城市三维模型.doc

摘摘 要要自“数字地球”的概念提出以来，在国际国内已引起广泛的关注。随着科技的发展，现代的数字城市被赋予了新的内容：立体景观的三维可视化与其各种数据信息的管理。数字城市的建设不仅仅是城市地图的数字化和大比例尺地图测绘、计算机化，它有自身的技术体系。因此，进行相关技术的研究和探讨对数字城市的建设不仅是必要的，而且是必须的。 本文首先研究和分析了国内外数字城市的研究现状和发展，指出三维数字城市是未来数字城市建设的必然。接着介绍了城市三维模型建模原理（包括几何建模与纹理建模） ，针对目前城市建模中存在的问题，提出了混合使用建模技术的方法。在介绍基于 OpenGL 的三维景观显示原理和关键技术的基础上，对论文中地形、地物的可视化进行了研究，提出了利用建模工具3DMAX 构建复杂的标志性地物的方法并予以实现。论文中研究了在三维场景实时目标选取的方法和技术。为了有效地管理城市建模过程中所需的海量数据，对纹理图像数据的数据库存储和管理进行了实验研究。最后，在研究了上述“三维数字城市”建立的关键技术基础上，以近景摄影测量测得原始数据，使用 VC+6.0 和 OpenGL 实现了一个数字校园子系统。该系统具备数据导入、三维建模、模型转入、模型可视化、三维编辑、属性查询、场景漫游等功能。数字校园子系统本着为“数字城市”研究提供先期借鉴的初衷，面向实际需要而开发，为以后的相关研究和广泛应用打下了坚实的基础。关键词：数字地球关键词：数字地球 可视化可视化 三维建模三维建模 数字校园数字校园 ABSTRACTSince the concept was put forward, Digital Earth has been intrigued in home and abroad. With the development on science and technology ,moden digital city has been filled with new parts: 3D visualization of three-dimensional view and handling of its data and information. The construction of Digital City not only is the digitalization of city map and the surveying and mapping and computerization of large-scale map, but also has its own technology system. The research and the discussion of its related technology is necessary.This paper is firstly to study and analyze the status quo and development of digital city in home and abroad, and pointer that 3D Digital City is the direction of construction of future Digital City. Then the basic principle of city modeling has been introduced,( geometrical modeling and texture mapping ) and due to some existing problems, the method of mixed modeling technology is given. Based on the 3D display principle and some key technology of 3D scene using 3D graphic language-OpenGL, the 3D terrain and objects on the earths surface visualization is studied. A method on establishing the complex objects by the modeling tool-3DMAX is proposed and implemented. The way and implementation of object selecting in real time in 3D scene is studied in this paper. In order to manage mass data efficiently in the processing of city modeling, the paper has studied the storage and management in database of texture data. At last, based on all above,with the sauce data from close photometric survey a digital campus subsystem is developed in VC+6.0 & OpenGL. which has the function