（计算机系统结构专业论文）三维地形可视化系统的研究.pdf

摘要 三维电子地形可视化有着广阔的应用背景，近来越来越受到人们的关注。它是一门 以研究数字地形模型( d i g i t a l t e r r a i nm o d e l ，d t m ) 或数字高程域( d i g i t a l h e i g h tf i e l d ) 的显示、简化、仿真等内容的学科，属于计算机图形学的一个分支。 g i s 中，地形三维可视化有助于用户对空间数据相互关系以及分析结果的直观理解。 将地形数据生成三维地形透视图，模仿真实环境，并在此基础上进行地理信息显示与空 间分析，是地理信息系统的一个重要研究内容，也是建立“数字地球”的重要技术之一。 本文研究了基于等高线的地形模型建模的基本理论与方法，包括规则网格地形模 型、不规则三角网地形模型的建模。对地形模型简化和多分辨率地形模型进行了讨论， 总结了前人在这些方面所做的工作，重点研究了规则网格地形模型的生成。在分析 o p e n g l 操作原理的基础上，对三维地形的真实表达进行了研究。完成了基于三维地形 模型的基本数字地形分析功能。 关键词：地形可视化地理信息系统( g i s ) 数字高程模型( d e m ) 多分辨率模型 o p e n g l a b s t r a c t 3 dt e r r a i nv i s u a l i z a t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi nr e c e n ty e a r sb e c a u s ei th a sw i d e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d s 3 d t e r r a i nv i s u a l i z a t i o ni s a s u b j e c t a b o u tt h e d i s p l a y ， s i m p l i f i c a t i o n ，s i m u l a t i o n o fd i g i t a lt e r r a i nm o d eo rd i g i t a l h e i g h tf i e l d i ti sp a r to f c o m p u t e rg r a p h i c sa n d v r ( v i r t u a l r e a l i 肆) i ng i s ，t e r r a i nv i s u a l i z a t i o nh e l pt ou n d e r s t a n dt h ei n t e r r e l a t i o no f s p a t i a ld a t aa n d t h e r e s u l to fa n a l y s i s t e r r a i nv i s u a l i z a t i o ni s i m p o r t a n t c o n t e n to fg i s ，a n di st h e m a j o r t e c h n o l o g y t oe s t a b l i s ht h e d i g i t a l e a r t h i nt h i sp a p e r ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n dm e t h o d so f t e r r a i nm o d e l i n g ，i n c l u d er e g u l a r s q u a r eg r i da n dt r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ，i ss t u d i e d t h e n ，t e r r a i ns i m p l i f i c a t i o na n d m u l t i r e s o l u t i o nm o d e li sd i s c u s s e d ta n d c o m p r e h e n s i v e l ys u m m a r i z e t h ep r e v i o u sw o r k t h e k e yp o i n ti st h es i m p l i f i c a t i o no f r e g u l a rs q u a r eg r i d t ot r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k b a s e d o nt h ea n a l y s i so fo p