（计算机应用技术专业论文）真实感三维地形可视化研究与实现.pdf

摘要 三维地形可视化是近年来计算机图形学和地理信息系统相结合而产生的一个新的 研究热点。利用地理信息系统所采集的地质数据资料，通过地形建模，纹理映射，光 照模型设定，投影模式选择以及地形漫游等，可实现具有高度真实感的三维地形动态 显示。 本文在吸取了计算机图形学、现代数学、测绘学等众多领域大量先进理论成果的 基础上，研究了地形建模的基本理论和方法，以地形建模算法和三维立体可视化算法 为主要理论，系统的论述了三维g i s 中地形三维可视化的理论，包括数字高程模型的 地形表面建模技术、地形三维可视化的基本理论、三维地形动态显示技术。 通过研究真实地学演变过程从三维地形的表现形式与建模存在的主要问题入手， 以v c + + 为开发平台，利用o p e n g l 的绘图技术，实现了三维地形的快速建模以及动态显 示，确立了使河道边界具有动态自适应性的搜索算法，实现了对河水泛洪的模拟显示， 使用户可以多角度多侧面地了解地形地貌，为三维地形仿真和洪水演进模拟提供一个 可操作分析的虚拟环境。 关键宇：三维地形可视化河水泛洪 a b s t r a c t 1 1 1 et h r e ed i m e n s i o n a lt e r r a i nv i s u a l i z a t i o ni san e wr e s e a r c hh o ts p o tw h i c ht h er e c e n t y e a r sc o m p u t e rg r a p h i c s a n dt h e 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 u n i f i e d p r o d u c e s g e o l o g i c a ld a t am a t e r i a lw h i c hg a t h e r su s i n gt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h r o u g ht h e t e r r a i nm o d e l l i n g ，t h et e x t u r em a p p i n g ，t h ei l l u m i n a t i o nm o d e lh y p o t h e s i s ，t h ep r o j e c t i o n p a t t e r nc h o i c ea sw e l la st e r r a i nr o a m i n ga n ds oo n m a yr e a l i z eh a sh i g h l yt h e l i r d d i m e n s i o nt h r e ed i m e n s i o n a lt e r r a i nd y n a m i cd e m o n s t r a t i o n t h i sa r t i c l eh a sa b s o r b e dt h ec o m p u t e rg r a p h i c s ，t h em o d e r nm a t h e m a t i c s ，t h es u r v e y s t u d ya n ds oo nt h en u m e r o u sd o m a i nm a s s i v ea d v a n c e dt h e o r ya c h i e v e m e n tf o u n d a t i o n ，h a s s t u d i e dt h et e r r a i nm o d e l l i n ge l e m e n t a r y t h e o r ya n dt h em e t h o d ，t a k et h et e r r a i nm o d e l l i n g a l g o r i t h ma n dt h et h r e ed i m e n s i o n a lt h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o na l g o r i t h ma st h em a i n t h e o r y , i ns y s t e m se l a b o r a t i o nt h r e ed i m e n s i o n a lg i st h et e r r a i nt h r e ed i m e n s i o n a l v i s u a l i z a t i o nt h e o r y , i n c l u d i n gd i g i t a le l e v a t i o nm o d e lt e r r a i ns u r f a c em o d e l i n gt e c h n o l o g y , t e r r a i nt h r e ed i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o ne l e m e n t a r yt h e o r y , t h r e ed i m e n s i o n a lt e r r a i nd y n a m i c d i s p l a yt e c h n o l o g y t h r o u g ht h er e s e a r c ho f r e a lg e o s c i e n c es u c c e s s i o n a lv a r i a t i o np r o c