，同 时为软件的场景实现提供技术支持。 第4 章根据前面的分析确定数据需求，分析不同类型数据的数据表结构及各种数据表关 系。为实现数据的动态存取，通过分析比较各种数据库存取技术的特点，突出选择a d o 技 术的优势，并对这一技术的对象模型作以简单介绍。 3 灌溉水资源调配虚拟视景仿真的研究和软件设计 第5 章根据软件的功能框架，按照软件的具体实现过程详细叙述软件的设计思想，待需 解决的重点问题，以及功能实现的主要算法。 第6 章对论文进行总结，阐述论文的的研究成果及创新点，说明软件实现的功能所具有 的实际推广价值。 4 河海大学硕士论文 第2 章数字高程模型 第2 章数字高程模型 地形模型是虚拟场景渲染的重要组成部分，它决定了其它地物模型和复杂实体模型在虚 拟场景中的地理位置。通常，地形模型被分为真实地形和模拟地形两类。其中真实地形是 现实世界中真实地形的再现，具有非常高的真实度，必须采用真实世界中具体数据来构造， 在这种情况下一般采用数字高程模型 d i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 方法”j ， 2 0 世纪5 0 年代中期，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任米勒( c l m i l l e r ) 提出 了一个一般性的概念：数字地面模型( d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ，d t m ) 0 1 o 此后，d t m 发展 迅速，并在包括g i s 在内的许多领域中有着广泛的应用研究。d e m 是d t m 的一种特例， 两者都是描述地面特性的空间分布的有序数值阵列。二维分布是由x y 水平坐标系统或者 经纬度来描述。与d t m 不同的是d e m 的地面特征是高程值z ，而不是描述土壤类型、 植被类型和土地利用情况等属性值。所以，可以说d e m 是数字地形模型中最基本的部分， 它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。 2 1 数字高程模型的特点 d e m 是地形表面的一种数字形式，所以增加或改变地形信息只需将修改信息直接输入 到计算机，经软件处理后立即可产生实时化的各种地形图。概括起来，数字高程模型具有以 下显著的特点：便于存储、更新、传播和计算机自动处理；具有多比例尺特性；特别适合于 各种定量分析与三维建模。 根据模型的连续陛可以把数字高程模型分为： ( 1 ) 不连续的d e m ( d i s c o n t i n u o u s ) ：即每一个观测点的高程都代表了其领域范围内的 值，所以任何待内插的点的高程都可以利用最邻近的参考点近似，这时，一系列局部的表面 被用来表示整个地形( 如图2 1 ( a ) ) ： ( 2 ) 连续的d e m ( c o n t i n u o u s ) ：与不连续的d e m s 相反，即每个数据点代表的只是连 续表面上的一个采样值，而表面的一阶导数可以是连续的也可以是不连续的，所以连续的 d e m 包含的是相互连在一起的一系列局部表面或面片，从而形成地形整体的个连续表面 ( 如图2 1 ( b ) ) ： ( 3 ) 光滑的d e m ( s m o o t h ) ：指的是一阶导数或更高阶导数连续的表面，通常是在区 域或全局的尺度上实现，即模型表面不必经过所有原始观测点待构建的表面应该比原始观 测数据所反映的变化要平滑得多( 如图2 i ( c ) ) 。 5 准溉水资源谪配虚拟视景仿真的研究和软件设计 廖留， 图2 1o e m 表面 ( c ) 数字高程模型是地理空间定位的数字数据集合，它的应用可遍及整个地学领域。在环境 与规划中可用土地现状的分析、各种规划及洪水险情预报等。为了再现灌区的真实地形，及 地物环境，以便为水资源调配工程提供形象、可靠的决策依据，必须采用真实世界中的具体 数据来构造，数字高程模型( d e m ) 所具有的特点促使我们选择这一方法构造真实地形， 并以数字高程模型( d e m ) 为基础设计算法求取给定水位条件下的水流淹没区范围。 