（信号与信息处理专业论文）数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现.pdf

摘要 随着“数字地球”这个概念的提出，与之相联系的“数字城市”现今已成为 人们研究的一个热点。论文正是围绕数字城市中的建筑物物多分辨率建模技术及 其可视化展开的。 本文论述了单分辨率建筑物的建模及可视化，研究一种适用于城市空间信息 应用的建筑物数据模型，在此基础上，设计和实现了建筑物三维模型库，给出了 建筑物数据的录入方法；分析了现有的表面简化算法，在此基础上，提出了一种 顾及建筑物特征的新的表面简化算法；本文还给出了多比例尺多分辨率建筑物数 据库的设计及多比例尺下细节层次可视化的实现机制，实现了多比例尺多分辨率 建筑物数据的全关系化管理；最后，给出了一个三维景观浏览系统的软件模块， 分析了系统的各个组成部分及实现。 试验结果表明，本文所提出来的建筑物数据模型及数据库存储、管理、传输 的方法以及系统模块的实现方案能较好的实现城市三维景观的多分辨浏览，技术 指标也基本上符合实用化的要求。 关键字：三维建模多分辨率表面简化细节层次城市三维景观 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec o n c e p to f “d i g i t a le a r t h ，d i g i t a lc i t y ”h a sb e c o m e ar e s e a r c ht o p i c o n eo f t h ek e y t e c h n i q u e si n “d i g i t a lc i t y i s3 dm o d e l i n g a n d v i s u a l i z a t i o n f o c u s e so nt h ep r o b l e m sa b o v e m e n t i o n e d ，t h es i n g l er e s o l u t i o nm o d e l i n g a n dv i s u a l i z a t i o na r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r 3 dd a t em o d e lo f b u i l d i n gw h i c h i s s u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no f u r b a n s p a t i a li n f o r m a t i o n i sg i v e n t h eb u i l d i n gd a t a b a s e d e s i g na n d t h ew a y o f b u i l d i n g d a t ai m p o r ta r ea l s og i v e n o nt h eb a s i so f a n a l y s i so f e x i s t i n gs u r f a c es i m p l i f i c a t i o na l g o r i t h m s ，an e w s u r f a c es i m p l i f i c a t i o na l g o r i t h mw h i c h c o n s i d e r i n gt h eb u i l d i n g sc h a r a c t e r si sp r e s e n t e d t h ed a t a b a s ed e s i g no f m u l t i s o l u t i o n b u i l d i n ga n dm e c h a n i s mo f i m p l e m e n t i n g v i s u a l i z a t i o nw i t hl e v e lo f d e t a i la tm u l t i s c a l ei sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，as c h e m ei sp u tf o r w a r da n da c o r r e s p o n d i n g s o t t w a r em o d u l ei sa c h i e v e d t h er e s u l to b t a i n e dd e m o n s t r a t et h a tt h ed a t em o d e l o f b u i l d i n g ，t h ed a t a b a s e d e s i g na n dr e a l i z a t i o na n dt h es c h e m ew h i c h i sg i v e ni nt h i sp a p e rc a na c h i e v es o m e f u n c t i o ns u c ha sm u l t i - r e s o l u t i o n b r o w s i n g ，d a t am a n a g e ，v i r t u a lr a m b l ei nu r b a n3 d l a n d s c a p e ，a n ds oo n k e y w o r d s ：3 d m o d e l i n g m u l t i - r e s o l u t i o ns u r f a c es i m p l i f i c a t i o nl o d 3 du r b a nl a n d s c a p e 创新性声明 y5 8 3 6 2 2 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。 