e s sf r o mt h et h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i n sm a n i f e s t a t i o na n dt h em o d e l l i n ge x i s t e n c e ss u b j e c tm a t t e r , a sd e v e l o p s t h ep l a t f o r mt a k ev c 十tu s e so p e n g lt h ed r a w i n g t e c h n i q u e , h a sr e a l i z e dt h et h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i nf a s tm o d e l l i n ga sw e l la st h ed y n a m i cd e m o n s t r a t i o n ，e s t a b l i s h e dh a s e n a b l e dt h er i v e rc o u r s eb o u n d a r yt oh a v ed y n a m i ca u t o a d a p t e dt h es e a r c h i n ga l g o r i t h m ， r e a l i z e dc o n f o r m a b l ed i s p l a yt or i v e rw a t e rp a n h o n g s ，e n a b l e dt h eu s e rt ob ep o s s i b l et h e m u l t i p l ep e r s p e c t i v e sm u l t i s i d eu n d e r s t a n d i n gt e r r a i nl a n d f o r m ，p r o v i d e do n ef o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i ns i m u l a t i o na n dt h ef l o o de v o l u t i o ns i m u l a t i o nt ob ep o s s i b l et h e o p e r a t i o n a la n a l y s i sv i r t u a le n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：t h r e ed i m e n s i o n a lt e r r a i n v i s u a l i z a t i o nf l o o d w a t e ro v e r f l o w 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，真实感三维地形可视化 研究与应用是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 作者签名：兰盎耋2 卑年也月2 加 长春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“长春理工大学硕士、博士 学位论文版权使用规定”，同意长春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 授权长春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：莲盔窒趔年监月笾日 指导导师签名：丝掣盗兰五毋年业月丝日 第1 章绪论 1 1g i s 简介 地理信息系统( 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 ) 的推广应用开始于八十年代。 现今它已经广泛地应用于商业、政府部门、科研机构的各个方面。g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，中文译名“地理信息系统”，是国际上2 0 世纪6 0 年代以来发 展起来的一门新兴技术。它是利用现代计算机图形和数据库技术来处理地理空间及其 相关数据的计算机系统，是融地理学、测量学、几何学、计算机科学和应用对象为一 体的综合性高新技术。其最大的特点就在于：它能把地球表面空间事物的地理位置及 其特征有机地结合在一起，并通过计算机屏幕形象直观地显示出来。这一特点使得g i s 具有更加广泛的用途。1 9 6 3 年，加拿大建立了世界上第一个地理信息系统( c g i s ) 。随 后美国、澳大利亚、欧洲、日本和巴西等国也相继建立各自的地理信息系统。以上这 些国家都是比较早从事g i s 研究与开发的国家，也都是g i s 技术比较发达的国家。1 。 人类生活在地球上，8 0 以上的信息与地球上的空间位置有关。g i s 的出现是信息 技术及其应用发展到一定程度的必然产物。地理信息系统萌芽于上世纪的6 0 年代，1 9 6 2 年，加拿大的r o g e rf t o m l i n s o n 提出利用数字计算机处理和分析大量地利用地图数 据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统( c g i s ) ，以实现专题地图的叠 加、面积量算、自然资源的管理和规划等；与此同时，美国的d u a n ef m a r b l e 在美 国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究， 并提出建立地理信息系统的思想。