2 2 数字高程模型的数据获取与内插 d e m 数据包括平面位置和高程数据两种信息，建立d e m 需要大批地貌形态数据，获 取d e m 数据的方法有直接在野外通过全站仪或者g p s 、激光测距仪等进行测量，也可以间 接地从航空影像或者遥感图像以及既有地形图上得到。具体采用何种数据源和相应的生产工 艺，一方面取决于这些源数据的可获得性，另一方面也取决于d e m 的分辨率、精度要求、 数据量大小和技术条件等。 2 2 1d e m 数据获取 航空摄影测量一直是地形图测绘和更新最有效也是最主要的手段，其获取的影像是高精 度大范围d e m 生产最有价值的数据源。利用该数据源，可以快速获取或更新大面积的d e m 数据，从而满足对数据实时性的要求。但是这种方法对软硬件要求较高，且资料昂贵，非测 绘部门一般不用此法，而是在数字化平台上对地形图进行采样。对大多数地区和国家来说一 般都有着包含等高线的高质量新版地形图，这些地形图为地形建模提供了丰富廉价的数据 源，同时，配合使用野外实测( 如：全站仪及g p s 等) 方法来弥补仅使用地形图获取d e m 数据可能存在的实时性较差的不足，这样获取的d e m 数据将满足原始地形数据的各方面要 求根据等商线生成格网d e m 主要有三种方泫：等高线离散化法、等高线内插法、等高线 构建t i n 法。 2 2 1 1 等高线离散化法 将等高线离散化后，采用从随机到援格的转换方法可形成格网d e m ，这种方式很简单， 6 河海大学硕士论文第2 章数字高程模型 思路直观( 如图2 2 所示) 。但是在将等高线离散化时由于没有考虑等高线自身的特性生 成的d e m 格网有可能会出现一些异常情况，比如些格网值会偏离实际地形情况。 ( a ) 等高线囤 t 51 41 3i 2i 【l ll 口9 茸 t 51 41 31 31 2 1 1 1 11 0q 1 5l 毒i 毒1 3 谨 1 2l l l l1 d 1 41 1 41 31 31 31 21 11 1 1 4i 41 41 3i 31 31 3t 2u l 哇1 4i 3i 31 3i 31 3i 2 t 2 1 41 31 31 31 31 31 31 31 2 1 3 i 3 1 31 4l t1 4 i 3 1 3 1 2 1 41 41 41 41 41 41 41 31 3 图2 2 等高线离散化法 格网数据 2 2 1 2 等离线直接内插法 即根据等高线信息确定用于内插所需要的点。在实际应用中较常使用的方法是沿预定轴 方向的等高线直接内插方法，其中预定轴的数目可以是一条、两条或四条。首先计算这些轴 与相邻两等高线的交点，然后利用这些交点通过基于点的内插方法完成内插的过程。但是， 由于等高线不连续可能会导致所使用的预定轴穿过另外一条等高线，这时壹廿果不做特殊处 理，则内插结果是不可靠的，此外，如果臻产生大量的规则格网点该方法的计算效率会比 较低。 2 2 13 等赢线掏建t i n 法 从等高线生成三角网，可以先把等高线离散化成特征点，然后采用从不规则点生成t 州 的方法，或是将每一条等高线当作断裂线或结构线，并且烧定在这些特征线上不能有三危 形生成，用于消除由特征点生成t 时出现的“平三角形”。当生成t r n 后可使用随机 到据格的转换方法由t 烈进行内插快速生成格弼d e m 。 2 2 1 4 d e m 获取方法的选择 灌区的兴建通常需要占用较大的区域，对地形及地秘等要素的表现不要求十分精确，考 虑到灌区虚拟视景仿真系统的整体性价比我们选用包含等高线的高质量地形图作为数据来 源。首先使用等裹线离教纯法生成具有一定水平闻距数格跨d e m 数据，再使用援刚内插方 法加密原始数据点，得到可供使用的d e m 数据。 2 2 2 d e m 数据内插 内插是d e m 的核心问题，d e m 内插有两个目的： ( 1 ) 把离散分布的数据点转化成 灌溉水资源调配虚拟视景仿真的研究和软件设计 规剜网格分布的数值：( 2 ) 加密原始数据点f ，l 。