本人签名： 型21 塾同期：训唑、，、毕 关于论文使用授权的说明 本入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 生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后发表论文或使用论文工作成果对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。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名：垒! !日期：2 1 垒! 竺 导师签名：盟日期：柳伊7 、 第一章绪论 第一章绪论 “数字地球”( d i g i t a le a r t h ) 是1 9 9 8 年美国前剐总统戈尔提出的，它是对 真实邀球及熬稳关现象的统一缀敷数字纯重现移认识。在戬簸识经济为黪镬豹嚣 将弱来静蘩慧疑会中，薅惑技零楚黯毒凳经济的重要惫产要素，数字纯髂患逶箱谖 经济社会的主簧经济资源，鼢照耀与空淘位置及褶芙信息为特征的“数窜地球” 是信息资源的藏体核心，必将对憋个信息产业产生执定性的影响。 城市，作为个复杂的人文与自然的复合系统，鼹人口、资源、环境和社会经 济要素高度密集豹地理综合体。嗣此，数字城市的建设成为了数字地球墩用的一 夸重要方惫，魄是建立数字毯球筑簸关键辞分。 1 1 数字城区多分分辨率建筑物建模技术研究背景 全球化、髂息化是未来城市经济发展的总趋势，文现城市信息化是一个城市融 入全豫纯渡激敬必要蘩孛。广泛嚣发类城枣资源熬窝现资源共享，热溅粒接逡 城索僖怠豫速设，将成兔箍动城霹i 走囱现代佬赣酶渤力。城市信息纯簸黧萋豹特 征就是“数字城市”的建立。数学城市是综合运用g i s 、遥感、遥铡、嘲络、多媒 体和虚拟仿擞等高技术手段，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支持的技术服努系统。数字城市提供给入们一种垒新的城市 规划建设与鬻瑷和工传生活的理念与谖控手段，能邋藏并预测城市的交纯，尤其 是g i s 豹交麓绩惠综台楚理戆力与蠢疆表运髓力，谯簸瑾藏审复杂系统瓣怒蹲， 能帮助人们鼹好地建立起全局观念与模拟直观感。蕊澍日益提高的城市化水平， 以手工为主的传统管理方式已越米越不适应城市迅遵发展的需要，开发均实施城 市规划、建设、管理与服务的数譬化工程势在必行。 数字城市的基础是数字城市焱观模型，简称数粥城市( c y b e r c i t y ) + 它在城 枣蔑翘、浚撼篱理、毫莛与藏游森鹅等方瑟疆显饶予罴懿麴二壤g i s 。数褥藏毒疆 着i t 求平的掇离，在经历了文楼式、二维数蕊城市聪，匿静正向三维数磷城市方 向快速发展。 三维数码城市的产生可以追溯到2 0 世纪8 0 筇代初，s k i d m o r eo w e n s 和 m e r r i l l ( s o m ) 在三维城市模拟上有所表现。s o m 豹越加哥电信结构模型激发了这 个领域戆霉期羔馋，类遣烈、臻士鞫德国等瞧邦送行了事有袋效豹数弱竣蠢疆究 与示范应瘸王 乍。随蓑万维隧、廉羧现实技术及窑闷信怠技术的发展，三维数码 城市在世界备地发展起来，并逐步成为城市g i s 发展的主流。 作为城市兰维景观的重要缌成部分，数字城区中的建筑物三维建模技术及其 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 可视化已成为g i s 和i t 界的一个热点课题，它是随着计算机硬件与软件技术的发 展而形成的新技术。大规模的城市三维景观可视化是面向数字城区的虚拟现实系 统的关键技术之一。场景的复杂程度与绘制速度相互制约，尽管图形硬件技术已 有长足的发展，但仍不能满足大规模三维场景可视化的需要。多分辨率建模就是 针对同一系统或过程建立不同分辨率的模型，且保持这些模型所描述的或过程特 性的一致性。多分辨率建模技术的应用可以建立简化和有效的模型，具有众多的 应用领域，得到了国内外学者的高度重视。 课题正是根据数字城市技术方面的要求而提出的，主要针对数字城市景观可 视化中需要处理的海量地理空间数据的问题，采用多分辨思想构建和组织地物与 建筑物数据等，利用信息小冗余技术快速检索数据并构建可视化引擎，实现对城 市三维景观的低滞后感浏览。 1 2 三维建模技术及其可视化技术研究现状 综观数字城市建筑物三维建模的研究历史，其数据模型的构造可以分为三类： 基于d e m 与影像的方法；基于规则几何体与2 d g i s 的方法和基于三维数据模型的 方法。 