7 0 年代是地理信息系统走向实用的发展期。美国、 加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对g i s 的研究均投入了大量人力、物力和财力。 到1 9 7 2 年c g i s 全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统：在 此期间美国地质调查局发展了5 0 多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地 形和水资源信息；1 9 7 4 年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储，处理和 检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息；瑞典在中央、 区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系 统、城市规划信息系统等。但由于当时的g i s 系统多数运行在小型机上，涉及的计算 机软硬件、外部设备及g i s 软件本身的价格都相当昂贵，限制了g i s 的应用范围”1 。 8 0 年代是g i s 的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高 的同时，价格迅速下降，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，使g i s 的应用领 域与范围不断扩大。g i s 与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究，如全球 变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及 核废料等；从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题， 如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。在这一时期，出现了一 大批代表性的g i s 软件，如a r c i n f o 、g e n a m a p 、s p a n s 、m a p i n p o 、e r d a s 、m i c r o s t a t i o n 等，其中a r c i n f o 已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质 调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。 9 0 年代为g i s 的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界 的普及，g i s 成为了一个产业，投入使用的g i s 系统，每2 3 年就翻一番，g i s 市场 的增长也很快。目前，g i s 的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业， 涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同 时，g i s 也从单机、二维、封闭向开放、网络( 包括w e bg i s ) 、多维的方向发展”1 。 地图制作和地理分析已不是新鲜事，但g i s 执行这些任务比传统的手工方法更好 更快。而且，在g i s 技术出现之| j ，只有很少的人具有利用地理信息来帮助做出决定 和解决问题的能力。 今天，g i s 已是一个全球拥有数十万的人员和数十亿美元的产业。g i s 已在全世界 的中学、学院、大学罩被讲授。在每个领域里的专家不断地意识到按地理的观点来思 考和工作所带来的优越性。 1 2g i s 的组成与功能 1 2 1g i s 的构成 g i s 的应用系统由五个主要部分构成，即硬件、软件、数据、人员和方法“1 。 ( 1 ) 硬件 硬件是指操作g i s 所需的一切计算机资源。目| ；i 的g i s 软件可以在很多类型的硬 件上运行，从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。一个典型的g i s 硬件系统除计算机外，还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备。根据 硬件配置规模的不同可分为简单型、基本型、网络型。图1 1 是一个典型的基本型g i s 硬件配置，它是一般用户最常用的配置”1 。 ( 2 ) 软件 图1 1g i s 碗件配置 2 软件是指g i s 运行所必须的各种程序。主要包括计算机系统软件和地理信息系统 软件两部分。地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要 的软件部件有：输入和处理地理信息的工具；数据库管理系统工具；支持地理查询、 分析和可视化显示的工具；容易使用这些工具的图形用户界面( g u i ) 。 ( 3 ) 数据 数据是一个g i s 应用系统的最基础的组成部分。空间数据是g i s 的操作对象，是 现实世界经过模型抽象的实质性内容。图1 2 展示了g i s 对现实世界的信息表达与分 层。 一个g i s 应用系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。数据来源包括室内数 字化和野外采集，以及从其他数据的转换。数据包括空间数据和属性数据，空间数据 的表达可以采用栅格和矢量两种形式。