基于OpenGL的三维可视化研究
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摘要
自20世纪60年代以来，信息化的浪潮席卷全球，信息已经成为人们生产生活的重要组成部分。大量的、动态、及时、正确可靠的信息成为人类的生产生活之必需。当今大量信息是以数据为载体存贮在数据库中，人们对这类信息的获取主要是从数据库中获得数据，对数据进行解译而得到，但是获得的信息缺乏直观性和可读性。数据可视化技术的发展使这个问题的解决成为可能，这种技术也是CIS研究的热点问题之一。随着“数字地球”概念的出现，构建一个可视化、数字化、信息化、虚拟化、网络化、智能化的巨系统不仅是必要的而且是可行的，要实现这样一个庞大而复杂的系统，数据可视化是基础，只有在可视化的环境中才能将各种数据和信息及时、动态、直观地反馈给用户。本文是在目前可视化技术有较大发展的情况下，通过研究当前地理空间数据和信息可视化技术，可以认为：地理空间数据和信息的二维可视化技术已经非常成熟，能完全满足人们对二维信息的表达；地理空间数据和信息的三维、多维可视化技术目前还不能完全满足人们对三维、多维信息的表达和获取，主要体现在以下几个方面：
1)基于GIS的三维地形的可视化技术比较成熟，基于建筑设计的三维地物的可视化技术也比较成熟，而基于GIS的三维地形与地物的整合可视化技术目前还不大成熟。
2)基于GIS的三维地形的分析方法比较成熟，而基于GIS的地物空间特性、地物内部对象、地物属性信息的分析还不太成熟。
为解决以上两个主要问题，本丈尝试将三维地形与地物在基于GIS的基础上建立相关的数据结构并整合显示，加强对地物的空间特性、属性信息的分析。本丈采用VC++和OpenGL函数库相结合的方法进行研究，主要由以下几部分组成：
第一部分：导言。主要讨论了三维可视化的意义；分析了三维可视化的主要方法；解析了当前进行三维可视化的主要软件及其技术内核并找出了其存在的主要问题；最后提出了解决问题的方法及本文研究的工作流程。
第二部分：三维可视化的关键技术。主要从理论上阐述：VC++中OpenGL开发和运用的方法；三维地物(符号)制作的原理方法及数据存贮；三维地形可视化的方法及数据存贮；地物与地形的匹配；基于地物的空间与属性信息的分析。
第三部分：三维可视化的实现过程。以第三部分的论述为理论指导，在实践的基础上详细分析说明了每一过程是如何具体实现的。
第四部分：三维可视化的实践研究。运用第三部分中编制的程序进行实例探
讨。本文以陕西省旬阳县太极城旅游区的规划图为例，将地形与地物进行了基于
GIS的整合可视化并进行了地物空间信息、属性信息的查询分析。本研究选择这一
旅游区，是困为这个旅游区中即要清晰地反映由地形形成的太极图，还要反映由
不同时期城区形成的新、旧建筑效果的对照，显示和查询规划区旅游项目的位置、
【属性信息，是本研究的一个典型案例。
第五部分：结语。指出了本研究主要解决的问题及存在的问题并提出了下一
步研究的方向：最佳数据模型的建立、批量数据的录入、更多的空间分析方法、
产业化软件的开发等。
本文试图尝试：寻找地物与地形基于厂S的整合可视化，提出建立“对象一
纹理”的地物模型，构建地形和地物数据存贮的数据模型和数据结构，实现地物
空间数据与属性数据的连接及对属性信息的查询，实现整体地物中局部对象的空
间信息的查询与分析。但由于本人水平有限，再加上时间不足等原因，木研究也
存在很多不足和问题，如纹理如何满足光照、批量数据的录入、系统的形成等。
本文研究具有重要的理论和实践意义，在理论上，从构建地形、地物数据模
型、数据结构进行研究，在实践上本研究是实现数字地球和三维以 的基础：是
实现三维可视化地图的关键；在规代化军事发展中具有重要意义；是城市规划和
旅游区规划的最佳表现手段。
The informatization tidal wave has influenced the globe since the 20th century. Abundant, timely, exact and reliable information is very important for us.Abundant, timely, exact and reliable information is very important for us. With the appearance of the "digital earth", It is necessary and feasible to construct a huge .digital and visualized information system .which is based on data visualization.After studying the three-dimension visualization technology, I find it has two main shortcomings. First, the technology, which integrates the three-dimension terrain and groung objects by GIS, is not satisfying. Second, the technology, which analyses the information of the internal objects, the objects' spatial character and its attribution by GIS, is not mature.