1 2 1 基于d e m 与影像的建模方法 早期人们将航空影像与d e m 叠加生成地形景观或城市建筑物群的景观模型， 随着数据获取技术( 如使用激光扫描仪) 的飞速发展，可以一次性大批量快速地 获取d e m ，d s m 以及航空影像。因而可以方便地建立起大范围地形或整个城区的景 观模型，但这种方法构造的城区景观由于纹理的失真，缺乏真实感。目前激光扫 描仪是获取d e m 的一种高效途径，但由于数据的盾续处理计算量偏大，不易很好 地提取地面三维目标，难以对地表单个三维对象进行建模，因而难于实现查询与 空间操作分析。该方法目前仅用于建立简单粗略地城市景观模型。 l i2 2 基于规则几何体与2 d g i s 的方法 三维数字城市景观模型以构建城市的三维立体景观模型为主要目的与目前发 展较成熟的二维g i s 有很大的不同。由于2 d g i s 记录了建筑物的层数，h a n z i n g e r 等学者提出使用假定高度( 如以层高3 米计算建筑物高度) 和模拟纹理来构建建 筑物对象，即在2 d g i s 基础上添加一些信息( 如房屋高度、墙面纹理等) 来构建 三维城市模型1 1 0 , 1 1 】。鉴于一些城市建筑物具有规则的外形，可以用规则的几何体加 以描述，如长方体，三棱体等几何构造体的组合来表达建筑物模型。运用这种方 法来构造三维城市景观模型，由于重构的主要是城市规则建筑物实体，因而可以 方便地构建大范围的简易三维城市模型，数据量少且操作速度快，但最大的缺陷 在于这类模型仅表达了相对规则的建筑物，难以重构复杂的城市景观实体。 第一章绪论 3 1 2 3 基于三维数据模型的方法 数字摄影测量的飞速发展与高分辨卫星影像的出现，使得三维数据的大批量快 速获取成为可能，从而也迫切需要一个真三维的数据模型来管理和组织这些数据， 以便于建立一个富有管理机能和操作机制的三维城市模型系统。有学者利用c s g 对三维城市景观中的建筑物实体进行建模，其中k o c h l 就专门利用c s g 进行建模 进行了较深入的研究【l ”。但c s g 由于其本身几何要素的规则性所限，难以较好地 描述复杂的三维建筑物对象。另外有学者使用点线面体等几何要素，专门就三维 城市模型的建模进行了研究，如g r u e n 等人提出了称为v 3 d 的数据结构【l ”。总结 这些数据模型，可以发现对三维城市景观模型而言，目前还缺少一个良好的真三 维空间数据模型。但出于基于三维数据模型的三维城市景观建模方法，综合分析 了三维对象本身的特点，也顾及到对象间的空间关系的表达，因而更接近3 d g i s 应具备的功能，是目前三维城市景观建模的发展方向。 科学可视化的概念是1 9 8 7 年美国国家基金会第一次提出的。科学可视化是计 算机图形学的一个重要领域，它的核心是将三维数据转化为图象，它涉及到标量、 矢量、张量的可视化以及计算的交互控制、海量数据的存储、处理及传输、图形 及图象处理的并行算法。 目前，三维可视化在软件和图形硬件研究方厦取得了重大进展。计算机技术的 迅速发展带来了高速运算的c p u 和能容纳海量数据的存储设备。在三维图形生成 方面，m i c r o s o f ts g i ，h p , s u n 等计算机公司共同制定了三维图形标准o p e n g l ，并 已在u n i x 及w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 1 9 8 等操作系统上实现。图形软硬件技术 的不断发展为三维景观实时动态显示与漫游提供了有力的支持。 1 3 本文的主要工作与内容安排 本文围绕着国家8 6 3 高技术发展计划项目“城市空间信息应用中的若干技 术与珠三角城市带产业促进示范工程”开展研究。主要研究内容是数字城区中建 筑物的多分辨率三维建模及其可视化实现问题。本文的主要工作如下； 针对城市空间信息应用的特点，通过分析流行的三维建模工具中模型的数据文 件格式，提出了一种基于o b j 格式标准模型文件的建筑物三维数据模型，在此基 础上，设计和实现了建筑物三维模型库，给出了建筑物数据的录入方法。 在建筑物多分辨率模型生成方面，在分析现有的表面简化算法的基础上针对 建筑物模型的的特点，提出了一种新的表面简化算法。此算法可以将复杂的建筑 物三维模型化简，同时保持与原模型的最大相似度，其对建筑物模型的简化结果 优于一般的表面简化算法。 。 在多比例尺多分辨率建筑物数据管理方面，给出了数据库中表结构的设计和各 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 表之间的相互关系，并将全关系化的数据管理方式成功的引入到多分辨地理信息 应用平台中，克服了传统的地理信息应用平台采用文件系统管理数据所带来的无 法实现数据共享、网络通讯、并发控制、数据的安全恢复机制等缺陷。在系统中 数据库管理的基础上，设计了一种多比例尺下细节层次可视化的实现机制。 在含有建筑物模型的城市三维景观多分辨率可视化研究中，解决了在已获得多 分辨地理坐标参照系的条件下根据该区域的位置和分辨率级，以目前用户兴趣中 心为起点，以多分辨方式逐渐获取所需多分辨影像数据，并实时渐进可视化的方 法。使用该方法实现的含建筑物模型的三维城市景观多分辨率可视化取得了很好 的效果，但本文实现的系统中是根据用户选定的区域读取相应的数据，在进行三 维浏览时无法与用户在二维状态下未选定的区域进行无缝的过渡。