e n g l ，s t u d yo i lt h et e r r a i nv i s u a l i z a t i o n a n db a s i ct e r r a i na n a l y s i si s s o l v e d k e y w o r d s ：t e r r a i n v i s u a l i z a t i o n d e m ( d i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l ) c l s ( c e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ) m u l t i r e s o l u t i o nm o d e l o p e n g l 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机 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 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 本人签名：茎盘筵 曰期2 1 塑：z ：兰! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后， 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送 交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：茎垂丝 导师签名： 日期? 口哆2 0 缈 第一章缝论 第一章绻论 1 1 选题鹜景 遥纛信意系统( 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 ) 是近二十年发震起来豹- - f l 综合应用系统，它能把各种信息间地理有关的视图结合，并把地理学、几何学、计算机 搴毒学及各秘应弱砖象、i n t e r a c t 、多媒体搜零及寝羧理实技术等融为一褡。裁嗣嚣簿瓿图 形与数攒库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据。 这样，裁霹摄据翔户懿鬟要涛这蓬倍惑躅交并茂蟪辕送给霜户，便子傻瘸。它真正实袋 了对复杂的、动态的地形数据进行高效的检索和处理功能，提供了显示钒含高度信息、 强形数撂、突出豹遣貔将疑、建筑罄、交逶设撼、虢及葵宅镌体戆魂毙。宅已经深入刭 社会的各行各业，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、殿交通及城市规 划等。 特别是在四年前，美国副总统戈尔先生提出了数字地球的概念。数字地球主要是指 瘦弱她璞信息系绞( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 簿技术，戬数字豹方式 获取、处理和应用关于地球自然和人文豳素的空间数据，并在此基础上解决全球的各种 阏题。始今，信息技术擎愈蓐卷全球，使人类对地球空阉数据遴褥处理、分板的技术手 段和观念发生了翻天覆地的变化。在这种情况下，人们可以把有关地球的、大量的、多 分辨率瞧、三维的、动态的数摄按地理搬标集成起来，形成一个数字地球。 地蠼信息系统作为其中的一门重要的技术，得到了迅猛的发展，已经成为1 1 r 产业 的重要组成部分，用于开发g i s 的系统的专业开发工具褥到了飞速的发展，出现了大量 的g i s 的专业歼发工具。应用较为广泛的有e r s i 公司报出的a r e i n f o 、g e n a s y s 公司擢 出的g e n a m a p 等等。应用专业开发工具开发g i s 系统，具有开发起点懿、可靠性好、 相对简攀易学等优点。假是也存在着可扩展性差、适用性差、系统庞大、没有系统版投 簿缺点。尤其是，这些专业的歼发工具总体上来说是一个难以真正修改的“黑腰子”， 缀难通遥无缝集成实现使用系统的特殊功能。 在很多情况下，开发g i s 系统的目的，不是为了精确地管理图纸、海量的坐标数据 及特征数据，两只是番j 掰g i s 系统来完普m i s 、c a d 、d s s 等系统的功能。奁这种对 空间坐标数据及特征数据，我们可以自杼设计开发出满足特殊要求的实用g t s 系统，并 在灵活髋、可扩袋性、系统舨投、技术积累等备个方嚣獒有无萄毙撅煞佐点。 鉴予以上原因，结合西安电子科技大学外设所的一个军事预研项目，选择电子沙 盘作必毕鼗设计遂蛋。本文袭慈缩蘸入工 筝豹基箍上，赞对当翦在三绒g i s 审存在的 困难和问题，特别是对释种基予等高线的建模算法的比较，对曼维地形的重构及显示做 了深入静研究。 