大规模三维地形可视化系统的研究
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摘要
三维地形在城市规划、工程勘查与设计、环境监测、灾害预测与预报、军事、游戏娱乐等诸多领域都有广泛的应用。如何实现基于海量数据的大规模三维地形的可视化更是目前研究的热点，本文就此问题做了如下研究：
◆对通用数字地形数据的几种数据模型的结构特点进行比较，提出基于栅格数据的动态分块及快速读取算法，实践证明该算法能够较好解决大规模三维地形的建模问题。
◆针对海量数据的动态分块及快速读取算法，设计地形数据量自适应平衡子系统，该系统能够根据系统绘制三维地形场景的速度，自动调整系统处理的数据量，使不同性能的系统都能够平稳高效运行，增强系统的兼容性。
◆通过纹理映射实现大规模三维地形场景的影像信息的叠加，对多种专题影像数据的叠加，是系统进行空间分析的基础。
◆针对大规模地形细节表达能力较差的特点，引入基于图像绘制的细节表达方式，加强对地形地貌细节的表达。
◆设计了大范围研究模式和快速漫游两种场景观察方式，使系统不仅能够较好表达大范围宏观场景，而且具有小区域详细观察、测量、计算分析的功能。
◆引入了免费的开发工具包—FLTK，基于FLTK和OpenGL进行了原型系统的设计。由于FLTK和OpenGL都具有良好的可移植性，系统具有良好的可移植性和兼容性，为系统的跨平台及网络版本奠定了坚实基础。
3D terrain has extensive application in many fields, such as city planning, engineering design, environment supervision, disaster forecast, military affairs, games and entertainment. At present, how to realize the visualization of large scale 3D terrain based on great data is the hot topic of research, the following studies have been done around the problem.
The structural features of several data model of general digital terrain data have been compared, the dynamic partition and fast reading algorithm based on grid has been proposed, it has proved that this algorithm can solve the modeling problem of large scale 3D terrain.
For the dynamic partition and fast reading algorithm of huge data, auto adaptation balance subsystem of terrain data has been designed. The system can adjust the amount of data processed by it automatically, make the system with various functions run steadily and affectively, enhance the compatible property of the system.
The mergence of image information in large scale 3D terrain scene has been realized by texture mapping, the mergence of image information in many kinds spacial topics is the basis of special analysis, by the system
Aiming at the bad details expressing ability of large scale terrain, the details expressing methods based on image rendering have been introduced, in order to reinforce the details expressing of the terrain.
Two modes of observation have been designed: study mode of large terrain scenes and rapid exploring mode in small areas, so the system can not only render large scale scene of terrain, but also observe, measure, compute, analyzing in small areas.
The toolkit (Fast Lightened Tool Kit, FLTK) that can be obtained freely has been introduced, and the system based on FLTK and OpenGL has been designed. For good properties in transplantation and compatibility, the system has excellent ability of running in many kinds of operation systems and upgrading to network version.
◆对通用数字地形数据的几种数据模型的结构特点进行比较，提出基于栅格数据的动态分块及快速读取算法，实践证明该算法能够较好解决大规模三维地形的建模问题。
◆针对海量数据的动态分块及快速读取算法，设计地形数据量自适应平衡子系统，该系统能够根据系统绘制三维地形场景的速度，自动调整系统处理的数据量，使不同性能的系统都能够平稳高效运行，增强系统的兼容性。
◆通过纹理映射实现大规模三维地形场景的影像信息的叠加，对多种专题影像数据的叠加，是系统进行空间分析的基础。
◆针对大规模地形细节表达能力较差的特点，引入基于图像绘制的细节表达方式，加强对地形地貌细节的表达。
◆设计了大范围研究模式和快速漫游两种场景观察方式，使系统不仅能够较好表达大范围宏观场景，而且具有小区域详细观察、测量、计算分析的功能。
◆引入了免费的开发工具包—FLTK，基于FLTK和OpenGL进行了原型系统的设计。由于FLTK和OpenGL都具有良好的可移植性，系统具有良好的可移植性和兼容性，为系统的跨平台及网络版本奠定了坚实基础。
3D terrain has extensive application in many fields, such as city planning, engineering design, environment supervision, disaster forecast, military affairs, games and entertainment. At present, how to realize the visualization of large scale 3D terrain based on great data is the hot topic of research, the following studies have been done around the problem.
The structural features of several data model of general digital terrain data have been compared, the dynamic partition and fast reading algorithm based on grid has been proposed, it has proved that this algorithm can solve the modeling problem of large scale 3D terrain.
For the dynamic partition and fast reading algorithm of huge data, auto adaptation balance subsystem of terrain data has been designed. The system can adjust the amount of data processed by it automatically, make the system with various functions run steadily and affectively, enhance the compatible property of the system.
The mergence of image information in large scale 3D terrain scene has been realized by texture mapping, the mergence of image information in many kinds spacial topics is the basis of special analysis, by the system
Aiming at the bad details expressing ability of large scale terrain, the details expressing methods based on image rendering have been introduced, in order to reinforce the details expressing of the terrain.