空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、 形状、方向以及几何拓扑关系。 幽1 2g i s 对现实世界的信息表达与分层 ( 4 ) 人员 人是地理信息系统中重要的构成要素，g i s 不同于一幅地图，它是一个动态的地理 模型，仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、 管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发，并采用空间分析模型提取 多种信息。因此，g i s 应用的关键是掌握实施g i s 来解决现实问题的人员素质。这些人 员既包括从事设计、开发和维护g i s 系统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决 专业领域任务的领域专家。一个g i s 系统的运行班子应有项目负责人、信息技术专家、 应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。 ( 5 ) 方法 这罩的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。它是在对专 业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。g i s 应用就是利 用这些模型对大量空日j 数据进行分析综合来解决实际问题的。如基于g i s 的矿产资源 评价模型、灾害评价模型等。 1 2 2 地理信息系统的主要功能 一个g i s 软件系统应具备五项基本功能，即数据输入、数掘编辑、数据存贮与管 理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。图1 3 是一个典型的g i s 功能框图= 1 0 。 空间数据处理 缓 几投幽幽冲 何影幅形区 纠 变接叠分 止换 边益拆 ，、 数据外部化 数据制表 ， 地符号化处理 图 颜色设计 ，设 文字编辑 计 多媒体处理 扫描输入 一v 一 i f u 跟踪输入 数据录入 数据编辑 以t yv 输出结果形式 查 查 多发 外幽像信息 一 分 数 询淘 地网兀展 部 地理信息 纸 电色 数据硬 系 空属形络 素趋 制子加据外拷 统 统计信息间性分 分评势 地地网报部贝 数数析 析价预 图 图胶表 形 据据 测 片 式 府埘模块 | 圣| 1 3g i s 功能框囝 ( 1 ) 数据输入 数据输入是建立地理数掘库必须的过程。数据输入功能指将地图数据、物化遥数 据、统计数据和文字报告等输入、转换成计算机可处理的数字形式的各种功能。对多 种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据输入，如图形数据输入、栅格数据 输入、g p s 测量数据输入、属性数据输入等。用于地理信息系统空间数据采集的主要技 术有两类，即使用数字化的手扶跟踪数字化技术和使用扫描仪的扫描技术。手扶跟踪 数字化曾在相当长的时间内是空间数据采集的主要方式。扫描数据的自动化编辑与处 理是空 日j 数据采集技术研究的重点，随着扫描仪技术性能的提高及扫描处理软件的完 善，扫描数字化技术的使用越来越普遍。 ( 2 ) 数据编辑与处理 4 ( 3 ) 数据的存储与管理 数据的有效组织与管理，是g i s 系统应用成功与否的关键。主要提供空间与非空 间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量数据结构、光栅数据结构、矢栅 一体化数据结构是存储g i s 的主要数据结构。数据结构的选择在相当程度上决定了系 统所能执行的功能。数据结构确定后，在空问数据的存储与管理中，关键是确定应用 系统空间与属性数据库的结构以及空间与属性数据的连接。目前广泛使用的g i s 软件 大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用g i s 管理空间数据，用关系数据 库管理属性数据。 ( 4 ) 空间查询与分析 空间查询与分析是g i s 的核心，是g i s 最重要的和最具有魅力的功能，也是g i s 有别于其他信息系统的本质特征。地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容： 空间检索：包括从空问位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空问物体： 空问拓扑叠加分析：实现空恻特征( 点、线、面或图像) 的相交、相减、合并等，以 及特征属性在空自j 上的连接；空间模型分析：如数字地形高程分析、b u f f e r 分析、网 络分析、图像分析、三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型 分析等。 ( 5 ) 可视化表达与输出 中间处理过程和最终结果的可视化表达是g i s 的重要功能之一。通常以人机交互 方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据，根据要素的信息密集程度，可选择放 大或缩小显示。g i s 不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专 题图、各类统计图、图表及数据等。 除上述五大功能外，还有用户接口模块，用于接收用户的指令、程序或数据，是 用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。