This paper attempts to solve the two problems above with VC++ and OpenGL. And there are five parts in this article.
Chapter one: instuction. It is composed of the following contents: the significance of the three-dimension visualization; the main softwares of three-dimension visualization and their shortcomings; the solution and the procedure of the article.
Chapter two: the important technology of three-dimension visualization. For example, the method that how OpenGL is used in VC++; the technology of three-dimension ground objects and data storage; the principle of three-dimension terrain and data storage; the integrity of three-dimension terrain and objects and so on.
Chapter three: the procedure of the three-dimension visualization. This part analizes elaborately how the three-dimension visualization is reliazed.
Chapter four: the practical study for the three-dimension visualization. This part gives a case of three-dimension visualization .which is based on a tourism district in Xun Yang city, ShaanXi.
Chapter five: conclusion. The main solution and the difficulty to the integrity between terrain and ground objects of three-dimension are concluded.the job in the future is put forward.
1)基于GIS的三维地形的可视化技术比较成熟，基于建筑设计的三维地物的可视化技术也比较成熟，而基于GIS的三维地形与地物的整合可视化技术目前还不大成熟。
2)基于GIS的三维地形的分析方法比较成熟，而基于GIS的地物空间特性、地物内部对象、地物属性信息的分析还不太成熟。
为解决以上两个主要问题，本丈尝试将三维地形与地物在基于GIS的基础上建立相关的数据结构并整合显示，加强对地物的空间特性、属性信息的分析。本丈采用VC++和OpenGL函数库相结合的方法进行研究，主要由以下几部分组成：
第一部分：导言。主要讨论了三维可视化的意义；分析了三维可视化的主要方法；解析了当前进行三维可视化的主要软件及其技术内核并找出了其存在的主要问题；最后提出了解决问题的方法及本文研究的工作流程。
第二部分：三维可视化的关键技术。主要从理论上阐述：VC++中OpenGL开发和运用的方法；三维地物(符号)制作的原理方法及数据存贮；三维地形可视化的方法及数据存贮；地物与地形的匹配；基于地物的空间与属性信息的分析。
第三部分：三维可视化的实现过程。以第三部分的论述为理论指导，在实践的基础上详细分析说明了每一过程是如何具体实现的。
第四部分：三维可视化的实践研究。运用第三部分中编制的程序进行实例探
讨。本文以陕西省旬阳县太极城旅游区的规划图为例，将地形与地物进行了基于
GIS的整合可视化并进行了地物空间信息、属性信息的查询分析。本研究选择这一
旅游区，是困为这个旅游区中即要清晰地反映由地形形成的太极图，还要反映由
不同时期城区形成的新、旧建筑效果的对照，显示和查询规划区旅游项目的位置、
【属性信息，是本研究的一个典型案例。
第五部分：结语。指出了本研究主要解决的问题及存在的问题并提出了下一
步研究的方向：最佳数据模型的建立、批量数据的录入、更多的空间分析方法、
产业化软件的开发等。
本文试图尝试：寻找地物与地形基于厂S的整合可视化，提出建立“对象一
纹理”的地物模型，构建地形和地物数据存贮的数据模型和数据结构，实现地物
空间数据与属性数据的连接及对属性信息的查询，实现整体地物中局部对象的空
间信息的查询与分析。但由于本人水平有限，再加上时间不足等原因，木研究也
存在很多不足和问题，如纹理如何满足光照、批量数据的录入、系统的形成等。
本文研究具有重要的理论和实践意义，在理论上，从构建地形、地物数据模
型、数据结构进行研究，在实践上本研究是实现数字地球和三维以 的基础：是
实现三维可视化地图的关键；在规代化军事发展中具有重要意义；是城市规划和
旅游区规划的最佳表现手段。
The informatization tidal wave has influenced the globe since the 20th century. Abundant, timely, exact and reliable information is very important for us.Abundant, timely, exact and reliable information is very important for us. With the appearance of the "digital earth", It is necessary and feasible to construct a huge .digital and visualized information system .which is based on data visualization.After studying the three-dimension visualization technology, I find it has two main shortcomings. First, the technology, which integrates the three-dimension terrain and groung objects by GIS, is not satisfying. Second, the technology, which analyses the information of the internal objects, the objects' spatial character and its attribution by GIS, is not mature.
This paper attempts to solve the two problems above with VC++ and OpenGL. And there are five parts in this article.
Chapter one: instuction. It is composed of the following contents: the significance of the three-dimension visualization; the main softwares of three-dimension visualization and their shortcomings; the solution and the procedure of the article.