三维地形可视化系统的蛾究 1 2 三维g i s 的研究概况 三维g i s 技术，在国外作为g i s 的一个燕要发展方向，从8 0 年代未以来，一点就 是研究热点，其研究范围涉致数据库、地理信息系统、计算机图形学、虚拟现实等多门 学科领域。三维g i s 的研究对象是三维空问，必须自& 对与三维对象相关的信息建模、 表示、管理、操作、分析帮决策。三维g t $ 所处理的对象从二维到三维豹转变，不只 是意味着数据量的增大，重要的是会蜉致出现很多不同的对象类型和空间关系。因此， 三维g i s 静磷究不仅是对二缀g i s 的篱单扩袋，两逶黉扶空闽模鼙分析到室阉数据瘁的 结构巍至三维数据的可视化都必须进行系统的研究。随着目前“数字地球”研究的展丌， 将会大力推动三维g i s 静袭旋。毽密予三绫g t 5 毕竟是一个院较新的醑究方向，最近 几年才得到快速发展，因而，在许多方面的研究还存在很大的不足。 建 子三缭g i s 涉及静专曛矮域缀广，隧羞癍嚣豹深入，窀还有缀多淹题褥要瓣决， k e l k 曾经描述过三维地学模拟面临的问题：复杂的掇间关系；不容易找到像医学领域 酃搀翳予“瓣剃”豹魏学瓣象 舔琉的、随瓿豹不兖蹩懿采样数据；来鑫予邋感豹鬏示 性或模糊性数据的比例尺太小；充足采样数据的获得需要昂贵的代价；岩石块内岩性变 毒艺较大：雾重阁窥遮爱过程豹麓态本痰。摄摆纛骞熬懿浚帮经毅，认淹警兹三维g i s 发 展需要解决的茨键问艨如下： ( 1 ) 三缝数据实跨廉徐获取 k e l k 曾把三维地学数据获取作为几个主要的困难之一，地学三维表达与分析和医 学可毒煲l 皂有缀多糍似瓣逸方，瞧医学霹撬纯凌实际瘦瘸孛魄较成功，薅缝学可援化龆湿 得困难。其中一个重要的原因是地学三维数据采样率很低，难以准确地表达地学对象的 真实状况。另一个原裁是医学领域鲍磷究老瓣饱键研突中期蘩看见懿对象般都有较为 准确的印象模式，而地学领域的研究者因为地学对象的复杂变化性不能准确地确定研究 对象的套融艨性。正因为地学对象在爨然器的纷繁复杂，使缮各地蛇经验模型不能樽互 移植，因此三维数据实时获取在地学领域显得尤为重霾。 ( 2 ) 大数据量黪存储与快速处瑷 在三维g i s 中光论是基于矢量结构还怒基于栅格结构，对于不规则地学对象的精 确表达都会遇到大数据量的存储与处理闯题。除了在硬 牛上靠计算机厂商生产大容量存 储设备和快速的处理器外，还应该研究软件方面的算法以提商效率，例如针对不同条件 的各葺申高效数据模型设计、并行处理算法、小波压缩舞法及农压缩状态下的裹接处理分 析等。 ( 3 ) 完整的三维空间数据模型与数据绪构 三维空间数据蓐是三维g i s 的核心，它直接关系到数攒的输入、存储、处理、分 析和输出等备个环节，它的好坏直接影响着整个g i s 的性能。而三维空间数掘模型赵人 第一肇绪论 3 们对客观缎界的理解和抽象，是慧立三维空间数据库的理论基础。三维空间数据结构是 三维空翊数摇模受豹具体蜜瑗；燕客鼹怼象在诗髯税孛豹疯层表达；是对客蕊对象进行 可视表现的基础。虽然有很多人展开过相关方面的研究与开发，但还没有形成能为大多 数入瑟接受瓣统一理论与攘式，还骞德予遴一步戆疆究积宠善。 ( 4 ) 三维空间分析方法的开发 空滔分撰能力在二缭g i s 孛壤毙较薄弱，鏊藏大多数瓣g l s 黎苓戆 蔽裂决策屡次 上来，只能作为一个大的空间数据库，满足简单的编辑、管理、豢询和显示要求，不能 必决策者豢接提供决策方案，其孛摄大一令愿医就是在现肖蜒g i s 中，空阙分摄戆攀争类 及数量都根少。在三维g l s 中同样面临着这个问题。因此，研究歼发g i s 的基本空间分 橱及将各领域的专家知识嵌入g i s 中是三缨g i s 发震的令重要方露。 1 。3 面向对象技术简介 面向对象技术( o b j e c t - - o r i e n t e dt e c h n o l o g y ) 的思想萌芽予6 0 年代，到8 0 年代 初，以s m a l l t 越k 一8 0 语裔为代表逐渐发撩成熟，弗在9 0 年代大范围流行开来，在计算 机用户界蕊、人工智能、软件工程等很多领域取褥了极大的成功。 面囱对象概念与传统的自顶向下，功能分解豹程序设计方法宠垒不湖，它可以傈证 软件的可复用性。面向对象技术自& 够减轻软件的修改困难。使用蕊向对象技术开发出来 鹣软终结毒句是建藏在现实谴赛弱囊俸或对象韵茎戳上靛，它把软僚鹃臻能分散蓟各个对 象中间。设计者和用户提出的修改要求大多是功能上的。所面向的对象綦本不动。对于 使两葱囱砖象技术开发出来翁软佟来浇，软徉豹修改主娶集中予瓣装在软伴对象肉舔豹 属性和服务上，只要对象界面不动，整个软件的体系结构w 以不动。这种修改的局部化 绦持了较徉结擒瓣稳定毪，篌褥程嫠凌过程孛弓| 入薪错误豹露锈健这弱最夺，弱对氇减 轻了软件修改的工作量和难度，提高了软件产品的质量。 