由于地理信息系 统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系统应用的重 要组成部分，使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。 1 3g l s 的发展现状 g i s 是为解决资源与环境等全球性问题而发展起来的技术与产业。6 0 年代中期， 加拿大开始研究建立世界上第一个地理信息系统( c g i s ) ，随后又出现了美国哈佛大学 的s y m a p 和g r i d 等系统。自那时起，g i s 就开始服务于经济建设和社会生活。在北美、 西欧和日本等发达国家，现在已建立了国家级、洲际之间以及各种专题性的地理信息 系统。我国g i s 的研究与应用始于8 0 年代，近二十年来发展也十分迅速，在计算机辅 助绘制地图等方面丌展了大量基础性的试验与研究工作，在理论、技术方法和实践经 验等方面都有了长足的进步。当今，g i s 系统己成为年增长率为3 5 的新兴技术产业， 出现了诸如a r c i n f o 、m a p i n f o 和g e n a m a p 等著名软件，它们在城市建设、环境保护 和社会发展等方面发挥了巨大的作用，随着科技的发展，g i s 发展的势头越来越迅猛“”。 5 1 3 1 国外地理信息系统( g i s ) 的发展阶段 国外，尤其是西方地理信息系统的发展大致可以分为四个阶段。 ( 1 ) 模拟地理信息系统阶段 自1 9 世纪以来就得到广泛应用的地图( 包括地形图和专题图) 模拟的图形数 据库和描述地理的文献著作模拟的属性数据库相结合，构成了地理信息系统的基 本概念模型。但是，这种模拟式的、基于纸张的信息系统和信息过程，使得空间相关 数据的存贮、管理、量算与分析、应用极为不规范、不方便和效率低下。随着计算机 科学的兴起，数字地理信息的管理与使用成为必然。 ( 2 ) 学术探索阶段 5 0 年代，由于电子技术的发展及其在测量与制图学中的应用，人们开始有可能用 电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。1 9 5 6 年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后这一技术被各国广 泛应用于土地测绘与地籍管理。1 9 6 3 年，加拿大测量学家自先提出地理信息系统这一 术语，并建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) ，用于资 源与环境的管理和规划。稍后，北美和西欧成立了许多与g i s 有关的组织与机构，如 美国城市与区域信息系统协会( o r i s a ) ，国际地理联合会( i g u ) 地理数据收集和处理 委员会( c g d p s ) ，等等，极大地促进了地理信息系统知识与技术的传播和推广应用。 ( 3 ) 飞速发展和推广应用阶段 7 0 年代以后，由于计算机技术的工业化、标准化与实用化，以及大型商用数据库 系统的建立与使用，地理信息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。 其结果是：( a ) 一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统( l i s ) 和资源与 环境信息系统( g i s ) ，如1 9 7 0 年至1 9 7 6 年，美国地质调查局先后建5 0 多个信息系统， 其它国家也相继发展自己的g i s ；( b ) 关于g i s 软件、硬件和项目开发的商业公司篷勃 发展。到1 9 8 9 年，国际市场上有报价的g i s 软件达7 0 多个，并出现一些有代表性的 公司和产品，如美国环境系统研究所的a r c i n f o ，i n t e r g r a p h 公司的m g e ，及g e n a s y s 公司的g e n a m a p 等等。( c ) 数字地理信息的生产标准化、工业化和商品化。如美国地 质调查局( u s g s ) 已经建立起数字地图生产技术体系，可定期向社会发布d l g 、d e m 等 标准地理数据。( d ) 各种通用和专用的地理空间分析模型得到深入研究和广泛使用，g i s 的空间分析能力显著增强。( e ) 有关g i s 的具有技术权威和行政权威的行业机构和研 究部门在g i s 的应用发展中发挥引导和驱动作用。如美国国家科学基会会支持的国家 地理信息和分析中心( n c g i a ) 每年都要制定g i s 技术优先发展计划，以促进全国g i s 事业发展。 ( 4 ) 地理信息产业的形成和社会化地理信息系统( s o c i a lg i s ) 的出现 9 0 年代以来，随着互联网络的发展及国民经济信息化的推进，地理信息系统作为 大的地理信息中心，进入日常办公室和千家万户之中，从面向专业领域的项目开发到 6 综合性城市与区域的可持续发展研究，从政府行为、学术行为发展到公民行为和信息 民主，成为信息社会的重要技术基础“。 1 3 2 我国地理信息系统( g i s ) 应用发展状况 我国对g i s 的研究起步较晚，但是近二十年来，在各级政府和有关人士的大力呼吁 和促动下，我国的地理信息系统事业突飞猛进，成绩巨大。我国g i s 的发展可以划分 为四个阶段。 1 起步阶段( 1 9 7 8 1 9 8 0 年) 主要行动在于概念引入和知识传播，以及关于遥感分析、制图和数字地面模型的 试验研究。 2 准备阶段( 1 9 8 0 一1 9 8 5 年) 主要在理论体系的建立，软、硬件的引进，相应规范的研究，局部系统或试验系统 的开发上取得进步，为g i s 的全面发展奠定基础。 