of data input, 3D modeling, model import, model visualization, 3D editing, attribute querying, scene roaming and so on. For purpose of providing some reference experience for the study of Digital City, the digital campus subsystem is developed oriented fact requirements. The great foundation on further related study and widely application is founded.Key Words: Digital City 3D Model Visualization Digital Campus 目目 录录1 绪论绪论.11.1 引言 .11.2 数字城市的国内外研究状况、近景摄影测量的发展 .21.3 数字校园的研究意义及本文的研究内容 .41.3.1 本文研究的主要内容.41.3.2 数字校园研究意义.52 2 城市三维模型建立城市三维模型建立.92.1 城市建模的基本原理 .92.1.1 几何建模.102.1.2 纹理建模.112.2 城市建模中所存在的问题 .112.2.1 几何建模问题.122.2.2 纹理建模问题.122.2.3 数据管理与压缩.132.3 城市三维模型建立方法综述 .132.3.1 三维空间数据模型.132.3.2 城市三维模型建立的方法.15 3 3 城市三维模型可视化城市三维模型可视化.183.1 OPENGL 概述.183.1.1 OpenGL 在 Windows 2000 上的实现 .193.1.2 OpenGL 的工作流程及三维图像生成原理 .203.2 基于 OPENGL 的三维景观模型显示.233.2.1 纹理映射.243.2.2 利用 OpenGL 的三维计算机动画生成.253.2.3 三维场景中物体的选择与拾取.264 4 城市三维景观数据的数据库管理城市三维景观数据的数据库管理.304.1 对象-关系型数据库 ORACLE8I.304.2 基于INTERMEDIA的纹理数据存贮模型.324.2.1 interMedia 简介 .324.2.2 OCI 程序设计概述 .334.2.3 纹理图像数据的存贮模型.345 5 数字校园子系统的研究与实现数字校园子系统的研究与实现.365.1 数字校园三维模型的建立 .375.1.1 地形几何建模.385.1.2 建筑物几何建模.395.1.3 纹理映射建模.43 5.2 数字校园模型可视化 .455.2.1 三维地形显示.455.2.2 建筑物模型显示.455.2.3 标志性建筑物显示.475.2.4 树木的可视化.475.3 数字校园三维景观的漫游 .495.4 数字校园三维景观交互操作 .515.5 数字校园中数据的存贮管理 .525.5.1 纹理数据库的设计.525.5.2 建筑物属性数据库设计.555.6 数字校园子系统简介 .555.6.1 系统的特点 .555.6.2 系统功能介绍 .56结论与展望结论与展望.参考文献参考文献. 11 1 绪论绪论1.1 引言进入 21 世纪，以地球科学、信息科学、计算机科学、空间探测和数字通信、管理科学等诸多学科的广泛交叉为特征，以计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存储技术、科学计算、可视化与虚拟现实技术、空间数据仓库技术、人工智能技术、计算机视觉、土地、经济与商业管理等技术为支撑的数字技术在众多领域产生了深远的影响。数字城市是综合运用数据库与地理信息系统技术、遥感与遥测技术、网络与通信技术、多媒体及虚拟仿真等核心技术，对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策服务的技术系统，是在城市规划建设与运营管理以及城市社会经济活动中，利用数字化信息处理技术和网络通信技术，将城市的各种信息资源加以整合、利用的系统。 随着现代化城市的飞速发展，单纯的二维图形图像或数字图已远远不能满足人们对城市的了解要求，人们需要一个直观的、现实的感受和了解。2D GIS 向 3D GIS 的发展使得“数字城市”三维可视化成为一种必然.因此，现代数字城市至少包含二个层面的内容，其一是在 GIS、GPS、RS 基础上建立的计算机内的数字三维虚拟城市，其内容是将城市中的一切自然景观、建（构）筑物、道路、立交桥、水气管道、水库、公园、工厂、学校等的分布、形态、属性等数据按照一定比例尺以数字化形式构建于计算机中，形成三维虚拟城市模型，这也是一般意义上数字城市的含义；其二是指以三维虚拟城市模型作为界面加载各种专题信息系统，提供各种信息服务。如城市规划系 2统、城市交通管理系统、城市 GPS 导航系统、城市综合减灾系统、市长决策系统、以及其他各部门建立的专业性信息管理与决策系统等，随着专题应用内容的不同，各应用领域将根据各自的需要在数字三维虚拟城市的基础上补充相关的内容。这两者的结合就是现代数字城市的基本表现形式，对于未来的城市信息服务具有十分重要的意义。