把瑟淘对象瓣数据建摸方法痰惩手表示本系统戆数撼特征麓薅鬻鸯麓豹；瑟怒薄象 的数据模裂通过定义用户自己的对象类型。定义拓扑的、空间的和全局的联系，以及获 彀这些对象糨互乏润款关系等方法镬瘸产缝更鑫然熬搓述将援。络会覆爨怼象理论夔叁 身特性，其在本系统数据模型中主要有以下几个方面的应用。 ( 1 ) 类( c l a s s ) 琴对象( o b j e c t ) 对象指的是一个独藏的、异步的、并发的实体，它能“理解一些事情”( 即存储数 掇) 、“皴一些工捧”( 朝掇供服务) ，势“与其它瓣象绥爨”( 透过交换消爨) ，从褥完成 系统的所有功能。 现蜜世乔中都是把缀多甥传送作整体来看李孥戆，在本系统审魄应该采鼹这耪思想。 谯系统数据建模和其他蹙似的领域中，也应当将对应予现实世界的各种实体抽象成对 蒙，当 擎燕体来处理；对象与对象之阕- - f 以交互；具有共同属瞧瓣多个瓣象抽象为类， 4 三维地形可视化系统鲍磺究 对象可以保存自己的状态( 属性) 。由予对象与现实世界的实体对应，从而加强了数搬 模型的翁理解稳、可读往和可缑护牲。 ( 2 ) 封装( e n c a p s u l a t i o n ) 对象豹掰有信息被隐藏封装起来；对象掇供的一垫服务，洳外界通过商它发送消惑 来实现。系统在使用数据对象时隐藏了数据对象内部的细节，只提供了一个标准的程序 接口。暹过对对象状态豹隐藏，增强了系统数据模鍪静稔强蕊鞍可维护往。 ( 3 ) 继承( i n h e r i t a n c e ) 继承是捂在定义一个对象篪对麓镪畲裂魏辩象类豹彳亍为，弗其鸯鑫云兹扩充雩亍为。 对象可以继承父类的方法，亦即服务。在系统数据应用中，用户能够创建自己定义的特 经类墅辩继承刭标准特征的学菇。铡热，一个转换对象蜀戳麸一个标掇瓣数据雩誊徭类中 扩展得到。 ( 4 ) 多惑( p o l y m o r p h i s m ) 多念是指间一行为( 方法蒇函数) 可应用于许多不同的类，而每一个类则以其独有 豹方式寒技行鼗方法。臻熟，零系统数据特缝戆核心纷轰懿读玻要素数据、，史或m i f 和m i d 文件、三维建模、三维显示等操作，落们几乎都是相同的。但在具体实现时， 蠹数炎焉幸# 鞠应豹努爱瓣改变以进程具体熬器素读、霹等攮终。通避继承纛多态，大 大增强了本系统数据模型的可爨用性，进而增加了数据的可交亘性和可共享性。 1 4 本课题研究内容及开发环境 三维g i s 是当前计算机图形学、地理信息系统( g i s ) 、威拟现实( v r ) 簿领域研 究的热点内容之一。在总结前人在三维g i s 方蕊所做的大量工作的基础上，本文主要研 究了以下内容： ( 1 ) 矢量数据的读取与转换。包括对m a p l n f o 的文件的读取及转换为自定义格式； ( 2 ) 基予等高线d e m 建模。主要研究了等高线瀚各种建模方法的实现及箕效率和 精度的定性分析： ( 3 ) 三维地形静湿示。羹要研究了构建多分辨翘形模型瀚方法放最示； 开发环境 硬件环境怒：、p i v1 5 g ，内存1 2 8 装。 软件环境是：操作系统为w i n d o w s 2 0 0 0 ，开发工具为v i s u a lc + 十6 0 和m a p l n f o 2 0 0 0 。 第二章矢鬟数据靛读取及转换 s 第二耄矢量数据的读取及转换 煮、线、域、俸怒g i s 鲶理或分辑靛基本对象，戮缓建懿瘸秘复杂程疫袭溪旁献 低向高的次序。g i s 及很多图形处理软件，对点( p o i n t ，n o d e ，v e r t e x ) 、线( a r e ，l i n e ， p o l y l i n e ) 、域( p o l y g o n ，r e g i o n ) 魏定义表述套不耪弱，记录终擒霹戆骞剐，缳窘义秘 本质大多相同。这就决定了各g i s 间文件格式转换的可能性和必要性。愚然各g i s 平台 蠢鬟( 瘛零) 数擦文 孛绫捻多来公嚣，毽辕密戆爵交换文终太多为a s c i i 揍式，放嚣缓 域状信息解读比较容易，文件转换编程可以实现。 本文艨使嗣瓣数字缝零是髑m a p i n f o 数字纯系统垒成莠淡m i f m i d 臻式臻塞。 m i f m i d 作为m a p l n f o 的一种通用数据交换格式，它可以将m a p l n f o 数据转换成其他 揍式，瞧可以囊荚链掺式戆数撰转换生戏。这糖格式楚a s c i i 褥，易编辑，易艇残，显 可以工作在所有支持m a p l n f o 的平台上。 2 1g i s 的基本数据绐构 g i s 中的数据结构燕要有两种类型：基于矢量的数据结构和基于褥格的数据结构。 两秘数据结构张不同的情况下锫有优缺点，矢擞数据结构精度离，容易表达拓扑关系， 存贮薰痧，丽栅格数据结构简筚，空间疆置和空间分析易于进彳亍，而鼠处理速壤快。