d e m 原始的位置和密度往往不一定能满 足要求，内插可以补充采点数量和密度上的不足。按内插点的分布范围，可以将内插分为整 体内插、分块内插和逐点内插三类。 2 。2 2 1 整体内插 整体内插是由研究区域内所有采样点的观测值建立多项式函数，因此又称整体函数法内 插。描述区域翡菡面形式通常用妇下二元多项式袭示： p ( x - y ) 2 萎嚣e 式中有n 个待定系数c u ( i ，j = o ，1 ，2 m ) ，为求解这些系数，量取研究范围内 不同平面位置的n 个参考点三维玺标：p l ( x ，y l ，z ) ，p 2 x 2 ，托，2 2 ) ，玛( x 3 ，y 3 ，z 3 ) ， p 。( x 。，y 。磊) ，将其代入方程从而使n 阶线性方程组有唯一解。将待插点的坐标代入上式， 可得到待定点的高程值。 整体函数内插法的优点是：易于理解；简单地彤特征因为参考点比较少，选择低次多项 来描述就可以了。但当地貌复杂时，需要增搬参考点的个数。离次多项式插值缀难得到稳定 解，所以实际工作中很少用于直接内插。 2 2 。2 。2 分块内插 由于实际的地形是很复杂的。整个地形不可能用一个多项式来拟合因此d e m 内插中 一般不用整律函数内插，雨采用局部函数内插即分块内插。分块内插是把参考空间分成若干 分块，对各分块使用不同的函数。分块的大小根据地貌复杂程度和参考点的分布密度决定。 典型的局部内接有线性内摇、局部多项式内插、双线性多项式内插或样条函数内插等。特捌 是基于t i n u 正方形格网的剖分法双线性内插是d e m 分析与应用中晟常用的方法。 l 、线性内插 线性内插是使用最靠近插值点的三个已知数据点，确定一个平面，继而求出内插点的商 程值。基予t h q 的内短广泛采甩这秘镀便鳇方法。设疑求鲍蠡数形式为： z = 椎。十az x 手d 抄( 2 1 ) 参数a 。，a t 。3 2 可以根据三个已知参考点如p i ( 。 ，y l ，z ) ，p 2 ( 毪，y 2 ，z ，) ，p 3 ( x 3 ，y 3 ， 2 ：3 ) 计算求得。解算这三个参数可以根据式2 ，1 的矩阵形式进行严密计算： 曰=i 但警三个参考点所构成的凡俺形状趋于一条壹线时。这种严密计算会出现不稳定的解，因此 宣采用双线性内插方法如图2 - 3 所示根据三个已知参考点( a ，b 。c ) 双线性内插方法p - s n 吲、，i；j 乳兜豇 现 取 对 河海大学硕士论文 第2 章数字高程模型 x p ，y p ， z l - - 一z a - t 玉 - 一z a 千 z p 。z l + z p ) 点高程值的算法是： 翻) x 确j & 口翔j ( z c 一“) x ( x t - x a ) ( x c - - x a ) ( z f ) x 1 c f ) ( x r l t ) b a c 其中y p ，y 1 - y ，点1 r 分剐位于直线a b 和a c 上。 这种方法可以保证稳定可靠的解。 图2 - 3 三点双线性内插法 2 、双线性内插 双线性多项式内插是使用最靠近插值点的四个已知数据点组成一个四边形，确定一个双 线性多项式来内插待插点的高程。基于格网的内插广泛采用这种方法。 设确定的函数形式为t z = a e + 啦+ a 2 y + a v r y ( 2 2 ) a 0 ，a l ，a 2 ，a 3 是所求的参数。设四个己知点为p 1 ( x l 。y l 。z 1 ) p 2 ( x 2 ，y 2 ，7 - 2 ) ， p 3 ( a 3 ，y 3 ，z 3 ) ，p 4 ( x 4 。y 4 ，z 4 ) 代入式( 2 - 2 ) 得： 、l x ly l x l y ll i 磁耽粒鞠1 l 码扮均拍i 酗乳x 4 y 4 j 这样式2 - 2 就唯确定了a 如果数据参考点星正方形格网分布，则可以直接使用如下的 双线性内插公式： z p - - - - z a t l 一划l ) i l 一￥，l ) 手z s n y ，l ) ( x l ) q - z c ( x l ) ( y l ) + z d - t l o l ) 。