要实现真正的 三维城市景观平滑无缝的浏览，还有赖于空间索引技术的合理应用。 本文的第一章分三部分说明课题的的研究意义、三位建模技术和可视化技术 的研究现状及本文的主要工作和内容安排。第二章给出了数字城区中简单建筑物 和复杂建筑物的建模方法，提出了一种基于通用模型文件的建筑物三维数据模型， 然后给出了单分辨建筑物三维模型库的建立方法和管理机制。第三章论述了生成 多分辨率建筑物数据的必要性，针对建筑物模型的特点，提出了一种新的表面简 化算法。第四章讨论了多比例尺多分辨建筑物模型库的设计以及多比例尺下细节 层次可视化的机制。第五章主要介绍了深圳市多分辨地理信息应用平台三维景观 浏览系统中多分辨率的三维显示查询模块的框架结构及系统的主要功能和具体实 现。最后，在文章的第六章对论文进行了总结并讨论了课题下一步研究工作的方 向。 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 城市景观重建与三维可视化技术是当今地理信息系统( g i s ) 的重要研究内容 之一，其主要意义在于对城市景观的现状和规划设计的描述摆脱基于二维地图的 表现方式，代之以计算机辅助的三维立体的表现方式，使决策者、设计者和用户 对城市景观的现状和规划设计有直观的三维立体印象，并使其广泛应用于城市规 划、通讯、旅游等诸多领域。 在城市景观三维重建与可视化研究中，做为城市景观主要组成部分的三维建筑 物模型的表达与重建是其中最为重要的内容。 本章首先分别讨论了简单建筑物和复杂建筑物的建模方法与数据组织，提出了 基于o b j 格式标准模型文件的建筑物三维数据模型，接着阐述了建筑物模型库的 建立与管理，为增加系统的通用性和交互性，叙述了从模型库输出通用模型文件 的方法，最后叙述了基于通用模型文件的建筑物三维可视化方法并给出了初步的 试验结果。 2 1 单分辨率建筑物建模方法与数据组织 2 1 1 简单建筑物的三维重建 平屋顶建筑物是目前城市建筑物中最为常见的建筑物类型，其屋顶为一平面， 可以用一个平面多边形来表示，如图2 i 所示，假设图中屋顶各角点g 的三维坐 标分别为( 五b ，h ) ，( i = 1 2 ，n ) 其中h 为建筑物的楼高。 c 平屋顶建筑物透视图平屋顶建筑物俯视图 图2 1 平屋顶建筑物的表示 建筑物数据存储时，各顶点必须严格按照顺时针方向的顺序排列。这样，平顶 建筑物的几何数据模型采用下列格式来表示： 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 h e i g h t b o t h e i g h t p o i n t s n u m x 1 y 1 x 2 ，y 2 建筑物的高度 ，建筑物底面的高度 ，建筑物顶点个数 ，第一个角点的平面坐标 ，第二个角点的平面坐标 x 。y 。 ，第n 个角点的平面坐标 生成具有真实感的城市三维景观图，就需要在建筑物模型表面粘贴真实的纹理 影像。这些纹理影像最直接、最主要的来源就是航空影像，随着城市区域大比例 尺正射影像制作技术的日趋成熟，对于建筑物而言，由于其顶部在影像上一般都 可见，因此其顶部纹理数据可以从影像上完整地得到；而建筑物各侧面由于受成 像方式和被其他建筑物遮掩等因素的影响，在一幅航空影像上不可能获取建筑物 侧面所有的纹理数据，此时可采用人工纹理或地面拍摄的方式获得。对具有相似 纹理的建筑物可进行批量处理，最后进行人工编辑纹理。下文主要介绍在正射影 像上提取适合o p e n g l 操作的建筑物屋顶纹理及进行建筑物表面纹理映射的方法。 在o p e n g l 中，指定一个多边形各个顶点的三维空间坐标和对应二维纹理坐标 后就构成了具有纹理映射的三维多边形表面，其中二维纹理影像的长度和宽度都 必须为2 的幂次方，必要时可加2 个像素的边界宽度，纹理坐标采用归一化相对 值( 0 0 1 0 ) 。为了适应o p e n g l 纹理映射操作，本文采用下列方式截取建筑物屋 顶纹理图象并指定多边形各个顶点的二维纹理坐标，现以如下建筑物项面为例加 以说明： 如图2 2 所示，设多边形a b c d e f g h i 的 九个顶点在正射影像上的= 维象素坐标分别 为a ( x i ，y 1 ) ，b ( x 2 ，y 2 ) ，i ( x 9 ，y 9 ： 则可以根据这九个顶点坐标求出该多边形的 外接矩形在正射影像中的范围，若外接矩形 左下角顶点坐标为j ( x 0 ，y o ) ，右上角顶 点坐标为k ( x ，y ) ，则有： x o = ( i n t ) m i n ( x l ，x 2 ，x 9 ) ： y o = ( i n t ) m i n ( y 1 ，y 2 ，y 9 ) ： 图2 2 多边形顶点排布 x = ( i n i ) m a x ( x 1 + o 5 x 2 + o 5 ，x 9 + 0 5 ) ： 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 y = ( i n t ) m a x ( y l + 0 5 ，y 2 + 0 5 ，y g + 0 5 ) ： 则外接矩形的宽度和高度分别为w o = x - - x o ，h o = y - - y o 。