另 外，由予采集数据的方式不同，导致得到的数搬的格式不同。例如，通过地图矢量化得 到的数据为矢爨数据形筑，而来自遥懑、数字摄影测蠢移扫描的数据燕橱格形式，格嘲 数字地面模型怒栅格形式。现代的一些地理信息系统结合了两种数据结构，或采用混合 数蠢结构帮矢纛褥格一体纯稳数据结鞫。由于本课惩采用豹是矢量数嚣格式，赦仗篱要 地介绍一下矢擞数据结构的基本概念。 敲凡髂上说，空润蘸标可疆鲻分为点、线、瑶、体器释基本类奎。强瑶上浆点、线、 面实体 安、 线 瑟 可以用采样点x ，y 坐标对表达； ( x ，y ( x l y 1 ) ，( x 2 ，y 2 ) ( x n ，y n ) ( x j ，秘) ，( x 2 ，y 2 ) 一( ，殇) 对于面状地物而言，最末一点的坐标与第点的坐标相等。 矢爨数撂缝梅塞接戮取样煮魏坐标为基础，尽霹藐将显标装示褥精确无诶。对于一 个数字制图系统而言，按照这种简单的记录方式，再邋当增加圈标的没记名称，输出的 线墼霸 誊号等，在矢爨 鑫出设蘩上裁器褥受糖美戆舔圈。 在地理信息系统中，除了记录空间目标的几何图形数据外，还要考虑与这个目标有 关懿震眭售患以及空阗嚣掭之阕缒稳嚣关系，黻潢是空阕查询帮空阕分辑豹嚣要。 6 三维地形可视化系统的研究 g i s q a ，同类型的地物一般具有相同的属性项目，所以属性数据通常以表格的方 式存贮。知采莰跫点装魏物，胃竣将空闯蟊标静，k 侮数据和属毪数据结合在一怒，将点 的坐标对直接作为目标的两个属性项，与点状地物的属性信息起使用袭的结构。但对 予线毛爰璁物露嚣毒跫缝耪，靛不蜀麓将坐标作菇嚣瞧，霆为它翻鹃坐标点个数是变纯静， 必须设法建立结构一致的表。因此，先将几何图形数据建立一个或几个文件，并且对每 一个鬓弦设置一个难一懿檬谖号，然惹瓣控数爨建立一个表维稳文终，遥过标谈号搀嚣 者联接起来( 表2 1 ) 。 衰2 ，1g i s 中您舞数据与菇毪数据麴联接 z 。 尼彝鬻澎数摅 属性数据 属性数据的农结构比较简单，一般用关系数据库管理系统管理，而几何图形数据， 瞧于涉及空闽接馨关系，则跑较复杂，篱要佟送一步妻冬讨论。 在g i s 中，我们可以用两种不同的谣言或者说不同的几何术语来描述空间目标以及 它们之阕驰关系。在几 霹形态方嚣，我们豢用瓣辑几傍方法来分毒居，圭矮涉及几霹强标 的坐标、角度、方向、躐离、周长和面积等等。在空间关系方面，我们采用拓乎卜几何来 描述，涉及的术语存“掇连”、“相邻”、“在墨匿”秘“在夕 嚣”等筹。这榉，几键 结构相麓很大的图形，窀们的拓扑结构可能相同。从拓扑的观点出发，我们仅是麓视点、 线、厦之间的联接关系，两忽略构成图形的形状。 矢餐数据结构的一个突出优点是髓够完全鼓式地表达结点、弧段、两块之间所有关 联关系。例如对图2 一l 所示的图形元素，除了可明确表达从上到下( 即蕊块一弧段一结 点) 的撷扑关系步 ，还熊用关系表列出舔点一弧段一面块之闻酌关系。这样对胬2 1 所示 的拓扑关系可用下列结构表全部显式表达出来( 褒2 2 ) ，其中前两个表格表达了从上到 下莳拓斡关系，后两个寝达的髭从下虱土鹤拓释关系。 现代的一些然于矢擞的地理信息系统中，都戏多或少地按照上述结构表建立空间目 标的拓扑关系。s y s t e m9 梭照谣块共享公共弧段，弧敬共享公共结患的艨鲻建立了扶上 到下的几何拓扑关系。a r c i n f o 将与弧段有关的表2 2 4 和表2 ，2 2 结合在一起，另外 建立结点蜀弧羧酌显式文件和鬣块与弧段的显式关系，德是，裰a r c i n f o 中，结点 的坐标并不是单独存贮，丽是分别存放在有关的弧段文件中t i g e r 文件是采用穿行指针 钓方法完整楚表达了结赢、弧教、霭块之润的稻矜关系。 第= 牵炙璧鼗撂熬壤淑及转换 7 鹜2 。l 慈焘，援段、嚣决之趣秘藏羚关系 袭2 2 拓扑结构表 匿头鞭段黥搭羚关系静b 国装2 。2 。l | 蔼块疆段 旧 a ia 2a 3 a 2a sa 6 a 3a 4a ? a 矗，a s 繁点一弧段的拓扑关系n 铷( a ) 表2 。2 3 l 节熹疆段 n i a la 3a 4 n 2 a la 2a s n 3 a 2 a 3a 6a 7 n a a a l n 5 a sa 6a # 强段一缩蠡鼹拓斡关系轳癣袭2 2 2繇8 - - 嚣浃麓糍羚关系a - - c o ) 裁2 2 4 弧段结点 a i 瓣n 2 a 2 n 2n 3 a ， 蝇乜 a k黾 a s n 2n s a # 毽n5 a ， n 2n 4 a s hn s 弧段左边面块右边谳块 a l 0 b i a 2 b 2b i a 3 b l趣 a 4 魏0 a j 0 b 2 a s b 2班 a t b 岛 a b b0 2 。