3 加速发展阶段( 1 9 8 6 1 9 9 5 年) g i s 作为一个全国性的研究与应用领域，进行了有计划、有目标、有组织的科学试 验与工程建设，取得一定的社会经济效益。主要表现在：( 1 ) g i s 教育与知识传播的热 浪此起彼伏，g i s 成为空间相关领域的热门话题；( 2 ) g i s 建设引起各级政府高度重视， 其发展机制由学术推动演变为政府推动；( 3 ) 部分城市和沿海地区g i s 建设率先进 入实施阶段，并取得阶段性成果；( 4 ) 出现商品化的国产g i s 软件、硬件品牌；出现 专门的g i s 的管理中心、研究机构与公司；出现专门的g i s 协会，涌现一批g i s 专门 人才；出现专门的刊物与展示会；初步形成全国性的g i s 市场。( 5 ) 在应用模式、行 业模式和管理方面作了有益的探索。 4 地理信息产业化阶段( 1 9 9 5 至今) 目前，我国g i s 的发展正处于向产业化阶段过渡的转折点。能否借助国际大气候 的东风，倚重国内经济高速发展的大好形势，搭乘全球信息高速公路的快车，实现地 理信息产业化和国民经济信息化，这是国内地理信息界人士面临的严重挑战和千载难 逢的机遇。而在这一过程中，一方面需要探索建立一套政府宏观调控与市场机制相结 合的地理信息产业模式，另一方面，则要充分总结和借鉴国内外地理信息系统项目建 设的经验和教训，建立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模式， 推动地理信息系统在社会主义各项事业中更加深入和广泛的应用“”。 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。它们大小不一，风格各异。国外较著 名的g i s 平台有i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a p r o ，m g e ；a u t o d e s k 公司的a u t o c a dm a p ： e s r i 公司的a r c v i e w 、a r c i n f o ：g e n a s y sc o r p 公司的g e n a m a p ；西门子利多福公司 s i c a d ；b e n t l e y 的m i c r o s t a t i o ng e o g r a p h i c s , m a p i n f o 公司的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 、 m a p b a s i c 、m a p x 、m a p x t r e m e 、m a p l n f os e r v e r 、s p a t i a lw a r e 等。 1 4 研究目的和意义 7 研究目的 三维景观的绘制方法及实时显示是本研究的主要内容。在构建三维地形模型的基 础上，探讨其在虚拟环境下可视化实现问题。利用虚拟现实与地理信息系统相结合， 研究建立虚拟仿真环境中三维地形模型及其三维动态可视化显示的技术，为复杂地理 环境提供集成的、全交互及人机和谐的方法是本文的研究目的。 研究的意义及应用价值 1 由传统的以平面地形图为介质表示二维现实地形到用计算机完成三维地形世界 的真实再现，以一种直接的、可视化的、易于理解的形式表示三维地表信息，是客观 真实的立体地形认识和表示的飞跃。 2 地形可视化与三维景观实时显示是时空一体化地理信息系统的关键问题，三维 和四维地理信息系统能否准确、迅速地生成三维模型成为衡量基于g i s 的应用系统是 否实用的标准之一。 3 该项技术的快速实现对三维地理信息系统( t g i s ) 、战场环境仿真、娱乐与游戏、 地形的穿越飞行、土地管理与利用、气象数据的可视化、飞行人员、军事情报人员和 军事战事等领域具有现实意义。 4 以地形模型研究为基础，开展地形或大型工程、著名风景名胜区的三维景观实 时显示的研究，对于大型工程管理和仿真具有深远的学术意义。 1 5 论文的主要研究内容 三维地形相关理论和方法的研究是当前计算机图形学、科学计算可视化、地理信 息系统、测绘、虚拟现实等领域研究的热点内容之一。本课题将在系统深入的研究和 分析国内外计算机图形学、制图学、数字摄影测量以及g i s 中有关地形三维显示技术 的基础上，对三维地形建模在虚拟环境下可视化进行较为系统的探讨，实现三维地形 仿真。 论文通过对数字地形表示的对比，阐述了三维地形建模的基本原理，探讨三维地 形仿真技术。 论文的具体研究内容如下： ( 1 ) 三维地形的建模技术与可视化 在分析o p e n g l 操作原理的基础上，对三维地形模型的构造原理和方法进行研究和 实现。 ( 2 ) 真实感地形流域模型的生成 根据生成的模型数据，对真实感三维地形的可视化进行研究和实现。 ( 3 ) 河道边界自搜索算法的研究 通过对各种搜索算法的比较，确立使河道具有自适应性的边界搜索模型 ( 4 ) 河水泛洪仿真模拟的实现。 8 第2 章三维地形可视化 对地形进行直观展示，曾先后出现过写景法( s c e n e g r a p h y ) 、地貌晕翁法 ( h a c h u r e ) 、地貌晕渲法( s h a d i n g ) 、分层设色法( l a y e rt i n t i n g ) 等方法，但是由于其 数学上的不严密性、绘制的复杂性以及绘制结果的不可量测性等缺陷而无法得到广泛 的应用“。直到计算机科学产生尤其是计算机图形学和相关理论的建立和应用，真实 准确地展现三维地形才成为现实。 2 1 三维可视化 2 1 1 三维可视化的概念 三维可视化( 或称真实感图形) 是一种计算机图形生成技术，它首先在计算机中构 造显示所需的几何模型，然后根据一定的光照条件，计算显示屏幕上可见的各景物表 面的光线亮度，使观察者产生如临其境的视觉效果“。