为便于o p e n g l 进行 纹理映射，将矩形的长度和宽度分别拓展 为2 的整次幂，其处理子程序如下： i n tg e t t e x t u r e s i z e ( i n tx ) i n tk ： f o r ( k = 0 ：k ( i n t ) ( p o w ( 2 0 ，k 1 o ) ) ) x = ( i n t ) ( p o w ( 2 0 。k + 1 0 + i 0 ) ) ： b r e a k ； ) i f ( x ( i n t ) ( p o w ( 2 0 1 5 0 ) ) ) x = ( i n t ) ( p o w ( 2 0 ，1 5o ) ) ： r e t u r nx ： ) w ：g e t t e x t u r e s i z e ( w ) ； h = g e t t e x t u r e s i z e ( h ) ； 最终所提取的纹理图象的左下角坐标为j ( x o ，y o ) ，l ( x o + w ，y o + h ) 。这 样多边形a b c d e f g 各个顶点的二维归一化纹理坐标分别为： a ：x a = ( g l f l o a t ) ( x l x o ) ( g l f l o a t ) w ，y a = ( g l f l o a t ) ( y + 一y o ) ( g l f l o a t ) h ； b ：x b = ( g l f l o a t ) ( x = - x o ) ( g l f l o a t ) w y b = ( g l f l o a t ) ( y 2 - y o ) ( g l f l o a t ) h ； i ：x l = ( g l f l o a t ) ( x 9 - x o ) l ( g l f l o a t ) w ，y b ；( g l f l o a t ) ( y e y o ) ( g l f l o a t ) h ； 在正射影像上获取建筑物屋顶纹理数据并采用地面拍摄的方式获取建筑物侧 面纹理数据后，本文可以建立纹理库并按照建筑物顶点的存储顺序依次存储建筑 物各面的纹理图象名称，最后存储的为建筑物屋顶纹理图像名称： f i l e n a m e _ f a c e l p a p e r ； 第一个侧面所使用的纹理图象名称 f i l e n a m e _ f a c e 2 一p a p e r ； 第二个侧面所使用的纹理图象名称 f i l e n a m e _ f a c e n p a p e r ； i i 最后一个侧面所使用的纹理图象名称 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 f i l e n a m e u p f a c e _ p a p e r =屋顶所使用的纹理图象名称 这种建模方法适用于屋顶面为闭合多变形的平顶建筑物，而有些建筑物尽管不 符合上进要求，但是它可以分解为两个或多个符合上述要求的单个建筑物，这样 就可以用多个典型建筑物来表示一个建筑物，如叠加式建筑物，串联式建筑物， 连环状建筑物。图2 3 表示了几种建筑物的分解方法。 一幽2 3 建筑物的分解 2 1 2 复杂建筑物的三维重建 上述对简单建筑物进行三维重建的方法，由于其本身的规则性所限，难以 较好的描述复杂的三维建筑物对象。本文采用了基于三维模型的方法对数字城区 中的复杂建筑物进行三维重建。在目前流行的三维建模工具软件中，使用的三维 图形数据的文件格式比较常见的有w a v e f r o n t ( o b j ) 格式、3 d s 格式、a u t o c a d ( d x f ) 格式。3 d s 数据格式只能保存和转换几何信息，色彩、材质等信息可能会 在转换时丢失：a u t u d e s k 公司对包含三维图形信息的d x f 文件拥有专利权，有大 量的密码信息，无法直接进行读取和利用；w a v e f r o n t ( o b j ) 文件格式公开、相对 比较简单，文本格式容易读取，可以完整的保存几何、色彩、材质等信息。同时， o b j 文件中对于三维实体的描述采用t - 角形面片逼近的方式，而o p c n g l 函数库 中具有绘制三角形面片的方法，从而为三维实体的绘制提供了简便的途径。目前 常见的三维造型软件都可直接生成这种格式的模型文件，或者可通过一些工具转 换成o b j 格式。在城市三维景观可视化应用中，采用通用的标准化o b j 三维模型 9诠。眵。 p 争 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 格式有利于借助已有的成熟工具建模，且模型具有较好的通用性。 2 1 3 基于通用模型文件的建筑物三维数据模型 从三维城市模型可视化这一实际应用出发，本文提出了一套基于o b j 标准模 型文件的建筑物三维数据模型，并将此模型运用于深圳市3 维g i s 的开发。 一、 o b 5 三维模型文件格式 m a y a 的开放系统可以直接输出o b j 格式的数据文件。此外，其他的三维造型 软件a u t o c a d 、3 dm a x 所生成的d x f 、3 d s 、m a x 等格式的文件也可以通过工具软 件方便的转化为o b j 格式。