( y l , ) 其中z i 表示i 点的高程值，a 、b 、c 、d 为格网的四个点，l 为格网的边长，( x v ) 为内插点p 在格网内的坐标。 2 2 2 3 逐点内插 分块内插的分块范围在内插过程中一经确定，其形状，大小和位置都保持不变，凡落在 分块上的待插点都用展铺在该分块上的唯一确定的数学面进行内插。逐点内插法是以待插点 为中心，定义一个局部函数去拟合周围的数据点，数据点范围随插点位置的变化而变化，因 此又称移动曲面法。逐点内插法主要包括有移动拟合法、加权平均法、v o r o n o i 图法等。 2 2 2 4 内插方法的选择 一般来说，大范围内的地形报复杂，用整体内插法若选取参考点个数较少时，不足以描 述整个地形。而若选用较多的参考点则多项式易出现振荡现象，很难获得稳定解。因此在 d e n 内插中通常不采用整体内插法。 9 - 、lflifl_、 取 宠 毋 珥 ，。；，。，l i，。，l厂_liillij 幻 赳 起 妈 1，。，。l 壅塑查塑堡塑里塞垫塑墨堕壅垫堡塞塑墼壁墨生一 相对于整体内插，分块内插麓够较好地保留地物细节，并通过块间重叠保持了内插面的 连续性，是应用中选用的策略p 8 1 。其中双线性内插法由于简单直观，常常用于实际工程。 逐点内插应用简便，但计算量较大。其关键问题在于内插窗口域的确定- 这不仅影响到 内插的精度，还关系到内插速度。 选择内插方法要根据各方法的特点，结合应用的不同侧重，从内插精度、速度等方面选 取合理的最优的方法。 2 , 3 数字高程模型表面建模 d e m 是地形表面的一个数学( 或数字) 模型。根据不同数据集的不同方式，d e m 可 以使用一个或多个数字函数来对地袭进行表示。这样的数字函数通常被认为是内插函数。而 对地形表面进行表达的各种处理称为表面重建或表面建模，重建的表面通常可认为是d e m 表面。因此，地形表面重建实际上就是d e m 表面重建或d e m 表面生成。当d e m 表面重 建后模型上任一点的商程信息就可从d e m 表面获得。 地形表面建模主要有4 种方法：基于点的表面建模；基于三角形的表面建模( t i n ) ； 基于格网的建模( g r i d ) ：混合表面建模。 2 , 3 ，1 基于点的表面建模 基于点的表面建模是在单个数据点高程信息的基础上形成系列的子面。从理论上说， 这种方法只涉及到独立的点，所以可用于处理所有类型的数据，但由于其所建立表面的不连 续性，因此并不实用。 2 3 2 基于三角形的表面建模 不规则三角网( t r i a n g u 【d t e di r r e g u l a r n e t w o r k ，简称t i n ) 方法适用于采样点呈不规则分 布的情况下。它直接利用原始的离散采样点来表示地形表面，自从7 0 年代就被人们所使用。 t i n ：挎所有的采样点连结成许多连续的三角形。三角形的形状和大小取决于不规则分布的 采样点的密度和位置。对于只知道所分析区域中的有限个离散采样点的商程值，通常需要用 线性内插的方法得到该区域中的其它点的高程值。t i n 模型是三维空间中的分块线性模型， 它在整个区域中是连续的但不可导。这些三角网可用来作为显示三维立体地形的模型基础。 目前，有许多不同的三角剖分算法。但人们普遍倾向子根据1 ) e i a u n a y 三角形产生准则 ( 即任何个d e l a u n a y 三角形的外接圆不能包含任何其它离散点在该圆的内部) 来构造三 角剖分。这是由于d e l a u n a y 三角剖分能够产生形状较好的三角形f 这种剖分使它产生的所有 三角形的最小角尽量最大) 且计算量相对较少。 i o 河海大学硕士论文 第2 章数字高程模型 t i n 模型能随地形的起伏变化而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而能够克 服地形起伏不大的地区产生冗余数据的问题节省存储空间，同时还能按地形特征点如山脊、 山谷线、地形变化线和其它能按精度要求进行数字化的重要地形特征，获得d e m 数据。不 规则三角网方法能够较好地表示复杂地形，利用它来绘制三维立体图具有较好的显示效果。 