p c 机显示器是光栅图形显示器， 其显示屏幕由一系列显示单元组成，每一个显示单元称为一个像素。生成三维图形时， 必须逐个像素地计算画面上相应景物表面区域的颜色。在计算可见景物表面区域的颜 色时，必须考虑光源( 包括环境光) 一定光源条件下物体表面区域的背向、材料以及 反射特性等，也就是说，这种计算必须基于一定的光学物理模型，即光照模型。基于 场景几何和光照模型生成一幅真实感图形的过程称之为绘制( r e n d e r i n g ) “。 2 1 2 三维可视化的一般过程 尽管三维空间数据的数据结构各不相同，但是三维可视化的流程却大体类似。如 图2 1 按照流程一般可分为以下几个过程 图2 ，1 三维司视化流程图 数据准备：通过对三维实体( 物质) 和空间现象进行计算机数值模拟，形成数据 文件或数据文件库。文件格式由生成数据的工具或软件来确定，其数据结构对构建模 型的人来说是透明的。数据精练与处理：对于数据量过大的原始空间数据，需要对其 进行精练处理，以达到在一定显示精度的前提下尽可能地减少数据量、降低计算负荷、 提高显示速度的目的。可视化映射：这是整个流程的核心，其含义是，将经过处理的 9 原始数据转换为可绘制的几何图形要素( 点、线、面或其组合) 并确定其属性。即怎 样确定用户可见的可视化要素( 形状、光亮度、颜色以及其他要素) 表示出原始数据 中人们感兴趣的性质和特点，在这个过程中需要进行三维建模、纹理映射、选择光照 模型等具体工作。三维图形绘制：即按照一定的光照模型将第三步产生的几何要素转换 为可供计算机显示的图像，基本技术包括：视点变换、光照计算、隐藏面消除等。这 个过程可以借助现有的图形软件包( 如o p e n g l ，d i r e c t 3 d 等) 及图形硬件来完成。场 景显示与交互：将三维场景显示在特定的窗口系统中并完成其他图像操作如图像的几 何变换、图像格式转换以及动态输出等。场景显示与交互是三维图形应用系统开发过 程中的重要环节，是评价三维可视化图形系统的重要指标“”“”“。 2 2 地形三维可视化 三维计算机图形学与g i s 的结合，产生了地形可视化技术。地形三维可视化，研 究数字地形模型( d t m ) 数字高程域( d i g i t a lt e r r a i nf i e l d ) 的显示、简化、仿真等 内容“，是三维地理信息系统( 3 d g i s ) 的基础。地形三维可视化技术在国防建设、工程 规划、科学研究等方面具有重要的应用价值，也是g i s 工业界角逐的重点目标。美国 陆军测绘工程中心( t e c ) 编制的d r a w l a n d 软件就是一种供作战模拟的三维可视化工具， 在作战模拟和武器测试中发挥了重要作用。目前国际上有代表性的三维实时仿真软件 有e v a n s s u t h r l a n d 公司的r a p i ds c e n e 软件，s g i 公司的i n v e n t o r 和p e r f o r m e r ， p a r a d i a m 公司的v e g a ，t e r r e x 公司的t e r r a v i s t a ，e q u a p e 公司的b l u es k y ，e r d a s 公司的i m a g ev i r t u a lg i s 等“”。国内从事三维可视化研究和技术开发的公司也在增 多，已有一些较为成熟的软件投放市场，如武汉大学的i m a c i s 、北京灵图公司推出的 l i n g t ug i s 等。和三维可视化的一般流程类似，地形三维可视化主要包括以下几个步 骤： 如图2 2 所示 数字地形的表空间 利用地形 示和转换 数据 空间地场景 三角网精炼 数据形显示 格网 与简 进行渲与交 地表染互 其他格式化 造型 图2 ，2 地形三维町视化土要步骤 i o 第3 章三维地形建模技术 3 1 数字地形的表示 3 1 1 数字地面模型( d t m ) 数字地面模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l e s ) ，简称d t m ，是2 0 世纪5 0 年代由美国 m i t 摄影测量实验室主任米勒( m i l l e r ) 首次提出的。几十年来，数字地面模型在测绘和 遥感、农林规划、土木水利工程、地学分析，以及地理信息系统等各个领域得到了广 泛的应用和研究。m i l e r 给出d t m 如下的定义：数字地面模型是利用一个任意坐标场中 大量选择的已知x 、y 、z 的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，d t m 就是地形表面简单的数字表示“。数字地面模型更通用的定义是描述地球表面形态多 种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用下述二维函数系列取值的有 序集合来概括地表示数字地面模型的丰富内容和多样形式： k p = f k ( u p ，v p ) ( k = l ，2 ，3 ，1 1 1 ：p = l ，2 ，3 ，n ) ( 3 一1 ) 式中，k p 为第p 号地面点( 可以是单一的点，但一般是某点及其微小领域所划定的一个 地表面元) 上的第k 类地面特性信息的取值；u p ，v p 为第p 号地面点的二维坐标，可 以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m ( m 大于等于 1 ) 为地面特性信息类型的数目n 为地面点的个数。当上述函数的定义域为二维地理空 间上的面域、线段或网络时，n 趋于正无穷大；当定义域为离散点集时，n 一般为有限 正整数。