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地形三维可视化基本研究-5151doc

地形三维可视化基本研究
作者:张占阳 文章来源:论文资源库 点击数: 更新时间:2010-4-5

地形三维可视化基本研究  

张占阳  

(长安大学地测学院地理信息系统,陕西西安  710054)  

摘  要:地理信息可视化在研究地学信息和地理信息中起着重要的作用,二维平面地理信息使得空间地物可以转换为平面栅格图像和矢量地图,进而使相关分析研究得到进一步的简化处理,而三维地形模拟的实现又使地理研究变得更为快捷、方便、精确、全面。本文主要介绍了地形三维可视化实现的基本步骤以及实现过程中需要注意的若干问题。  

关键字:三维可视化    透视投影    消隐裁剪    符号注记  

Abstract:The Geographic Information Visualization plays an important role in the study of geological information and geographic information, the two-dimensional plane in GIS makes the  spatial features  can be converted to raster images and vector maps, and then makes the relevant analysis has a further simplification in processing, in the meantime, the realization of the three-dimensional topography simulation has maked the geographic research  even more fast, convenient, accurate and comprehensive. This paper describes the basic steps in the achieving process of the three-dimensional terrain visualization and a number of issues that need attention during the process of the realization.  

Keywords:Three-dimensional visualization  Perspective projection  Blanking cutting  Symbol notes  

【中图分类号】P208 【文献标志码】A  

正  文:  

    在某种程度上来讲,地形三维可视化与虚拟现实有着异曲同工之处。它们都是将研究区域中的高程值叠加到地形格网或平面纹理贴图中,用以获得研究区域的立体图像从而进行GIS的三维研究,如流域分析、三维缓冲区分析、通透分析和坡度坡向分析以及高程剖面分析等。一般来说,地形三维可视化包括以下几个基本步骤:DEM三角形分割或纹理贴图,透视投影变换,光照模型,消隐裁剪、图形转绘和存储以及地物叠加等等。下面对各个方面进行逐一探索:  

    1.DEM三角形分割或真实感图形与纹理贴图  

    DEM三角形分割即对野外或实验数据采用一定的建网算法进行方格网或三角网的建立。对于方格网,建网算法一般包括加权平均值、邻域平均值和最近邻点法等。如加权平均值是对区域根据数据分布进行分块(构建方格网),然后对格网中的各个点进行逐一插值,假定当前插值点为格网起点,首先以当前点为圆心,规定一个初始半径,判断区域中哪些数据点落在该圆形区域中,并将落在圆形区域中的点记录下来,同时计算当前格网点与这些点的距离,并规定距离的倒数为当前点与区域点之间的权,再计算各权值与区域点高程乘积之和,最后与权值之和作比值就内插出了当前格网结点的高程值(应当注意的是,一般情况规定落在圆形区域中的点的数量为4-10个左右,若落在圆形区域内的区域采样点数目小于4,则应适当扩大搜索半径,同理,若点数大于10,则应适当减小半径)。如此循环,将整个格网的格网结点高程值依次内插出来即形成了附带高程的平面格网图。对于三角网的构建,可以采用分割合并算法、三角网增长算法或逐点插入算法(初始包容盒算法),这里不再一一介绍。  

    如若没有采样数据,可对研究区域进行纹理贴图。将模拟场景的三维描述成二维灰度阵列所得到的计算机图像是一种连续的灰度曲面,由于这种图像用面来约束模型,从而弥补了在没有数据控制点的地方用传统的线划图形表示可能出现的信息缺误。这种灰度浓淡图像使得实际地物的各种起伏特征一目了然,这种图形因具有相片的观察效果而被称为真实感图形或逼真图形。与线划图形不同的是,真是感图形的计算机合成需要根据光源的位置和颜色、地面的形状和方位、地面的光谱特性等计算画面中每一点的颜色灰度。  

    为了弥补灰度图像仅能表示地形起伏情况的不足之处,当需要表现地表的各要素特征时,可以通过添加表面细节来完成。表面细节通常有两种:颜色和纹理。颜色细节应用于光滑表面,但看起来并不改变表面的形状,而纹理细节则会给出一个具有粗糙表面的外形。当在三维物体表面上加绘细节时指定的不同属性称之为纹理贴图,如凹凸贴图、透明和颜色贴图等。  

    2.透视投影变换  

    透视投影变换就是将DEM数据坐标系转换为屏幕坐标的过程,使得平面坐标在添加高程值之后能够转换为立体图像呈现出来,并符合人眼的视觉成像感知效果。透视投影变换的算法很多,这里直接给出一个转换算法:  

xm=((Xm-Xs)*cos(θ)-(Ym-Ys)*sin(θ))/((Zm-Zs)*cos(α)-(Xm-Xs)*sin(θ)*sin(α)-(Ym-Ys)*cos(θ)*sin(α));  

ym=((Xm-Xs)*cos(α)*sin(θ)+(Ym-Ys)*cos(θ)*cos(α)+(Zm-Zs)*sin(α))/((Zm-Zs)*cos(α)-(Xm-Xs)*sin(θ)*sin(α)-(Ym-Ys)*cos(θ)*sin(α));  

其中,Xm、Ym、Zm为DEM格网结点所在坐标系的坐标或附带高程值的平面图像所在坐标系的坐标,Xs、Ys、Zs为观察点(即视点)在格网结点坐标系中的坐标,θ为投影坐标系的X轴与格网结点坐标系X轴之间的夹角,α为投影平面与格网结点坐标平面之间的夹角,xm、ym为通过视点映射地形点到投影平面上

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