它的缺点是数据结构复杂，不便于规范化管理，难以与矢量和格网数据进行联合分析。两 且，由于三角网是不规则排列的，计算每一点高程值的实时性不如规则格网模型。 2 3 3 基于格网的建模 理论上，任意形状的四边形都可用作格网表面的基础，但考虑实际因素，比如输出的数 据结构以及最终的表面形态，正方形格网为最佳的选择。所以，规则格网模型是人们普遍采 用的d e m 模型。世界上第一个被广泛使用的d e m 数据就是由美国国防部制图局利用规则 格网模型开发的。该模型是将地形图蒙上固定大小的格网，逐格读取每一格所代表的高程值 构成d e m 。 由于格网大小是固定的，因此我们可以用一个二维数组把d e m 存储在计算机中1 1 5 】。每 一网格的高程值有不同的表示方法：一种是我们可以把存储的高程值看成是网格中每一点的 高程值，这种情况下，d e m 是不连续的函数：另一种是我们可以把存储的高程值看成是网 格中心的高程值，或网格内的点的平均高程值，这种情况下，就需要用内插的方法获取网格 内每一点的高程值。高程矩阵数据排列规则，结构简单。容易被人理解，计算分析区域中每 一点高程值具有较好的实耐性。而且它便于计算等高线、坡度、坡向、山地阴影，描绘流域 轮廓等。又因为计算机处理矩阵很方便，所以高程矩阵成为最常见的d e m 。 用规则网格模型表示地形的不足是存储量大，数据点的密度对于整个分析区域来说都是 一样的。这样，在地形简单地区容易出现大量的数据冗余，而在地形复杂地区的分辨率较低。 理想的情况应是数据点在复杂地形处的密度大一些，面在乎坦地区密度小一些。因此，针对 这些缺点，人们提出了许多对规则格网系统的改进方法。如采样间隔随地形复杂程度的变化 而变化，在地形简单地区的间隔大，而在地形复杂地区则相应地减小采样间隔。 2 3 4 混合表面建模 对格网网络来说，可将其分解为三角形网络，以形成一线性的连续表面；反之，对不规 则三角网络经内插处理，也可形成格网网络。所以在建立d e m 表面时，也经常用到这两种 方法榍混合的建模方法。这种方法通常称为混合表面建模法。 灌溉水资源调配虚拟视景仿真的研究和软件漫计 2 3 5 表面建模方法的选择 在实际应用中，由于基于点的建模所建立的表面是不连续的。因此并不实用。而混合表 面建模常常可以分解为三角形网络，因此基于三角形( t i n ) 和格网( g r i d ) 的建模方法使 用较多，被认为是两种基本的建模方法。 t i ns d g r i d 都是应用最广泛的连续表面数字表示的数据结构。如前面所述，t i n 具有 许多明显的优点和缺点。t i n 具有存储高效，数据结构简单等特点。而最主耍的优点就是 可变的分辨率，即当表面粗糙或变化剧烈时，t i n 能包含大量的数据点，而当表面相对单 一时，在同样大小的区域，t i n 只需少量的数据点，使数据存储与不规则的地面特征和谐 一致，可以表示纤细功能特征和叠加任意形状的区域边界。另外，t i n 还具有考虑重要表 面数据的能力，在g i s 中得到了普遍使用特别是在三维可视化方面倍受关注。然而，正 是这些优点导致了其数据存储与操作的复杂性。 g r i d 是由一组大小相同的网格描述地形表面，它的优点是能充分表现高程的细节变化， 拓扑关系简单，算法容易实现，某些空间操纵及存储方便：不足的地方是，占用较大的存储空 间，不规则的地面特征与规则的数据表示间存在不协调。 从等高线数据中选取重要的点构成t r n 并生成正方形格同，在二者数据量相同的情况 下t i n 的误差值较小，所产生的地形晕渲图与正射影像图能较好地吻台，当要保持原始 数据的精确性，研究区域较小或要求较准确地表达线状地物时，一般采用t i n 结椅。当 表面采样数据点减少时，g r i d 的质量明显比t 1 n 降低得快。而随着采样点或数据密度的增 加，二者之间的性能差别就变德不太明显。实验结果表明，用g r i d 建立的三维地面模型运 行速度明显大于用t i n 建立的地面模型。因此，对于较大区域，不要求十分精确或不必准 确表现地物要素时，选用g r i d 结构较为适宜。 通常