例如，假定将土壤类型编作第1 类地面特性信息，则数字地面模型的第1 个 组成部分为： i p = f i ( u p ，v p ) ( p = l ，2 ，3 ，n )( 3 2 ) 地理空间实质是三维的，但人们往往在二维地理空间上描述并分析地面特性的空 问分布，如专题图大多数是平面地图。数字地面模型是对某一种或多种地面特性空间 分布的数字描述，是叠加在二维地理空间上的一维或多维地面特性向量空日j ，是地理 信息系统( g i s ) 空问数据库的某类实体或所有这些实体的总和。 3 1 2 数字高程模型( d e m ) 在式( 3 - 1 ) 中，当m = l 且f k 为对地面高程的映射，( u p ，v p ) 为矩阵行列号时，式 ( 3 一1 ) 表达的数字地面模型即所谓的数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简称 d e m ) ，显然，d e m 是d t m 的一个子集。实际上，d e m 是d t m 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。总之，数字高程模型d e m 是表示区域d 上的 三维向量有限序列，用函数的形式描述为： v i = ( x i ，y i ，2 1 ) ( i = l ，2 ，3 ，n )( 3 3 ) 式( 2 3 ) 中，x i ，y i 是平面坐标，z 是( x i ，y i ) 对应的高程。当该序列中各平面向量的 平面位置呈规则格网排列时，其平面坐标可省略，此时d e m 就简化为一维向量系列 z ， i = l ，2 ，3 ，n p 8 。 与传统的地形图比较，d e m 作为地形表面的一种数字表达形式有如下特点： ( 1 ) 容易以多种形式产生地形。 地形数据经过计算机软件处理后，产生多种比例尺的地形图、纵横截面图和立体 图。而常规地形图一经制作完成后，比例尺不容易改变，改变或者绘制其他形式的地 形图，则需要人工处理。 ( 2 ) 精度不会损失。 常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失去原有的精度。而d e m 采用数字媒 介，因而能保持精度不变。另外，由常规的地图用人工的方法制作其他种类的地图， 精度会受到损失，而由d e m 直接输出，精度也可控制。 ( 3 ) 容易实现自动化、实时化。 常规地图需要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，不利 于地图的实时更新。而d e m 由于是数字形式的，所以增加和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的显著特点：便于存储、更新、传播和计算机自动化处理；具有 多比例尺特性，如l m 分辨率的d e m 自动涵盖了更小分辨率如l o m 和l o o m 的d e m 内容： 特别适合各种定量分析与三维建模啪1 。 在地理信息系统中，d e m 最主要的三种表示模型是：规则格网模型( g r i d ) ，等高线 模型( d l g ) 和不规则三角网模型( t i n ) 。 3 1 2 1 规则格网模型 规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域 空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩 阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个 高程值，对于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是格网栅格观点，认为该格 网单元的数值是其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一的高 度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。第二种是点栅格观点，认为该网格单元 的数值是网格中心点的高程或该网格单元的平均高程值，这样就需要用一种插值方法 来计算每个点的高程。”。计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4 个中 心点的高程值，采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用样条函数和克里会插 值方法。规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结 构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取 流域地形，使得它成为d e m 最广泛使用的格式，目前许多国家提供的d e m 数据都是以 规则格网的数据矩阵形式提供的。格网d e m 的缺点是不能准确表示地形的结构和细部， 为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、断裂 线，以描述地形结构”。格网d e m 的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不 方便，通常要进行压缩存储。d e m 数据的无损压缩可以采用普通的栅格数据压缩方式， 如游程编码、块码等，但是由于d e m 数据反映了地形的连续起伏变化，通常比较“破 普通压缩方式难以达到很好的效果，因此对于网格d e m 数据，可以采用哈夫曼编码进 行无损压缩；有时，在牺牲细节信息的前提下，可以对网格d e m 进行有损压缩，通常 的有损压缩大都是基于离散余弦变换( d i s c r e t ec