Chapter two: the important technology of three-dimension visualization. For example, the method that how OpenGL is used in VC++; the technology of three-dimension ground objects and data storage; the principle of three-dimension terrain and data storage; the integrity of three-dimension terrain and objects and so on.
Chapter three: the procedure of the three-dimension visualization. This part analizes elaborately how the three-dimension visualization is reliazed.
Chapter four: the practical study for the three-dimension visualization. This part gives a case of three-dimension visualization .which is based on a tourism district in Xun Yang city, ShaanXi.
Chapter five: conclusion. The main solution and the difficulty to the integrity between terrain and ground objects of three-dimension are concluded.the job in the future is put forward.
引文
[1]宋小东，叶嘉安，地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用，北京科学出版社，1996。
[2]朱光，季晓燕，戎兵，地理信息系统基本原理及应用，测绘出版社，1997。
[3]张超，沈建法，地理系统工程，北京：科学出版社，1993。
[4]邬伦，任伏虎，谢昆青，程承旗，地理信息系统教程，北京：北京大学出版社，1994。
[5]梁启章，GIS和计算机制图，北京：科学出版社，1995．
[6]邱方，苏亚芳等编译，ARC／INFO地理信息系统初级教程，ARC／INFO中国技术咨询中心，1994。
[7]黄杏元，汤勤，地理信息系统概论，北京：高等教育出版社，1999。
[8]李德仁等，地理信息系统导论，测绘出版社，1993。
[9]王峥，任伏虎等，微机GIS系统软件设计的原理与方法，环境遥感，1989，4。
[10]黄杏元，陈丙咸，地理信息系统发展趋势，地理学报，1989，4。
[11]陈述彭，地理信息系统的探索与实验，地理科学，1983，3(1)。
[12]张家庆等，90年代GIS软件系统设计的思考，测绘学报，1994，23(2)。
[13]樊红编译，ARC／INFO地理信息系统，武汉：武汉测绘科技大学，1996。
[14]刘建中，田智慧等，城市消防指挥地理信息系统的设计与实现，1996。
[15]熊允泰，北京市地下管线信息系统简介，ARC／INFO中国通讯，1996(2)
[16]徐新，邓碧凤等，地理信息系统在公路数据库中的应用，第二届ARC／INFO中国用户大会论文集，1996。
[17]杨德麟，孙俊，陈辉，地理信息系统技术现状和发展趋势，中国GIS协会1998年年会论文集。
[18]张乾乾，顾登生，用ARC／INFO软件开发电力GIS系统的研究，中国GIS协会1998年论文集
[19]邓国英，朱振兴，周海平，珠海国土信息系统的设计与开发，中国GIS协会1998年年会论文集。
[20]马耀峰，旅游地图学，西安：西安地图出版社，1996。
[21]王之卓，从一个测绘工作者看GIS学科兴起，地理信息系统的发展与前景，林辉主编，北京：科学出版社，1991。
[22]王燕，面向对象的理论与实践，北京：清华大学出版社，1997。
[231边馥苓，地理信息系统工程，北京：测绘出版社，1996。
[24]陈述彭，地学的探索，北京：科学出版社，1992。
[25]陈述彭，地球信息科学与区域发展，北京：测绘出版社，1995。
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[28]宫鹏编，城市地理信息系统：方法与应用，中国海外地理信息系统协会，1998。
[29]萧锟焘，科认识史论，南京：江苏人民出版社，1995．
[30]乔林，费广正，林杜，OpenGL程序设计，北京：清华大学出版社，2000。
[31]费广正，乔林，VC++6.0高级编程技术——OpenGL篇，中国铁道出版社，2000。
[32]华一新，地理信息系统原理与技术，中国人民解放军测绘学院，1997。
[33]张华军，廖朵朵，OpenGL三维程序设计，北京：星球出版社，1996．
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[35]李晓梅，黄朝晖，科学计算可视化导论，长沙：国防科持大学出版社，1996。
[36]安德鲁·格拉斯诺，最新三维计算机图形学，北京：中国电影出版社，1994。
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[39]龚建华，地学三维可视化，地球信息，1996，2。
[40]李新，程国栋，地球研究中的可视化计算与应用，地球信息，1997，1。
[41]唐宏，盛业化，城市空间信息的特点与城市三维GIS数据模型初探，城市勘测，2000，3。
[42]戴吾跤，皱峥嵘，基于体素的三维GIS数据模型研究，矿山测量，2001，1。
[43]郭蔽，詹平，面向地理信息系统的三维空间数据模型，江西科学，1999，2。
[44]罗宇，刘玲，汤彬，三维GIS模型技术问题探讨，华东地质学院学报。1999，4。
[45]赵俊三，赵耀龙，GIS发展的最新趋势及其应用前景，测绘工程，2000，2。
[46]边馥苓，傅仲良，胡自锋，面向目标的栅格矢量一体化三维数据模型，武汉测绘科技大学学报，2000，4。
[47]赵俊三，周云，赵耀龙，数码城市与三维可视化地理信息系统建设研究，昆明理工大学学报(自然科学版)，2001，3。