0 b j 模型文件为文本类型，结构比较简单，它保存的是 一些多边形的信息，诸如顶点几何坐标、纹理 坐标、点与点如何连线组成线、面等 1 6 】。用 一个一个的三角形面片拼合就可以构造 出三维物体( 如图2 4 所示) 。下面简要 分析0 b j 文件格式。 首先，它是由一些文本行组成的，每一行 文本都是由一个关键字开头，关键字之后是 与该关键字相关的具体参数。表2 1 是o b j 文件中最常用的一些关键字及其所表示的含义 图2 4由多边形面片构成的建筑物 关键字含义关键字含义关键字含义 v 顶点j l 何坐标 l 线 v t 顶点纹理坐标 f面v n项点法向量u s e m t l材质名称 v p 参数空间顶点g组名称 m t l l i b材质库 表2 1o b j 文件关键宇取值及其含义 其次，每一个o b j 文件都附带一个材质库文件，材质库文件名由o b j 文件中 m t l l i b 关键字后的参数给出，它描述了o b j 文件中所使用的材质信息，结构与o b j 文件类似，其文件名后缀是m t l 。表2 2 中是胛l 文件中最常用的一些关键字及 其所表示的含义： 关键字含义芙键字含义关键字含义 n e w m t l材质名称k d 漫射光 k s镜面光 k a环境光n s照射度 m a pk d所使用的纹理 表2 2m t l 文件关键字取值及其含义 1 0 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 以图2 5 所示的四面体为例： 四面体有四个顶点，在o b j 文件中有描述该四个顶点的文本行 v0 0 0 0 0 0 0 v0 0 0 0 0 0 0 v2 0 0 0 0 0 0 v0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 z x 顶点的定义语法如下： 图2 7 5一个简单的四面体 v x y zw 其中w 是一个第四各齐次坐标，一般情况下可以缺省，缺省值为1 0 。x ，y ，z 分别表示顶点位置的三维坐标，它们都取浮点( f l o a t ) 型数值。 四面体的每个三角形面片由三个顶点描述，在o b j 文件中描述四个面的文本行 为： f2l3 f2 34 fl24 fl43 其中关键字后面的数字1 、2 、3 、4 是已定义的顶点的编号。 在实际的复杂o b j 模型中，面的定义要更复杂一些，面不仅包括顶点信息还 包括顶点纹理坐标，顶点法向量信息。其定义语法为： fv v t v nv v t v nv v t v n v t 、v n 分别为顶点的纹理坐标和法向量信息。 保存材质信息的m t l 文件中，环境光、漫射光、镜面光的定义语法如下： k argb k drgb k srgb 其中r 、g 、b 分别为光的红、绿、蓝分量。 由于篇幅关系有芙o b j 文件及m t l 文件格式可参考有关资料在此不一一赘述。 二、 基于通用模型文件的建筑物三维数据模型 通过分析o b j 文件结构，将基于标准模型文件的建筑物三维数据模型抽象为 由以下8 种对象组成，并用类来表示。 三维坐标对象。表示三维空间中的顶点位置信息。 法向量对象。表示三维法向量信息。 纹理坐标对象。表示二维纹理坐标信息。 面对象。用于表示三维空间中的面，是由该面上的点对应的三维坐标对象、法 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 向量对象、纹理坐标对象组成的。 组对象。由同一三维体中使用相同材质的面对象组成。 材质对象。表示组对象使用的材质信息。包含材质名称、环境光、漫射光、镜 面光、照射度、所使用的纹理等信息。 体对象。表示三维空间中的各类模型体。由该三维体的多个组对象进行表示。 建筑物对象。表示三维空间中的各类建筑物。由组成该建筑物的多个体对象进 行表示。 基于数据模型的8 类对象，可以构建出下面7 种关系。 三维坐标一面关系。面上某个边界点的三维坐标，是一对多的关系。 法向量一面关系。面上某个边界点的法向量，是一对多关系。 纹理坐标一面关系。面上某个边界点的纹理坐标，是一对多关系。 面一组关系。描述组对象的一个或多个面对象组成组对象，是一对多关系。 材质一组关系。材质描述组所使用的光照、纹理等信息。是一对一关系。 组一体关系。描述体对象的一个或多个组对象组成体对象，是一对多关系。 体一建筑物关系。描述建筑物对象的一个或多个体对象组成建筑物对象，是一 对多关系。 在建立数据模型时，需要将这7 种关系显式存储。这样，在进行三维模型可视 化时就可以根据相应的关系方便地进行面片绘制，色彩、纹理、光照的处理，得 到很好的可视化效果。 基于上面的分析本文根据面向对象的思想，提出了如图2 6 所示的基于标准模 型文件的建筑物三维模型数据类结构。该模块完成对一个三维模型中包含的几何 实体，材质以及位置和角度等信息的封装和描述，该模块的设计除了保证能够完 整的描述o b j 文件中的三维模型信息以外，同时也充分考虑了在三维模型数据表 述中的通用性，使得该模块也可用于处理其他格式描述的三维模型数据信息。 1 三维模型中的三维坐标类v 该类用于封装三维模型中顶点的三维坐标，其属性包括顶点三维坐标的x 值、 y 值、z 值，三维坐标信息应用于各个三角形面片的顶点。 