随着数字摄影测量技术、遥感技术、计算机技术、虚拟现实技术的发展特别是航空影象和卫星影象经过处理得到 DEM 和正摄影象，并以其为数据源利用 OPENGL 作为开发工具能真实的再现地表三维景观。近景摄影测量是摄影测量与遥感技术的一个重要分支，其目的是通过摄影测量手段研究目标物体的外形、尺寸以及运动状态等。其优点在于它是一种非接触性测量手段，不伤及被测目标，不干涉被测物自然状态，可在恶劣条件下作业；测量信息量高，获得信息易于存储，可重复使用信息，速度快特别适合含有大量测量点位的目标；是一种适用于动态物体外形和运动状态测定的手段，是一种适用于微观世界和较远目标的测量手段。1.2 数字城市的国内外研究状况、近景摄影测量的发展20 世纪 90 年代以来，作为新的城市理念和战略， “数字城市”开始席卷全球，并成为从技术科学到社会科学多学科探讨的领域。数字城市的研究方兴未艾，从 INTERNET 以及有关专业资料的了解可知，数字城市相关技术已经开始应用于很多领域。美国、加拿大、澳大利亚等国家约在五年前就开始了“数字城市”的综合建设试验，新加坡首先提出“智能城市”的设想，并在积极进行中。在美国大约有 50 个城市正在或计划建设数字城市。许多发达国家也纷纷开始“数字社区”和数字城市的综合建设试验。例如，芬兰计 3算机工程师林都立试图应用信息技术展现生活和城市的新未来，在网络上复制真实世界的赫尔辛基市，成为世界上第一个虚拟城市；日本的“东京都地域情报化基本计划” ，且日本已经建成一批“智能化生活小区” 、 “数字社区”的示范工程；新加坡准备环绕 240 平方英里的岛屿，铺设一条光缆，为国民提供一个综合业务数字网和异步数字用户专线，将新加坡 90的家庭连接在一起，使他们在网上可以随心所欲地购物、与政府机构联系、上剧院、电影院、上学校、去图书馆、去医院等，实现“网上生存”的梦想；德国的Rostock 大学、,Stuttgart 大学等研究机构目前正联合研究三维 GIS 在数字城市模型中的应用，对一些城市进行的空间对象进行了分类和表示，研究，建立了数字城市模拟系统。我国城市规划建设与管理领域引入 GIS 等高新技术开始自 20 世纪 80 年代，近十多年来，深圳、北京、海口、济南、广州等城市和国内著名科研单位相继建立了一些专业数据库和机遇地理信息办公自动化的各类城市地理信息系统技术（UGIS）的应用系统。为数字城市的研究积累经验和数据。进入到 90 年代，随着 GIS、MIS、OA 技术的推广和应用，更多的城市已开始将计算机技术应用到城市规划管理与设计中。数字城市概念的提出一开始就受到了政界和科学界人士的广泛认同，2000 年，在北京召开“21 世纪数字城市论坛”来自全国近百城市的市长和 500 余位信息技术专家、学者和部分中外IT 企业负责人，围绕数字化城市对话、交流，为推进中国城市数字化进程献计献策。2001 年在广州举办了中国国际数字城市建设技术研讨会暨 21 世纪数字城市论坛。近年来，国内一些高校、科研机构开始着手数字城市的研究工作。1997 4年，清华大学成立中国第一个“虚拟制造中心” ，分布在清华大学的自动化系、精仪系和机械系，进行异地协同仿真研究。1998 年，浙江大学建成国内第一套用于虚拟现实技术的 CAVE 系统。1999 年，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室成功解决构建数字城市的关键技术：三维城市模型快速重建、大范围海量数据动态装载以及多种类型空间数据有效组织和管理等。2000 年，中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室和广州城市信息研究所共同创办的城市信息联合实验室，主攻数字城市研究。2001 年南京大学专门组建了以数字城市为主攻方向的城市规划与区域开发模拟实验室。实验室一期建设投资 600 多万元，主要用于建立大型城市仿真与虚拟现实系统，形成了具有较强计算能力的数字仿真计算分析系统，拥有国内最先进的Power Wall 立体仿真屏和虚拟现实环境7。目前国内深圳、广州、上海、襄樊、常州、苏州等城市已开始进行数字城市示范应用研究， “数字江苏”也于 2001 年 3 月拉开帷幕。但总体上来看，虽然目前国内外已经有许多家单位开始了数字城市研究工作，但基本上是停留在软硬环境建设方面，至多处于研究的初期阶段，并没有在数字城市研究方面取得实质性的进展，数字城市具有巨大的研究和利用潜力。作为一种测量手段，近景摄影测量已被广泛应用于国民经济和科学研究的各个领域，诸如文物保护、考古、医学、水利、矿业、制造业等。随着直接线性变换法（DTL）的提出，解决了相机内外方位元素的解算问题，使得非量测相机得到广泛应用，这标志着非量测摄影测量进入了一个新的阶段。 51.3 数字校园的研究意义及本文的研究内容1.3.1 本文研究的主要内容本文在研究和分析了国内外数字城市的研究现状和发展的基础上，借鉴国内外相关研究成果,作了以下工作：(1) 对城市三维景观模型进行分析,着重探讨了建筑物、地形、自然景观等建模的方法。(2) 研究三维数据的可视化，构造城市的三维模型，从而再现实际城市的景观模型。(3) 研究三维场景的动态实时漫游，交互操作及分析。(4) 研究数据的数据库存贮与管理。1.3.2 数字校园研究意义数字城市是城市和社会信息化发展的必然趋势，它是一个非常庞大的、复杂的、长期的系统工程。