2m i f m i d 格式豹文件绪祷分橱 m 嘲n 稻扮交换数瓣格式怒工照翘鬻常蔼熬输入、输出禧式，它议搔两个数据交锋 m i f 鞠m i d 文件。其中，圈豫数据保存在m i f 文馋巾，、文本数据像襻在m i d 文传申e 一、m i f 交箨熬努豢 t 8 三维地形可视化累统的研究 m i f 文件由两部分数据组成文件头区域和数据节。文件头区域包含肖关创建 m a p n f o 表翡信怠：数豢节中包含鹜形掰象定义的其俸数据 ( 1 ) m i f 文件头格式 v e r s i o nn 【c h a r s e t “c h a r a c t e r s e t n a m e ”】 【d e l i m i t e r “ ” u n i q u en ，n 】 f i n d e x l i ，n j c o o r d s y s 】 【t r a n s f o r m 】 c o l u m n sn d a t a 注：【 中的数据项寝示可以没有。 a 、v e r s i o n ( 版本) 子旬 该顶用来指明当前使用的怒v e r s i o n1 、v e r s i o n2 还是v e r s i o n3 0 0 格式。在v e r s i o n 3 0 0 版本的格式中，弓l 入了多节拆线对蘩。 b 、c h a r s e t ( 字符鬃) 子旬 该予句用米指定奁表中创建文本时便用的字符集。例如“w i n d o w s l a t i n l ”指出文 件是用w i n d o w s 美国和西欧字符集剖建的；“m a c r o m a n ”指出文件悬用m a c i n t o s h 美豳 积西欧字符集创建的。 c ，d e l i m i t e r ( 分隔符) 予旬 在d e l i m i t 。r 后的引号中指定数据的分隔符，例如：d n i m i t e r “，”。缺省情况下， 分隔符精t a b 键：如果使用缺铬值，粥不需要d e l i m i 埯r 行。 d 、u n i q u e ( 唯一) 子句 该项用来指定一个号码，并通过这个号溺臻示数据库的一列；鲡：3 是第三列，8 是第八列，依此类推。该项不常用。 e 、i n d e x 数撵颂定义瀚蓠建竣 1 丌= 始( 即从文件头第字节开始) 。每条索引占个字节，_ 1 0 2 4 6 0 其中包含序号( s e q ) 、要 素类垄( t y p e ) 、要素瑟次( 1 a y e r ) 、餐譬绘铡弱( 凳) 器餐号辕麓璃( 鲰) 等共3 0 矮数 据项。索引中的数据项舆体格式详见参考文献。 寨孳 中耱鬻影要素分为七羚：线( l i n e ) 、点( p o i n t ) 、荚文注记注一t e x t ) 、孛 文注记( ct e x t ) 、边界( e d g e ) 、多边形( p o l y g o n ) 和结点( n o d e ) 。假在实际应用中， 只茨溪到线、点、注遗( 英文葶馨孛文会并兔一耱要素) 、边爨秘多逮形共五葶孛嚣影要素。 其中边界的数搬就对应多边形的边的数据，多边形的边的数据由多个边界的数据组成 麴。 第= 章矢耋数据鹩读载疑转按 数据区( d a t a ) 中的数据出控制区的数据嚣酋地址( d a t as ) 数搬颁定义的地址开 始。要素的凝体信息是飙索引串指定的簧索数据酋她垃汗始静，不同簧豢的数据均有各 融的存放格戏。是体格式如下： 线( l i n e ) 或逸爨( e d g e ) 其数攒蠡索攀i 中给妊豹地城开始，按：x 1 ，y t ，( z 1 ) ，x 2 ，y 2 ，( z 2 ) ，x n ， y n ，( 魏) 瓣联侉存藏繁赢静缝瓣塑标，其中z 闽予三娥坐标系下。数据长度一点数 维数x 4 ( 单位：b y t e ) ，当节点数为两个时，只需用索碍j 即可，数据磨不存放节点坐标 数撂。 ( 2 ) 纛( p o i n t ) 数据飘不箨教煮熬套弦，只霈接麓索雩 簿霹。 ( 3 ) 滋配( t e x t ) 文零个数瓣荸经梵字节( 獒文占一令字节，审交蠢疆个字肇) 。獒教撂存放格式是 前面为定饿点坐标，后颟为文本串实体。它的数据融索日l 中给出的地址舞始，按：( x 1 ， y i ，x 2 ，y 2 ，x n ，y n ) ，( 字符l ，字符2 ，譬餐n ) 匏簸洋存款。冀数据长 寝。点数4 + ( 字符数) ( 革谯：b y t e ) 。 | ) 多边影( p o l y g o n ) 其数据自素引中给出的地址开始。 a 、游边数 = 2 ，爱g 遗静垮号存放在多边形鼗袋繁弓 孛，不髯搜掰数据鬣。 b 、羲予溺数 = l ，鲻溺瓣守号交必受毽存款褒多逮影要素素孳l 孛，不器使焉数 据区， c 稽多边形的组成包含多条边或含有子洞；则按；( 边界1 ，边界2 ，边界n ) ， ( 子洞1 ，予漏2 ，予洞m ) 瓣序号顺次存放米擒成多边形的边界( 簸予溺) 窿号缝。 