2 三维模型中的法向量类v n 该类用于描述三维模型中法向量信息，其属性包括法向量的x 值、y 值、z 值， 法向量信息应用于各个三角形面片的顶点。 3 三维模型中的二维纹理坐标类v t 该类用于描述三维模型中纹理坐标信息，其属性包括二维纹理坐标的x 值、y 值，纹理坐标信息应用于各个三角形面片的顶点。 4 三维模型中的三角形面片类g l t r i a n g l e 该类用于封装三维模型中的基本几何实体三角形面片。g l t r i a n g l e 的属性包 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 括，三个顶点的三维坐标值在三维坐标数组中的下标、顶点法向量在法向量数组 中的下标、顶点纹理坐标在纹理坐标数组中的下标。g l t r i a n g l e 是三维模型类结 构中的基本组成结构。 5 三维模型中的纹理坐标类g l g r o u p 该类用于组织和管理具有相同材质的三角形面片，其属性表示了材质和三角形 面片的关系。g l g r o u p 是三角面片类和材质类的聚合，一个组的实例只包含一个材 质类的实例，但可以包含多个三角形类的实例。因此，组类的属性包括组的名称、 组中包含的三角形数目、三角形列表、组的材质。 6 三维模型中的材质类g l m a t e r i a l 该类用于描述三维模型中的材质信息其属性包括材质的名称、漫反射分量、 环境光分量、镜面反射分量、照射度和所使用的纹理图片数据等。材质信息在实 际的三维模型中应用于各个三角形面片组。 7 三维模型类g l m o d e l 该类表示实际的三维模型数据，这个类是组类的一个聚合，其内部维护一个由 组类实例构成的链表，获取模型中基本几何数据的过程就是遍历该链表的过程。 8 建筑物数据类g l b u i l d i n g 该类表示建筑物数据，这个类是三维模型类的一个聚合。 三维模型数据模块类描述了模型数据类间的聚合关系。该模块中的各个类构成 对一个复杂三维模型数据逻辑关系的完整描述，该描述直接对应了o b j 文件的结 构，同时也可用于表示一般的三维模型数据。 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 1 3 图2 6 基于标准模型文件的三维数据模型 2 2 单分辨率建筑物模型库的建立和管理 传统的g i s 系统对数据的管理采用混合管理模式，即由文件系统来管理空间 数据，由小型关系型数据库管理系统来管理属性数据。这种管理模式存在文件系 统的检索能力差；小型关系型数据库管理系统在数据完整性检查及安全保密功能 方面的工具贫乏；无法实现数据共享、网络通讯、并发控制、数据的安全恢复机 制等缺陷。另外，随着图形数据的海量增长，文件方式下的数据管理难度将急剧 增大【l9 】。随着大型关系型数据库管理系统技术的不断完善，其应用也日渐普及。 在数据管理方面，大烈关系型数据库系统恰恰具备了文件系统所不具备的工具， 同时还可以实现空间数据与属性数据的一体化管理，因此将空间数据由文件管理 方式转化为关系化管理方式己成为目前g i s 领域的发展趋势之一。g i s 数据的关 系化管理方式能使g i s 系统开发设计人员从庞大、繁琐的数据管理工作中解脱出 来，能充分应用现有的大型关系型数据库管理系统本身的数据管理功能( 检索、 1 4 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 完整性检查、安全保密机制、安全恢复机制、数据共享、并发控制、网络通讯、 分布式体系结构等) ，同时也给传统的g i s 应用软件开发平台带来了一种崭新的设 计思想。从表2 3 中本文可以明显地看出文件系统与大型关系型数据库管理系统在 数据管理方面的差异。 性能文件系统大型芙系型数据库 管理系统 易掌握性容易困难 成本低高 检索能力无有 数据安全管理困难容易实现 数据完整性检商困难容易实现 并发控制困难容易实现 数据共享困难容易实现 对空间数据及属性数据的难以实现容易实现 一体化管理 与操作系统的集成性无关紧密相关 袭2 3 文件系统与大型关系型数据库管理系统数据管理性能 大型关系型数据库管理系统对数据的管理是通过关系表的方式来实现的。将原 有的文件管理方式下的空间数据放到关系型数据库管理系统中，需重新分析空间 实体在文件管理方式下的数据结构，然后再按照实体结构的不同，在关系型数据 库管理系统中建立不同的表来存放相应的空间数据。 在大型关系型数据库管理系统中，表格是基本的数据存储对象。因此实现大型 关系型数据库管理系统对空间数据的管理。必须预先在数据库管理系统重建立表 结构。然后在系统应用平台上通过o d b c 驱动，将文件管理方式下的空间数据写 入关系表中。 不同的关系型数据库管理系统对数据的管理方式不同。在o r a c a l 系统中， 表的管理是通过o r a c a l 系统中所设计的用户来实现的【2 叭。o r a c a l 系统通过 给用户分配不同的权限实现对表的管理。g i s 系统中所使用的城市地图信息、资源 信息、人文信息等各类信息的数据量是海量的，本文在o r a c a l 系统中通过建立 不同的用户来实现不同类数据的管理( 见图2 7 ) ，这样设计便于管理。 