数字城市建设涉及到许多学科的若干关键技术，决不是一个部门、一个学科、一个时期所能实现的，我们都应该为之添砖加瓦，把它视为长期的为之奋斗的目标8。本着这个目标，针对实际需要，作者研究开发了数字校园子系统。数字校园系统将成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将被定位，并与空间数据联系起来。用户可以图文并茂地查询校园信息，获得最为直接的效果。数字校园具有很大的集成度，用户可以随时获得所需的信息，就如同身在校园之中一般，给学校的各项工作都带来很大方便，数字校园的研究与建立可以提高校园的知名度，可为学校带来可观的社会效益。同时,也为“数 6字小区” 、 “数字城市”的研究建立起示范、试验作用。结合当前实际的科研项目及以上理论和技术的研究开发了基于近景摄影测量的数字校园子系统。本系统的研制采用数码相机作为数据获取手段，用近景摄影测量的方法获得物体真实尺寸，以 ORACLE 数据库作为信息管理平台，开发了三维可视化信息管理系统，以满足各类中小用户三维可视化，数字化和信息化需求，具有广泛的应用前景，其应用领域如下： （）小区规划与房地产开发规划是住宅小区的灵魂和核心，规划水准的高低，直接影响到产品开发与销售。应用本系统对住宅小区进行三维的真实场景规划与设计，对开发商和顾客都起到良好的帮助作用。由于本系统具有很强的交互式操作能力，对于房地产开发商而言，在售楼阶段可以扩大公司知名度，对小区可以进行整体规划设计，绿化，非常直观的分析出整体设计效果。对于物业管理人员而言，由于本系统应用 ORACLE 数据库对属性数据进行管理，因此可以对各种建筑物和居民信息进行查询，修改，实现动态管理，大大提高了工作效率。对广大用户而言，可以直观地看出总体规划，了解实际的规划用地面积，小区内的设施等等，让你不用步入小区半步即可全面准确地了解希望了解的各种信息，如同身临其境一般，达到开发商，物业管理者和顾客双赢的目的。（）考古传统的发掘记录形式相对一些简单的常规性的遗址墓葬的发掘来说是比较方便，而且是经济使用的，但对于目前已发现或未发现的一些大型的文化遗址较复杂的发掘工地资料记录就带来很多困难，有的甚至是难以记录的地步。本系统所使用的近景摄影非接触式测量技术，与传统的考古方式相 7比，克服了传统技术的不足，提高了考古遗址测量的准确性，即节省了人力，又避免得对文物的损害.同时，通过本系统采集到的考古现场遗迹遗物的数据，制作为三维数字模型，便于考古学者利用计算机在各种载体上对遗迹遗物进行全方位多层次客观形象的分析和研究。同时也可为制定古遗迹的保护规划和进一步发掘提供可靠直观的信息。（）公安消防公安消防设施的建立关系着我们每个人的生命财产的安全，在公共娱乐场所，及时准确的了解该场所的消防设施情况是非常必要的。然而，目前在大多数的公共场所，只有简单的路牌和简易的平面说明图，这样既不直观也不深刻。在发生紧急混乱情况下，不利于主动疏散和抢险。不过，现在利用本系统可以对实际的场所进行测量和数据采集，建立的数学模型可以起到帮助作用，由于在数据模型中添加属性信息，其中包括：防火间距消防通道消防水源；建筑物材质火灾危险性类别和防火等级；建筑防火分区和建筑构造；安全疏散通道和安全出口；自动报警和自动灭火系统等具体位置和实体信息。一方面，外来人员可以通过实物的三维模型仿真，直观相近的了解所处的环境，有利于个人面对处理紧急情况。另一方面，对消防工作人员分析具体案例，及时准确地制定抢险方案起到了不可估量的帮助。（）古建筑三维再现中国的历史文化悠久，其中一个重要的组成部分是中国的古建筑，随着社会经济的不断发展，对古建筑遗产的保护也在不断地面临新的问题。一方面，政府加大了对著名的古建筑的保护，可是仍然不能完全避免人为和自然 8条件的损害，还是要长期对他们进行维护和修建。另一方面，由于地区经济发展的需要，需要利用一些古建筑的占地发展新的项目，保存文化遗产和经济的发展产生矛盾。将原物复原搬迁到另一个地方是解决之一矛盾的方法之一，但需要获得的是建筑的占地面积空间大小材质等各方面的信息。显然，人工完成这一系列的工作，耗时长，准确度低。而利用本系统即可在短期内完成数据的采集记录和保存，又可添加相关的属性信息，对古建筑的维护，提供可靠有效地数据和信息资料。（）生产线数字化二十一世纪的市场环境的特点是市场需求多样化，交货期短，竞争压力大，传统的大批量生产模式已经无法满足现代生产的需求。企业必须具有柔韧性的制造系统，其中包括合理的安排车间，制造单元的布局，以加快工件的流动，减少排队等待的时间，运输时间等。更为重要的是，要保证旨在系统的动态组合和调整能力，以方便大规模定值要求的柔性和快速响应的能力。应用本系统可实现工厂的数字化和信息化管理，适应了市场的需求。大到大型生产线和机器的三维建模和占地位置，小到工具箱和存储设备的位置，能够实现在产品的生产过程中及时发现问题，进而解决问题。通过与实际相近的三维数字模型对工厂进行设计方针和优化，可以解决瓶颈问题，平衡生产量物流生产计划和成本生产的详细模型的建立。可以帮助管理者制定接口布局物流和控制决策提供可靠详尽的数据帮助。此外，还可在水利、医疗、旅游风景区及自然保护区等方面有很高的利用价值。 92 2 城市三维模型建立城市三维模型建立数字城市系统必须运行在三维的环境中，因此三维建模技术是数字城市的重要内容与必要步骤。城市建模就像地图与 GIS 的关系一样，是数字城市非常重要的技术基础之一。