三维可视化技术与GIS工程

1、三维可视化技术与 GIS 工程一、前言 目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃开展， 并 成为计算机图形学领域的三大热门研究方向， 它们的核心都是 三维真实感图 形 1 ，也就是三维可视化技术。三维可视化技术 是目前计算机技术和图像 图形学开展的热点之一， 它是依靠视觉 效果将数据所要表达的信息直观显示 出来的一种最好的方法。 传 统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比 较抽象， 将三维 可视化技术引入 GIS 领域中可以动态地、形象地、多视角 地、多 层次地、 如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。 如通常所见的 地 形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合 在 GI

2、S 中的应 用介绍三维可视化开发的根本方法。二、三维可视化 GIS 关键技术 三维可视化技术可以简单的分解为三 种技术的结合 : 可视 化、三维和 GIS 。下面分析了可视化技术、虚拟现实、 体视化技 术、三维技术等关键技术。1、可视化技术可视化，也称为科学计算可视化 (Visualization in Scientific Computer), 它是指运用计算机图形和图像处理技 术，把科学数据转换成可视 的、能帮助科学家理解的信息，并进 行交互处理的理论、方法和技术。GIS 可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术， 它通过强大的、 有效的地图系统将复 杂的空间 和属性数抓以地理的形式进

3、行描述， 具有界面风格人性 化设计，实现了文本、 图形和图像信息相结合的定位、查询、检 索模式信息表达形象化、自观化操 作简单便利等特点 2 。2、虚拟现实虚拟现实 (Virtual Reality) 技术是一个由图像技术、传感 器技术、计算机技术、 网络技术以及人机对话技术相结合的产物。 它以计算 机技术为根底，利用高性能、高度集成的计算机硬、软 件及各类先进的传感 器，去创造一个使参与者处于一个三维视 觉、听觉和触觉的环境，具有完善 的交互作用能力、 能帮助和启 发进入虚拟境界的参与者的构思的信息环境。 利 用计算机系统提 供的人机对话上具， 同虚拟环境中的物体交互操作， 使用 户仿佛 置

4、身于现实环境之中， 使参与者足不出户就能身处异景， 如遥远 的 太空、海洋深处、甚至是微观世界。3、体视化技术三维体可视化技术是真正的三维。 它是由完全的三维空间体 数据构建 模型， 可以对模型切割来获取内部信息。 它是每一个空 间点对应三个方向， x, y, z ，也就是在一个空间坐标上放置每 一个属性点，可以由关系 V = .f (x, y, z)表示， V 表示空间点的属性值， x, y, z 分别表示空间坐标 3 。空间三维实体的可视化， 即体视化主要是处理和分析各种体 数据，并 对这些体数据进行变换、操作和显示，其目的是让人们 更清楚地认识蕴含于体数据之中的复杂的结构。 体数据可以看

5、成 是在有限空 间中的一种或多种物理属性的一组离散采样， 它可以 表示成 :ƒ(x) , x? Rn ; x是n维空间的采样点的集合，因此也有人把体数据成为数据集。4、三维技术 三维立体显示的出发点是运用三维立体透视技术和计算机 仿真技术， 通过将真实世界的三维坐标变换成计算机坐标， 通过 光学和 电子学处理， 模仿真实的世界并显示在屏幕上。 三维技术 广泛应用在资源 环境模型、地形模拟、 CAD 辅助设计、影视特技、 广告设计等方面。它具有 可视化程度高、表现形式灵活多样、动 态感和真实感强、资料更新方便等优 点。三、三维可视化算法 直接体绘制技术具有能够产生三维数据场的整

6、体 图象， 包括 每一细节，并具有图象质量高，便于并行处理等优点，因而成为 当前科学计算可视化中有吸引力的重要研究课题之一。 鉴于直接 体绘制技术 的优势， 下面重点介绍了光线投射法， 移动立方体法 以及 Z-Buffer 消隐算 法 4 。1、光线投射算法光线投射算法是目前使用最广泛的体绘制方法之一。 对于图 像平面上 的每一象素， 从视点投射出一穿过该象素的视线， 该视 线穿过体数据空间， 算法直接利用该视线上的采样值计算该象素 的光强。其过程包括：数据预处 理；数据值分类；重新采样；图象合成2、移动立方体法移动立方体法 Marching Cubes 算法 是三维数据场等值面 生成的经 典

7、算法， 是体素单元内等值面抽取技术的代表。 与光线 投射法不同，移动 立方体法属于外表拟合算法之一。移动立方体法根本思想为： 首先逐个体素依次处理， 找出该 等值面经过体素的位置， 求出该体素内的等值面并计算出相关参 数，以便绘制出等值 面。等值面的定义如下：(x, y, z)| s (x, y, z) = c0 ， c0 是常数。其中 s(x, y,z) = a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5xz+a6yz+a7xyzai (i=0, 1,., 7)为常数，它们由体素的八个角点值唯一决定。该算法中， 体素是一逻辑上的立方体， 由相邻层上的各四个 象素组成 立方体上的八个顶点。 算法