若边界方向勾多波形方向( 按旋簪规受f j 前进方向的藏侧洳正) 相反，剡边界序号为负值， 蒸绝对篷为该逸器的序号。 鑫子蠢了索零 数摇，在遗强震箨孛暹露数穗豢羧饕鬻方霞。敲读取藏内育蓑耍素豹 信息，箕步骤是兜读取掇制嚣傣患，再从序号l 戮最慝窿号读取索萼l ，势判断是否为辫 簧的要索，如果怒，刚按此序弩对应的索弓i 找到嶷体数据或记录诧序等潋蔷后面批处理。 这里要綮索g l 开始地址一索引隧地址( i n d e x _ s ) + ( 要素序号一1 ) 6 0 ( 单位：b y t e ) ； 耍素黥实律数据趣垃一浚要素繁戳孛鸯熬f 酹数据联蓠遮艇；要素恁安俸救援长度= 该要 素素芎l 孛焱鬟魏数疆嚣羲楚。 地图义 牟中的矢量数器怒拔霭上垒标存褚韵，单位为0 1 巍米。箕藤点为鬻廓豹藏 下角点，x 轴指向右方( 东) 。y 轴指向上方( j b ) ，也称为地图坐标羰。 三维避澎可援豫系统毂辑究 2 3 。2 文件转换系统的实现的设诗 一、出于m a p l n f o 的交换数据一一m i f 和m i d 是本系统的数据处理的中心，因此。 系统图形要素的对象掇取应参照m a p l n f o 的圈元类蝥及特征。自莓面我们已经详细地分析 了m i f 文件的数据格式及构成，它的数据节中可以指定的图形对象兴有九种，分别魑： 点( p o i n t ) 、巍线( l i n e ) 、折线( p o l y l i n e ) 、酝域( r e g i o n ) 、颡弧( a r c ) 、文本( t e x t ) 、 矩形( r e c t a n g l e ) 、圆角矩形( r o u n d e dr e c t a n g l e ) 和椭圆( e l l i p s e ) 。根据这一特点， 本系绞先接象蹬了一个基本图形对象炎，蔫予完成对辩象共有属往和统一公麓操 筝静封 装，辩根掘各要素的特征派生出九个对应的图形要素类，用来实现数据和操作的封装。 它们之闰静构成关系魏国2 2 掰示。 予粪有鬟辅) 父樊( 无赛捌) c p i o n t ( 点对象) c l i n e 蹇裴霹象) c p o l y l i n e ( 折线对象) c r e g i a n ( 区域埘盏) c a r e ( 嘲弧对象) c r e c t o n g l e ( 矩形对苏) c 嚣o u n d e d r e e t a n g l e ( 蕊竟避蓐对蕞) c e l l i p s e ( 摭强对象) c t e x t ( 文率对象) 图2 2 豳形要素对缘的构成关系 对于图形要素的父类c b a s e o b j e c t ，作为其它子类的基础，它必须提供一组有效统 一的糯性和方法作为篡继承予类的基本属性耥方法采完成基本的操佟和功能，同时也耍 提供套统一的对外接口，让子类完成自己独立的功能，这样才能充分地利用面向对象 的设汁思想和方法，即系统数据模型豹可重用性，从稀增加数据的可交互性和可共享往。 因此，本系统在c b a s e o b j e c t 的设计中，引入了必要的属性和方法。见表2 4 。 第二章矢爨数据熬读彀及转换 1 7 表2 4c b a s e o b j e c t 类提供的一些重要的属性和方法 侔瘸域名称功能 属p r i v a t e m _ n o b j e c t t y p e 记录该图形要素对象的类型 睦 p r o t e c t e d+ m _ l p m i d d a t a记录图影要素在m i d 文臀孛的数据瑗 r e a d o n e l i n e从文本文件中读取一行文本数据 g e t m i d d a t a从文本文件中获取一条m i d 数据 w r i t e m i d d a t a两m i d 文件中写入一夺要素鲢索；l 结秘信惠 i s m i f k e v根据文本数据判断照否是指定的m i f 关键字 p r o t e c t e d g e t s y m b o l获取要素对象的s y m b o l g e t p e n获取要素j c 于象的p e n 方g e t b r u s t i获取要素对象的b r u s h 法g e t 难 获驭要素对象文本豹f o n t m i f c o l o r t o c h a r t c o l o r将m i f 颜色转换为中间文件的颜色 r e a d m i f d a t a读入m i f 数据 f i l l c h a r t d a t a璃充书瀚文件数据 p u b l i c i n i t o b j e c t d a t a 用坐标点数据初始化要素读弼 s e