传统的摄影测量以航空摄影测量为主，主要是用于测绘地图。但是由它获取的影像，其信息远比地图丰富与直观，因而近代发展了影像图的生产与应用；同时摄影测量与地面测量不同，摄影测量能够直接获得房屋屋顶、树林表面的三维坐标,从而为城市的三维几何建模奠定了基础。加之计算机与三维可视化技术的迅速发展,使得城市三维建模正在逐步成为现实。 10到目前为止,城市建模虽然已经成为国内外建立数字城市的热点,人们正在通过各种途径进行城市建模,但是我们必须清晰地认识到：城市建模还有不少关键问题与技术尚未解决。解决了这些问题，才能使城市建模获得迅速发展。本章仅就实现城市建模的基本原理、存在的部分问题进行探讨，分析讨论了目前的建模方法。2.1 城市建模的基本原理城市建模应该分为几何建模(geometrical modeling)与纹理建模(texture mapping)两部分组成,具体包括:(1) 正射影像和 DEM 构成三维地形。(2) 由房屋的几何模型和纹理构成三维建筑物。(3) 以及三维的植被(森林)与其他地物所组成。其中(3)的纹理一般用虚拟建模来实现，计算机图形学的不断发展对此已经作出了极大的贡献，在此不做详细讨论。对于(1)和(2)，根据要求、原始资料的不同，城市建模的方案也不相同。例如有的城市建模对地面的纹理要求不高,正射影像采用 TM 图像和 DEM 构成；反之，应采用航空影像。又如欧洲的屋顶结构非常复杂，如果要对屋顶进行建模，就必须应用航空摄影的影像；反之，若对屋顶的三维建模要求不高,房屋的几何建模可以由数字线划图实现，房屋的高度根据楼层的数目进行估计。由于无论是航空影像还是卫星影像均是由空中对地观测，不能清晰地反应房屋的墙面纹理，当前解决墙面的方法多是以地面摄影的方法获取。随着空间定位与激光技术的发展，由空中对地进行激光扫描的数据，在几何建模中的作用将会愈来愈重要。因此城市建模的原始资料、方案、途径很多,如图 2.1 所示,其成本差别也很大。 112.1.1 几何建模几何建模包括数字地面模型 DTM 的建立与地物三维空间数据的提取。DTM 可以航空影像卫星影像矢量数据地面模型矢量数据(地图矢量化)地面纹理地面影像(数字相机)墙面纹理虚拟纹理数字城市建模图2.1 城市建模方案图从航空立体影像对或高分解率卫星立体影像对采用影像匹配技术自动提取（有时也需要一些人工编辑） ，也可以利用已有的地图扫描数字化的矢量化等高线、采用等高线保形的 DTM 内插法生成。在数字城市中，基本上还是采用矩形格网的 DTM。地物（主要是房屋）三维空间数据的获取可利用航空航天立体影像对，目前主要是在数字摄影测量系统上以人工立体量测的方式提取。若对屋顶的三维建模技术要求不高，也可利用已有地图扫描数字化的矢量数据（或者地 12面测量数据或者 GIS 中已有的矢量数据） 。若获取的矢量数据只是二维的，则房屋的高度需要根据楼层数推算。在获取地物的三维空间数据后，要将其组成面与体，以便于后续检索与可视化处理。 2.1.2 纹理建模生成具有真实感的城市三维景观，就需要在城市地形表面粘贴真实的纹理影像。地面纹理主要来自利用航空影像制作的正射影像。当地面的纹理要求不高时，可采用精纠正的卫星影像（如 TM、SPOT 及 IKONOS 图像等） ，对于小的区域，也可采用地面摄取的影像。对于建筑物而言，由于其顶部在影像上一般都可见（被周围高大建筑物遮挡的除外） ，因此其顶面的纹理可以从航空影像提取，部分墙面的纹理也可以从航空影像提取。由于无论是航空影像还是卫星影像均是由高空对地观测，不能清晰地反映建筑物的墙面纹理，目前解决墙面纹理的方法多是以地面摄影的方法获取，即对每一墙面摄取影像，由人机交互量测影像中墙面的角点，并切割、映射，从而得到墙面纹理。2.2 城市建模中所存在的问题如上节所述，城市建模的途径很多，在技术上似乎也不复杂，似乎也很容易实现，但事实不然。目前城市建模的问题很多，我们可以归纳为：(1)创造几何实体是一个非常累人的工作，而对于一个城市来讲,城市三维建模工作量太大,对硬件的要求太高,工作周期太长。(2)对于所建立的规划模型如单体的建筑很难完成与周边环境的融合，因而大大降低工作效果。 13(3)因为漫游需要实时完成，需要代价比较高昂的高性能硬件绘制设施和显示设备。其次,城市规划领域在展示规划效果与设计方案时，主要是通过实地踏勘结合建立规划/建筑模型、规划表现图、动画制作等方式进行，但这些方法都存在缺陷。简单地说，就是工作量大、资料量大、成本高、结果还不尽满意。具体而言，还是能分解为两类：几何建模的问题与纹理建模的问题。2.2.1 几何建模问题从表面上看，似乎几何建模问题已经解决。但是实际上，建筑物（特别是屋顶）建模依然是手工操作，建模的自动化或半自动化问题还远未解决。目前有些发达国家已经考虑采用激光扫描（laser scanning-Lidar）资料来重建“三维城市”可以直接建立城市三维的数字地面模型（DTM） ，其平面点位密度可以达到 1m（甚至更密） ，高程精度可以达到 30cm（甚至更高） 。但是如何与影像配合，从如此密集的高程信息提取规则的面，重建屋顶，以及提取其他信息（如树林） ，其问题非常复杂，远没有解决。2.2.2 纹理建模问题墙面纹理的重建，多数采用在地面上对墙面进行摄影在此将它称为“基于墙面的摄影”8，然后进行纹理的映射。在实地对建筑物进行摄影是一个十分困难的问题：摄影机到建筑物的距离限制、遮挡严重、效率低下。