[48]肖乐斌，钟耳顺，刘纪远，宋关福，三维GIS的基本问题探讨，中国图形图像学报，2001，9。
[49]杨必胜，孙春生，三维城市GIS模型的构建与分析，矿山测量，1998，4。
[50]杨必胜，李清泉，梅宝燕，三维城市模型的可视化研究，测绘学报，2000，2。
[51]扬必胜，三维城市模型的可视化研究，武汉测绘科技大学博士学位论文，1998，2。
[52]龚健雅，夏宗国，矢量与栅格集成的三维数据模型，武汉测绘科技大学学报，1997，1。
[53]朱国宾，3维地理信息系统：现状与展望，武测译文，1997，4。
[54]孙敏等，面向对象的三维矢量GIS数据模型及拓扑关系的建立，测绘通报，1998，7。
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[57]胡金星，昊立新等，三维地学模拟体视化技术的应用研究，煤炭学报，1999，4。
[58]陈建春，Hicrosoft Visual C++图形系统开发技术基础，北京：电子工业出版社，1998。
[59]万剑华，三维城市GIS的可视化研究，武汉测绘科技大学博士学位论文，2001。
[60]彭群生，鲍虎军，金小刚，真实感图形的算法基础，科学出版社，1999．
[61]孙家广，杨长贵，计算机图形学，清华大学出版社，1995。
[62]汪成为，高文，王行仁，灵境(虚拟现实)技术理论，实现及应用，清华大学出版社，1996。
[63]唐荣锡，汪嘉业，彭群生，汪国昭，计算机图形学教程，科学出版社，2000。
[64]王家耀，空间信息系统原理，科学出版社，2001。
[65]Heng Li, Visualization of building interiordesign ro reduce rework, In 1998 IEEE conference on information visualization(edited by Ebad Banissi, Farzad Khosrowshahi, Muhammad sarfraz), IEEE Computer Society, Los Alamitos, California, 1998.
[66]Shelboum M, Aouad G, Hoxley M, An Integrated Reality and Case-Based Reasoning Model for Training in Building Pathology, In 1998 IEEE conference on information visualization(edited by Ebad Banissi, Farzad Khosrowshahi, Muhammad sarfraz), IEEE Computer Society, Los Alamitos, California, 1998.
[67]http://www. opengl.org/developers/code/features/OGLextensions/OGLextensions. Html,2002,4.
[68]http://www. opengl.org/developers/code/samplecode.html,2002,4.
[69]http://www. opengl.org/developers/code/examples/samples/samples.html,2002,4.
[70]http://www. opengl.org/developers/code/glut_examples/advanced/advanced.html, 2002,4.
[71]http://www. opengl.org/developers/documentation/overviews.html,2002,4.
[2]朱光，季晓燕，戎兵，地理信息系统基本原理及应用，测绘出版社，1997。
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[4]邬伦，任伏虎，谢昆青，程承旗，地理信息系统教程，北京：北京大学出版社，1994。
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[37]许斌等，战场情景模拟及其在SGI Onyx／RE2实时多媒体环境下的系统实现，中国图形图像学像报，1997。
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[62]汪成为，高文，王行仁，灵境(虚拟现实)技术理论，实现及应用，清华大学出版社，1996。
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[65]Heng Li, Visualization of building interiordesign ro reduce rework, In 1998 IEEE conference on information visualization(edited by Ebad Banissi, Farzad Khosrowshahi, Muhammad sarfraz), IEEE Computer Society, Los Alamitos, California, 1998.
[66]Shelboum M, Aouad G, Hoxley M, An Integrated Reality and Case-Based Reasoning Model for Training in Building Pathology, In 1998 IEEE conference on information visualization(edited by Ebad Banissi, Farzad Khosrowshahi, Muhammad sarfraz), IEEE Computer Society, Los Alamitos, California, 1998.
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[68]http://www. opengl.org/developers/code/samplecode.html,2002,4.
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