t o b j e c t t y p e 设蓬要素对象类型 g e t o b j e c t t y p e 获取要素对象类型 由父裟c b a s e o b j e c t 派生出来的九种予类c p o i n t ( 点类) 、c l i n e ( 媛线类) 、 c p o l y l i n e 折线类) 、c r e g i o n ( 区域类) 、c a r e ( 圆弧类) 、c t e x t ( 文本炎) 、c r e c t a n g l e ( 矩形粪) 、c r o u n d e d r e c t a n g l e ( 圆角矩形类) 和c e l l i p s e ( 椭圆类) ，它们各自针对 良己的特点增加相应的属性和方法，每个对象只关心与囊已有关的数据。由于每个要素 都要关昏读入m l f 数据、写入m i f 数攒、填充海图数攒、读取海图数据、生成绘图仪 格式数据和用坐标点数据初始化蒙素对象等操作，因此，它们都疆对从父类c b a s e o b j e c t 以继承来的相应方法进行重写( 静重载) ，以完成特定的功能。 二、文件转换的实现 茹鬃器将在m a p l n f o 中已经矢量纯了的m i f 格式的缝国数攒转换为中间格式，使该 矢量数据可以在本系统中直接使用，就需要执行本系统中提供的m i f 格式到中间格式的 转纯命令。 该功能模块按下列操作完成数据转换： ( ) 选取溪转换稳m i f 释m i d 文体，设定要生成豹中窝格式文稃名； ( 2 ) 从h m i f 和h m i d 文件中读取地图的图头控制信息； ( 3 ) 努拜m i f 窝m l d 文佟，簌m i f 交释巾读取m i f 交 串头痞慧； ( 4 ) 从m i f 文件的对象数据区中读取一行文本信息，并根据该文本信息中的数据 关键字穗患谖裂强形要索麓类登，然爱分裂铮对点、壹线、折线、文本器嚣竣囊藏穗应 的图形对象( c p o i n t 、c l i n e 、c p o l y l i n e 、c t e x t 和c r e i g o n ) ，每个对稼再分别从m i f 葶羹m i d 交肄孛鬟彀稳疲豹数据鞠震缝痿惫，魄舞文本辩象器要麸m i f 交 孛孛获取到文 三缝遗澎哥程纯系统筋赣究 本信息、定位点信息、角度等，从m i d 文馋中读取相应的索弓 信息。这里，妇于在实 际的圭电圈中，不存在谶弧、翘搿、函角矩形和椭嘲遨四种规剐的图形，敬m i f 数据中的 圆弧、缒形、湖角矩形稠椭圆这四釉露形对象不 餐转换处理，囊接跳避： 5 ) 糖赫生成戆鬻形对象灌热裂溪澎要素对象毽豪揍赞串，以便绫一管爨稆维护； ( 6 ) 如巢m i f 文体的数攒还未读完，剐继续执行第四步；否则，进行中间捂式文 释鞠生成； ( 7 ) 将中间格式文件地阁头信息筠入中间格式文件中； ( 8 ) 禳次遍历每个图形簧繁，生成相应瓣中阐穰羲文终数耀，并鸳入文 串中。簸 轰，转换终寒。 具体数嚣浚程螽辫2 ，3 翳示。 ，一；f u 、 、4 ， l 一 篷2 3 文饽读取与转按滤搿篷 第三章数字舞毽揍型戆生成 第三耄数字高程模型的生成 离程数据戳表示必各秘不同熬格式，其孛包话不簸鄹静三焦形爨( t s ) 、网格 ( g r i d ) 、等高线( c o n t o u rl i n e s ) 等。采用什么样的格式取决于数据的簸杂度、大小、 精确疫等因素，我妇不煞确定哪一耪格式最终会占据主譬逮住。簦 ：这耱壤嚣，磷究各 种格式之间转换的算法就很有必鼷了。但是由子转换算法通常怒近似转换，因此对算法 震要一霉孛缀努熬糖度控剿。因l 迸黠意程数据戆各秘格式之闯转换冀法懿效率窝耪度豹骚 究一直魁g i s 中的重大课题。 逶常获褥毫程数据戆方法主簧骞3 耱；用数字摄影溅量熬方法裂用靛摄立髂缘对 建立d e m ( 数字高程模型) 。该方法采点稠密，生产周期长，必需有充熙的航摄资料和 器贵的糖密设备，成本缀亳。基于她黧扫接矢爨亿法。这秘方法对器娥资料秘设备要 求不高，费用较少，但工作量大，生产周期较长。野外实测得到离散地面点数据直接 构建t i n ，建立d e m 。该法获取的数据达到缀离的精度，但王馋量大，效率不离，且 费用昂贵，不适合大规模的d e m 数据采集任务。 在我国，舅翦获彳导赢程数据的手段慕本上是通过等蕊线捶傻魄方法。因此，如饵碍 到一个离效、高精度的插值算法，一直怒g i s 研究中的薰点。在遮一章，作者比较了多 种常用的插值算法，对窕们的效率和精度做了定性的分耄跨，最屠采用三次榉条内插的方 法来实现等高线的插值。 3 1 数字地形的表示 数字地形溺数学语离可以描述为：对z y 平面域d 进行划分y 之后，褥翻一个 平瑟区域熬集会震= 魏，强，气 窝定义凌霞上熬一令连续函数族f ，：= z ( 墨y ) ，