如何改变摄影方式、提高效率、减少遮档、遮挡的自动处理等都是城市建模中急需解决的重要课题。 142.2.3 数据管理与压缩数字城市不仅仅包括大量的矢量信息，特别是有大量的纹理信息，而且纹理信息又以三角网的形式进行映射，因此，数据管理对于数字城市的运行速度有着密切的关系。另外,数据压缩在数字城市中有着极其重要的意义。虽然数据压缩方法很多，但是，数字城市的数据压缩有其特殊性。例如，屋顶的纹理基本一致，房屋的墙面纹理具有大量的重复性，如何考虑其特点进行数字城市的数据压缩，具有重要的意义。2.3 城市三维模型建立方法综述2.3.1 三维空间数据模型构建一种合适的数据结构和数据模型是三维 GIS 的核心。模型是用来表示实际的或抽象的物体及对象。建立模型是对被处理的对象进行设计、分析、模拟和研究的基础。随着三维空间数据模型研究的不断深入，出现了各种数据模型，如基于矢量的数据模型、基于栅格的数据模型、矢量与栅格集成数据模型以及面向对象的数据模型。各种模型都有其特点和适用性。目前三维城市的空间数据模型，根据三维数据结构的几何特征可大致分为两大类：基于面描述的模型和基于体元描述的模型。但就它们数据描述的形式而言，可以分为矢量和栅格两种151718。如表 2.1 所示。表 2.1 常用三维数据结构 15描述形式几何特征 栅格 矢量面表示 规则格网、形状结构 面片结构、边界表示非 均匀有理 B 样条体表示 三维栅格结构、指针结 结构实体几何不规则四构、八叉树结构 面体基于面表示的数据结构是利用微小的面单元或面元素来逼近空间地物的几何形态，如格网结构（Grid） 、不规则三角形格网（TIN） 、边界表示（Boundary respresentation,BR）方法等，它们主要表达面状地物,如地形。其中边界表示主要用于 CAD 方面表示规则物体，其他结构则适合表示具有不规则形状的物体。基于体表示的数据结构是根据三维物体的外部形态或内部结构来表达空间物体的几何形态，如 3D 栅格（array） 、八叉树（Octree） 、实体结构几何法（Constructed Solid Geometry,CSG）四面体格网（TEN）等，这类数据结构侧重于 3D 空间体的表示，如矿体、建筑物等。在这种表示方法中，CSG适合表示规则形状的物体，3D 栅格结构、指针结构、八叉树结构适合表示不规则形状的物体。上述表示方法中，具有代表性的是 CSG 方法和 BR 方法。CSG 方法主要应用一些定义的模型单元（如立方体、圆柱体、圆锥体等）通过布尔操作来表示空间物体。它的优点是模型简单，便于显示和数据更新，但是空间分析相对比较困难，而 BR 方法通过规则物体边界的点、线、面三种类型元素的精 16确描述，即能够精确表示物体集合位置以及元素间的拓扑关系，适合于空间分析与操作，但存在存储空间较大，计算速度较慢的缺点。由于各种方法都有其各自的优缺点，且三维空间实体的多样性和复杂性，很难用某一种数据结构来表达。为此，近年来许多学者和研究人员对多种数据模型集成进行研究。龚建雅、夏宗国(1997)提出了矢量与栅格集成的面向对象的三维数据模型。李清泉、李德仁(1997,1998)提出了基于八叉树和四面体格网的混合模型，即用 TIN 表示地形、用 CSG 表示建筑物。陈军、郭薇(1998)提出了基于剖分的三维拓扑 ER 模型。目前的研究共识是采用混合数据模型，即将不同数据结构集成在一个数据模型中，从而达到对三维地理现象的有效、完整的描述。2.3.2 城市三维模型建立的方法三维城市模型的主要任务是对城市三维环境进行数字化表达，继而可视化，提供相应的操作与分析功能。目前在城市三维景观构建方面，易善桢(1999)、常歌等（2000）提出了基于单纯形的 3DGIS 数据模型物和虚拟城市景观模型重建：将城市实体模型按维数划分 0 维、1 维、2 维和 3 维空间实体,并相应用 0,1,2 和 3 单纯形表示构建。同时,将地形作为城市各种建筑物的承载体，用 TIN 来表示，称作 2.5 维，在 2DGIS 矢量线划数据确定建筑物平面位置，属性确定高度、建筑物侧面纹理由数字相机获取，顶面纹理由航空遥感数据获得，生成景观模型。戴晨光等(2000)提出了基于航空影像生成城市三维城市景观。将建筑物按照其外形特征分成平屋顶房屋、人字型屋顶房屋和复杂房屋，并分别采用不同几何数据模型进行构建。唐宏、盛业华(2000)提出了一种 TIN 表达地形，以 BP、CSG 表达其他以点、线、面、体形 17式的空间实体的城市三维 GIS 数据模型,并在立体空间中,逐层引入空间信息，同时为每个对象建立属性特征和空间关系。为了准确描述建筑物的不同层次结构以便进行空间分析与操作，杨必胜等(2000)提出了一种按城市建筑物功能或形状分层的组合模型方法构造建筑物模型129101114。综观上述模型，各有其特点和适合的应用领域，三维实体和应用的复杂性，使得一种数据模型难以满足不同的需求。另外，要建立理想的城市数据模型，不仅要考虑各种几何建模方法的特点，还更要顾及到三维数据获取的难易程度，数据获取是一个关键。根据数据来源的不同，可将目前人们所采用的城市三维建模的方法分为四类：(1) 以三维影像的方式构建（将 DEM 与航空影像叠加，生成三维影像） ；(2) 基于 2DGIS 的方法构建（利用现有的 2DGIS 中数据及其部分功能建立） ； (3)基于三维数据模型的方法（利用数字摄影测量系统将空间物体转换为三维模型来获取） ；(4)利用建模软件方法。