第二二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 1 5 图2 7o r a c a l 系统对关系表的管理方式 g i s 系统中建筑物基础数据( 例如点、线、面、影像数据等) 具有不同的信息 结构，因此在大型关系型数据库管理系统中设计的相关表结构也不同。 顶点三维坐标实体表结构： 表名：v 。其中：v i d 代表三维坐标实体的唯一标识：( v x ，v y ，v z ) 用于表 示一个三维坐标值。 顶点法向量实体表结构： 表名；v n 。其中：v n i d 代表法向量实体的唯一标识；( v n x ，v n y ，v n z ) 用于表示一个法向量值。 顶点二维纹理坐标实体表结构： 表名：v t 。其中：v t i d 代表法向量实体的唯一标识；( v t x ，v t y ) 用于表 示一个二维纹理坐标值。 面实体表结构： 表名：f a c e 。其中：f a c e i d 代表面实体的唯一性标识；v i d 表示该面上的 一个点所对应的三维坐标i d v t i d 表示该面上的一个点所对应的二维纹理坐标 i d ；v n i d 表示该面上的一个点所对应的法向量i d ：h o u s e i d 表示该面所属的建 筑物i d ；p o i n t o r d e r 代表关于同一面上的各点的顺序( 在o p e n g l 中，逆时针 画出来的图形才是正面朝向本文的) 。 材质实体表结构： 表名：m a t e r i a l 。其中：m a t e r i a l i d 代表材质实体的唯一性标识；t e x 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 是一个二进制数据类型，代表该材质所使用的纹理图象：a r 、a g 、a b 分别表示 材质环境光分量的r g b 值；d r 、d o 、d b 分别表示材质漫射光的r o b 分量；s r 、 s g 、s b 分别代表材质镜面光分量的r o b 值；s h i n i n e s s 代表材质的照射度。 组一面关系表结构： 二二j 五正二二二 二二二亘正二 表名：g f 。其中：g r o u p i d 代表组实体i d 号：f a c e i d 代表与组成该组的 面i d 号。 组一材质关系表结构： 表名：g m 。其中：g r o u p i d 代表组实体的唯一性标识；m a t e r i a l i d 代表 该组所使用材质的i d 号。 模型一组关系表结构： 表名：m o 。其中：m o d e l i d 代表模型实体的唯一性标识；g r o u p i d 代表组 成该建筑物的组i d 号。 建筑物一模型关系表结构： 表名：b g 。其中：b i d 代表对建筑物实体的唯一性标识；m o d e l i d 代表组 成该建筑物的模型的i d 号。 图2 8 表示了整个单分辨率建筑物模型库各表之间的相互关系 第二章单一分辨率建筑物的建模、组织管理与可视化方法 图2 8 横犁库各袭之间的相可关系 在建筑物数据库设计完成后，本文需要录入相应的建筑物数据，由于对于简 单建筑物和复杂建筑物本文采用了不同的建模方法，因此这两类建筑物数据的录 入方法也是不同的，以下分别给出这两类建筑物数据的录入方法。 文件管理方式下的平项建筑物是按如下方法存储的：以图2 9 的建筑物为例， 假设该建筑物的i d 为1 ，在存储建筑物数据的文件夹中使用一个与该建筑物i d 同 名的文件央来存储建筑物数据，在这个建筑物所对应的文件夹中有两个文本文件 分别对应组成该建筑物的两个典型建筑物。 数字城区中的建筑物多分辨率建模技术及其可视化实现 圉 建筑物数据i 圈2 9 文件管理方式下平顶建筑物数据的存储方式 圆 1 t x t 囿 根据2 1 1 给出的的简单建筑物数据模型及上述的存储方式，简单建筑物数据 入库的基本步骤如下： 1 打开建筑物数据文件夹中与建筑物i d 同名的文件夹。 2 搜索该文件夹中的文本文件，依次将文本文件中存储的信息入库。 3 将建筑物的底面及顶面顶点三维坐标入库，即写v 表。 4 将各个面进行三角剖分；2 1 1 节给出的方法计算纹理坐标，将纹理值记录 到v t 表中；计算各个面的法向量，将法向量信息记录到v n 表中：在f a c e 表中记录面上的点与v 、v t 、v n 的映射关系，及各个点的排布顺序。 5 根据文本文件中记录的纹理图片路径，录入纹理数据，即写m a t e r i a l 表，在一个临时表中记录己录入的纹理图片名称及i d ，在以后的建筑物中 如再次使用到该图片，则无需再次录入该图片，只需获取相应的材质i d 。 6 同一模型中使用相同纹理的面作为一个组，这样在渲染时可以减少纹理的 载入次数，写g f 表。 7 记录组所使用的纹理i d ，写g m 表。 8 写m g 表，记录组成该模型的所有组i d 。 9 搜索下一个文件，如果返回真，则跳到3 。 1 0 写b m 表，记录组成该建筑物的所有模型i d 。 对于呈凹多边形的建筑物顶面而言，分割为不规则三角网的基本方法是：对顶 点按指定顺序排列的凹多边形，当每生成一个三角形后，用新三角形中心落在确 定边界多边形以