Two modes of observation have been designed: study mode of large terrain scenes and rapid exploring mode in small areas, so the system can not only render large scale scene of terrain, but also observe, measure, compute, analyzing in small areas.
The toolkit (Fast Lightened Tool Kit, FLTK) that can be obtained freely has been introduced, and the system based on FLTK and OpenGL has been designed. For good properties in transplantation and compatibility, the system has excellent ability of running in many kinds of operation systems and upgrading to network version.
引文
[1] 胡少林，基于DEM数据的三维地形建模方法研究与实现，国防科学技术大学，硕士论文，2002，1—2
[2] 朱庆，”数字城市”之我观，www.wtusm.edu.cn，2001
[3] 王丹．城市空间基础信息、城市GIS与城市地理信息产业化．城市勘测．1998(4)，3—4
[4] 林珲，城市地理信息系统学术论坛，第一版，1998，香港：地球信息科学联合实验室出版，63-70
[5] 淮永建，虚拟场景中实时图形绘制关键技术研究，西北工业大学，博士学位论文，2002，2—5，27—33
[6] 姜小铁等，三维地理信息系统(3D-GIS)发展现状及趋势，世界地质，1998，17(4)，58-62
[7] 李汉武，数字地球的主要研究内容与发展方向，测绘技术与应用，1999(1)，4-6
[8] 肖乐斌、钟耳顺、刘纪远、宋关福，三维GIS的基本问题探讨，www.gischina.com，2001
[9] 李清泉，基于混合数据结构的三维GIS数据模型与空间分析研究，武汉：武汉测绘科技大学，博士论文，1998，47-53
[10] 李青元，三维矢量结构GIS拓扑关系研究，中国矿业大学北京研究生部，博士论文，1996，68—75
[11] Rhind D. W., Spatial data handling in the geosciences, Three- Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[M],NATO ASI, 1992, Kluwer Academic Publishers,Dordrecht, 13-27
[12] Kelk.B, 3-D modelling with geoscientific infromation systems: the problem[A], In:Turner A.K.(ed),Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information Systems[C],NATO ASI 354, 1992, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht,29-37
[13] Breunig M.,Integration of Spatial Information for Geo-Information Systems[M],1996, Springer-verlag Berlin HeidelbergAlexander K, and Sigrid B., 3D-GIS for Urban Purposes[J], Geolnfomatics, 2(1), 1998, 79-103
[14] 李清泉、李德仁，三维地理信息系统中的数据结构，武汉测绘科技大学学报，1996，21(2)，128-133
[15] 李德仁，数字地球与“三S”技术，www.gischina.com，2001
[16] 李纪人，地理信息系统在水利中的应用，中国水利，2001．8：3—4
[17] 朱军，基于VRML的大型地形环境建模研究，西南交通大学，硕士毕业论文，2003，3—4
[18] 龚建华，林晖，虚拟地理环境——在线虚拟现实的地理学透视，北京：高等教育出版社，2001，45—53
[19] 龚建华，虚拟地理环境探索，www.vgelab.org，2003
[20] 刘丹，实用分形图形学，第一版，2001年，大连海事大学出版社，27—30
[21] 邬伦，地理信息系统——原理、方法和应用，第一版，2001，科学出版社，227—264
[22] 陈述彭，鲁学军，周成虎，地理信息系统导论，2001年第一版，科学出版社，116—123
[23] 彭仪普，地形三维可视化及其实时绘制技术研究，西南交通大学，博士论文，2002年，5-7
[24] 兰培真，金一丞，船舶操纵模拟器视景中的地形生成技术，集美大学学报，2001(4)，345—352
[25] 廖巍，大规模地形的建模与动态绘制技术研究，西南交通大学，硕士论文，200：2，17—23
[26] 杨宝民、朱一宁，第一版，2000，科学出版社出版，分布式虚拟现实技术及其应用，99—135
[27] 陈述彭，遥感应用与数字地球，中国科学进展，2002，1—5
[28] 曹琳、杜世培，真实图形描绘中的纹理生成方法，贵州工业大学学报，2000年，2—5．
[29] Donald Hearn,M.Pauline Baker Computer Graphics Prentice Hall, 1998,417-419
[30] 郎锐，引入湍流概念实现对大理石纹理的造型模拟，www.yesky.net，2002-03-01
[31] Adelson,E.H.,and J.R.Bergen, The Plenoptic Function and the Elements of Early Vision.Computational Models of Visual Processing, C hapterl, The MIT Press,Cambridge Mass,1991
[32] 赵欣，3DGIS中三维地形模拟与树木实体造型的研究，东北师范大学硕士论文，2002，17—20
[33] 姚继锋，油藏模拟可视化的设想与实现，www.rdcps.ac.cn，1999
[34] 左旗，FLTK编程模型，www-900.ibm.com，2003
[35] 火凤网，三峡库区的主要三种地质灾害，www.hbtv.com.cn，2003
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