早期人们将航空影像与 DEM 叠加构造地形景观或城市建筑群的景观模型，这种模型对地形地表提供了逼真的三维表达，但该方法仅对地形地表进行了建模表达，而没有对地表其他地物三维实体进行专门的建模表达，如没有提供它们的第 3 维几何特征和纹理特征。在数字城市系统的建立中，本身就已经具有了 2DGIS 数据，且 2DGIS 数据具备大部分建筑实体建模所需的数据。因此，在大规模生产中，第二种方 18法的采用较为广泛。在这种情况下，为了反映建筑物侧面纹理及竖向信息，人们利用现有 2DGIS 中的平面位置及高度信息，另外添加一些信息（如：房屋高度、墙面纹理、规则屋顶等）同时使用规则几何体（如长方体、三棱体等几何构造体或它们的组合）来表达城市建筑物。这种方法所构建的模型系统在利用大量 2DGIS 中现有数据同时，也利用了 2DGIS 的部分功能（如数据管理、查询与检索等） 。由于重构的主要是规则建筑物实体，因而可以方便地构建一个简单的能表达城市环境的大面积范围的三维城市模型，同时数据量少且操作速度快。但最大的缺陷在于这类模型进表达了相对规则的建筑物，难以重构复杂的城市景观实体，所构建的模型真实感不足。数字摄影测量的飞速发展，建筑物高度等三维数据的大批量快速获取成为可能。摄影测量作为一种经济的获取真 3D 城市数据的方法，使得我们可以从数字遥感立体图像上以全自动方式获取数字高程模型和以半自动方式提取建筑物平面位置和高度信息，构建三维实体，这为城市景观逼真可视化的实现提供了数据条件；反过来，城市景观逼真可视化的实现又可以为从遥感立体图像上所量测到的建筑物数据和 DEM 数据提供检验。这种建模方法代表了目前三维城市建模研究的发展趋势。第四种方法是利用目前流行的建模造型工具（3DMAX，AutoCAD 等）来构造实体。对于复杂的地物或标志性建筑物，模型建立应该比较详细。可在专门的建模软件下进行建模，然后再加入三维城市场景中。但这种建模不同于艺术广告中的三维沙盘，因为它不但要考虑视觉效果还要考虑精度以及与实地景观的吻合度。所以相对前面的建模方法，这种方法的技术难度比较大，它要求建模人员不但具有丰富的地学思想，头脑中还应该具有一定的空间美 19学知识。使用这种方法建模优点是实体模型刻画细致，真实感强，在规划设计中虚拟未来场景很有用；缺点是构成模型的面多，当超过一定面数后，影响演示效果。根据以上论述，由于城市三维对象随着研究领域的不同,其描述空间实体的方法存在较大差异，因此应根据研究领域空间实体特征，结合使用不同的建模方法。3 3 城市三维模型可视化城市三维模型可视化三维可视化技术是随着计算机科学的进步而迅速发展起来的一门新的计算机图形技术，是直观地表达和分析空间信息的有力手段，它与虚拟现实技术结合是今后发展的必然趋势，也是数字城市的支撑技术之一。当前主流的三维建模软件（如 3DMAX 等）都是让用户处理大量的三维数据,并且利用这些数据在显示系统上实时地渲染出三维场景，然而,这种三维场景只是静态的三维表示方法或者是关键帧动画，城市三维模型可视化不仅要求立体视觉上的沉浸感,还需要有和三维可视化场景进行交互的能力。在上一章景观中各实体数据模型建立之后，接下来的目标就是数据模型的可视化，使我们能真切的看到虚拟的结果。本章仅在简单介绍支持视景生成的图形库OpenGL 的基础上，讨论三维场景实时显示的有关技术。3.1 OpenGL 概述OpenGL（Open Graphics Library）是美国 SGI 公司推出的一套开放式的三维图形软件接口，适用于广泛的计算机环境。它以高性能的交互式三维 20图形建模能力和易于编程开发，得到了 Microsoft、 IBM、 DEC、 Sun、 HP等大公司的认同。因此，OpenGL 已经成为一种三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的必要工具。如 Autodesk 的三维建模软件 3D Studio Max,以及 ID SOFT 的全视角三维游戏 Quake 都是以 OpenGL 为底层图形接口的。OpenGL 提供建模、变换、光照、纹理、动画等功能，方便灵活地实现了二维和三维的高级图形技术，为实现逼真的三维绘制效果，建立交互式三维场景提供了优秀的软件工具2425。OpenGL 功能完善 ,能够生成真彩的三维场景从绘制任何简单的 3D 物体到交互的动态场景，OpenGL 都能高效、简便的完成。它具有以下功能：(1) 建模。提供基本的点、线和多边形绘制，还提供了体元绘制（如：球、茶壶等）以及复杂曲线曲面（如：Bezier、Nurbs 等）绘制函数。(2) 变换。包括基本变换和投影变换。(3) 设置颜色模式。OpenGL 颜色模式有两种,即，RGBA 模式和颜色索引（Color Index） 。设置光照和材质：OpenGL 提供四种光，即，辐射光、环境光、漫反射光和镜面光。材质用光反射率表示。(4) 纹理映射。利用这一功能可以十分逼真的表达物体表面细节。(5) 位图显示和图像增强。除了基本的拷贝和像素读写外，还可通过反走样、融合、雾化来增强图像效果。(6) 双缓存（Double Buffering）技术。双缓存即前台缓存和后台缓存，后台缓存负责计算场景、生成画面，前台缓存负责显示后台缓存画好的画面。