8、以扫描线方式逐个处理数据 场中每一立方体体素， 求出每一体素内包含的等值面， 由此生成 整个数据场的等值面。3、Z-Buffer 消隐算法从一个视点去观察一个三维物体， 必然只能看到该物体外表 上的局部 点、线、面，而其余局部那么被这些可见局部遮挡住。如 果观察的是假设千个三 维物体， 那么物体之间还可能彼此遮挡而局部 不可见。因此，如果想有真实感 地显示三维物体，必须在视点确 定之后，将对象外表上不可见的点、线、面 消去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。Z-Buffer 算法的步骤如下： ( 1)初始化，帧缓冲器 CB 置成 背景的光强 或颜色，Z缓冲器ZB置成最小z值；(2)对多边形P,

9、计算它在点(l,j)处的 深度值 zij ；(3) zij>ZB(i,j) ，那么 ZB(i,j) =zij, CB(i,j) 二多边形 P 的颜色；(对每个多边形重复(2),(3)两步，最终在CB中存放的就是消隐后的图形。四、三维可视化 GlS 实体的表达和三维数据的可视化 对于三维地理信息系统的空间数据的表达和二维地理信息 系统有一定的差异， 因此在数据实体的表达上， 也有三维地理实 体的特点。 国内学者 李清泉等人提出了以下表达建筑物和地形的 三维信息 5: 地形被表达为数字 高程模型(DEM、数字地形模 型(DTM);建筑、构筑物等用实体(CSG)和边 界表示( B-rep) 。

10、每 种不同的表达方式都有各自的特点， 根据不同的口的和 不同的要 求而定。在国内，地形数据的表达普遍采用的是 DEM 和 DOME 配，生成地形图; 建筑物通常以 2.5 维的形式存在， 之后进行纹理贴 图。DTM 是描述地表单元空间位置的和地形属性分布的有序集 合，是定义 于二维区域之上的一个有限向的向量系列。 它以离散 分布的平面点来模拟连 续分布的地形， 通过存贮在介质上的大量 的地面点空间坐标和地形属性数据， 以数字形式来描述地形地 貌。它随用途不同具有不同的数据结构， 但一般均 可变换成为规 格点组成的栅格数据形式。DEM 通常用地表规那么网格单元构成的高程矩阵表示， 广 义的 DE

11、M 还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表 示。在 GIS 中， DEM 是建立三维地形的根底数据，其他的地形要 素可由 DEM 直接或间接导出， 成为“派生数据，如坡度、坡向。 DEM 主要有三种表示模型 :规那么格网模 型(GRID、等高线模型和不 规那么三角网模型(Triangulated Irregular Network ， TIN) 。由于三维几何表示能提供物体的几何描述， 使空间物体可用 计算机来 存贮、处理、显示。物体3D 表示可以有多种方法，大致分为基于体表示和基于面表示两大类， 其中，具有代表性的是 结构实体表 示 (Constructed Solid Geomet

12、ry, CSG) 和边界表示 (Boundaryrepresentation, B-rep 方法。 CSC 方法在计算机辅 助设计 CAD 中应用广泛，它通过预定义的模型单兀来表示空间 物体，这些单元具有规那么的形状， 如 : 立方体、圆柱体、圆锥体 等，单元间的关系主要是布尔操作。 CSC 方法的优点是模型关系 简单，便于显示和数据更新， 缺点是空间分析难以进行 : 而 B-rep 表示方法， 可以通过对构成物体边界的点、线、面和体四种类型 兀素的精确描述， 即能 够精确表示物体几何位置以及兀素间的拓 扑关系， 虽然 B-rep 方法适于空 间操作和分析， 但存储空间占用 多，计算速度较慢。

13、五、三维可视化在 GIS 中的应用目前在社会的各行各业中， 地理信息三维可视化系统都得到 了广泛的 应用 6 ：1. 城市：地理信息三维可视化系统应用于城市建设的很多领 域，如大楼的建筑结构和住户管理、空气污染与流动状态监测、 地下水源污染监测、 地下管线的规划与管理等。2. 环境：二十一世纪全社会都更加重视环境保护，地理信息 三维可视化系统可以表达大上、地面、地下多层次的环境状况，更好地模拟真实三维环境，帮助人们更好的管理与治理环境。3. 地质：地质是资源、矿山、环境等众多学科与工程应用的 根底。 地 理信息、 三维可视化系统应用于表达复杂的三维地质构 造形态 如地层界 面、不整合面、断层等不规那么的面状构造 ，表 达岩石内部结构 如层理、 纹理、走向、孔隙度、孔隙连通方向 等微细的内部构造 以及岩体内部物 质的分布状况。4. 矿山：在矿山领域， 地理信息三维可视化系统平台应用于 表现矿体及围岩形态，表达巷道、采矿工作面形态，表达矿井风 流状况、瓦斯浓度、 地场应力等三维现象，如果再加上各种知识 库、专家系统，还可支持三维环 境下的工程管理与决策。5. 海洋： 二十一世纪是海洋的世纪， 海洋的研究与管理在我 国可持 续开展战略中将占据越来越重要的位置。 海洋在不同深度 的含盐量、水温、 压力、水流方向都是不同的， 地理信