此外，利用 OpenGL 还能实现深度暗示（Depth Cue） 、运动模糊 21（Motion Blur）等特殊效果，以实现消隐算法。3.1.1 OpenGL 在 Windows 2000 上的实现由于 OpenGL 是一个平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格式管理和渲染环境管理，Windows 2000 为此提供了通用的 GDI（Graphics Device Interface,图形设备接口）实现。如图 3.1 所示为 OpenGL for Windows 2000 的工作过程图23。 图3.1OpenGL for Windows 2000的工作过程硬件相关DDIWin32DDIWINSRV.DLLOpenGL.DLL客户应用程序OpenGL命令视频显示驱动程序ClientSever从图中可以看出，OpenGL 指令的解释模型是基于客户/服务器模式，即客户（试图用 OpenGL 进行绘制工作的应用程序）发出 OpenGL 命令,由动态连接库 OpenGL.DLL 接收和打包后，发送到服务器端的 WinSrv.DLL, 这些 22OpenGL 命令则是由服务器来解释的，然后由它通过 DDI 层发往视屏显示驱动程序。如果系统安装了硬件加速器，则由硬件相关的 DDI 来处理。在大多数情况下，客户和服务器是运行在同一台计算机的。基于客户/服务器模式，在网络环境中则很容易使用 OpenGL,且在不同计算机上的多个客户可以得到在其它计算机上服务器的服务，这样 OpenGL 就具有网络透明性。3.1.2 OpenGL 的工作流程及三维图像生成原理 作为图形硬件的软件接口，OpenGL 最主要的工作就是将二维及三维物体描绘至帧缓存。这些物体有一系列的描述物体几何性质的顶点（Vertex）或描述图像的像素（Pixel）组成。OpenGL 执行一系列的操作把这些数据最终转化成像素数据并在帧缓存中形成最后的结果。OpenGL 可以在具有不同图形能力和性能的图形工作站平台及微机上运行。OpenGL 基本操作是指从制定几何元素开始，通过流水线处理，直到最后把像素值写入帧缓存器的整个过程所执行的全部操作，图 3.2 给出了 OpenGL 的工作流程图。 23 几何顶点数据图像像素数据显示列表评价器像素操作逐点操作基元装配光栅化逐个片断操作列表帧缓存器纹理存储器图3.2 OpenGL工作流程由于 OpenGL 的几何图元是由顶点描述的，这样可以便于逐点操作并按其数据装配成基元，然后经光栅化形成基片。图像像素数据的处理包括像素、位图、影像等，它们经过像素操作后直接进入光栅化阶段。对于像素数据，其结果还可以存储在纹理用的内存中，然后从纹理内存中取出像素信息进行光栅化。 OpenGL 绘制过程中，部分过程的含义如下：显示列表：事实上是一组函数，它们被存储以使 OpenGL 在后继时间内能够处理。评价器：也是许多特殊的函数。这些函数允许你采用一个或两个变量的多项式映射来产生顶点坐标、法线坐标、纹理坐标及颜色，生成结果传递给执行管道（Pipeline） 。光栅化：包含几何和物理映射两部分。几何操作是将图元转化成二维图像；物理操作是计算图像每个点的颜色和深度等信息。因而，光栅化一个图元由两部分组成。第一部分是决定窗口坐标中一个整数栅格的哪些方块由图 24元占有；第二部分是为每个这样的方块计算它们的颜色值和深度值。计算结果将被传递到 OpenGL 下一个过程，并用此信息更新帧缓存器中的适当单元。从图 3.2 可以归纳出，基于 OpenGL 构造城市三维景观模拟场景的基本步骤如下：(1) 数据准备与预处理。用于构造物体三维景观的数据包括几何数据和纹理数据。几何数据预处理包括 DEM 数据的改正、建筑物几何数据的检测等。纹理数据预处理包括影像质量改善、纹理图像格式转化等。(2) 设置像素格式。无论进入 OpenGL 的是何种数据，OpenGL 最终都将进行像素操作，即把像素写到帧存上去。像素格式告诉 OpenGL 如何操纵这些像素，如绘制风格、颜色模式、颜色数据的位数、深度缓存的位数、模板缓存的位数，掩膜的可见性等信息的设置。(3) 建立模型。根据基本图元（OpenGL 中把点、线、多边形、图像和位图都作为基本的图形单元） 。建立景观的三维模型，并对所建立的模型进行数学描述。(4) 舞台处理。把景观模型放在三维空间中合适的位置，设置三维透视体以观察场景。(5) 效果处理。赋予物体模型材质（颜色、光照及纹理等）以增强场景的真实感。(6) 光栅化。把景物模型的数学描述及其材质信息转换至计算机屏幕上的像素信息。 253.2 基于 OpenGL 的三维景观模型显示以 OpenGL 作为图形标准，在计算机屏幕上显示三维景观图。再通过纹理映射，把影像，纹理图像映射到几何模型表面，形成逼真的三维景观模拟。然而，城市三维景观系统不仅仅是对空间三维物体实现可视化。城市三维景观系统要求通过视觉变换，可以建立自己的视点，指定观察方向、角度及观察范围的大小，通过模型变换，可以从不同侧面观察三维景观，进行漫游，还希望能够实时地查询到自己感兴趣的区域内或某一特定目标的详细信息，如房屋属性等。这也是 OpenGL 相对 3DMAX 的关键吸引力所在，后者的动画是关键帧动画，而前者是人机交互式的，从而使基于 OpenGL 建立的城市三维场景模型动画，与通常的计算机动画制作和仿真模拟完全不同，它具有一定的交互性：对城市