武大地理信息系統(tǒng)課件09空間信息的三維可視化

第九章空間信息的三維可視化*大多數(shù)可視表面均是二維的，如紙、屏幕等*如何將三維表面表示到二維是地圖學(xué)的基本問題

之一*常見的三維表示方法：?暈滃法（Hachures)?暈渲法(Hillshading)?等高線法(Contours)?分層設(shè)色地圖(Hypsometric

Map)概述*暈滃法（Hachures)地形最大坡降線概述*暈渲法通過光照下灰度的變化

反映高度的變化，通常采用西北光照概述*等高線法高程相等點(diǎn)的連線，高

程間隔一定概述*分層設(shè)色法用顏色系列表示高程的概述方法如等高線與暈渲法的結(jié)合，

等高線與分層設(shè)色的結(jié)合等*多種方法的結(jié)合概述§9.1.1單目靜態(tài)視覺.線性透視.紋理漸變.尺寸漸變.景深.陰影§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)*線性透視*尺寸漸變*紋理漸變"Rainy

Dayin

Paris"

byGustavCaillebotteImpressionism§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)*景深

§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)*陰影?陰影可以產(chǎn)生深度效果?陰影可以反映物體的距投影

平面高度?陰影與移動結(jié)合效果更為明

顯§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)的速度差別*動態(tài)深度：三維物體的結(jié)構(gòu)

只有在其移動時才顯得十分明顯§8.1.2單目動態(tài)視覺*速度漸變：當(dāng)視點(diǎn)移動時，離視點(diǎn)遠(yuǎn)近不同的物體有不同§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)§8.1.3雙目視覺*雙目會聚?為了觀察物體使雙目會聚在一起?雙目會聚可以產(chǎn)生微弱的深度暗示*立體視覺?每只眼睛接收略有不同的影像?大腦將把這種差異解譯為深度暗示?立體圖表（stereogram）可以利用二維圖像產(chǎn)生有限

的三維視覺§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)§9.1三維可視化的視覺基礎(chǔ)*關(guān)于三維空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法*反映了現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及實(shí)體間的相互聯(lián)系。*對三維空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識和研究在很大程度上決定

著三維系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的成敗。*很多學(xué)者為此進(jìn)行了大量的探索和研究工作*由于三維空間數(shù)據(jù)的龐大和復(fù)雜多樣，至今人們對三

維數(shù)據(jù)模型問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到共識?！?.2三維空間數(shù)據(jù)模型*關(guān)于根據(jù)對現(xiàn)實(shí)世界提取方式的不同,

目前三

維空間數(shù)據(jù)模型主要有4種類型:?基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型(Tessellatingmodel)?基于矢量的數(shù)據(jù)模型(Vectormodel)?混合型數(shù)據(jù)模型(Hybridmodel)?解析型數(shù)據(jù)模型(Analyticalmodel)§9.2三維空間數(shù)據(jù)模型*基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型將三維空間劃分成一系

列連通但不重疊的幾何元素,它可以看成是二維

鑲嵌模型的擴(kuò)展。*三維鑲嵌模型常用的方法有單元分解法(cell

decomposition)、空間枚舉法(spatialoccupancy

enumeration)、四面體格網(wǎng)模型

等幾大類?！?.2三維空間數(shù)據(jù)模型*基于矢量的數(shù)據(jù)模型?線框表示法(wireframerepresentation,(

WFR)

)?邊界表示法(boundary

representation,BR)§9.2三維空間數(shù)據(jù)模型*解析型數(shù)據(jù)模型采用函數(shù)方程〔如非均勻有理B樣條

(NURBS)函數(shù)等〕來表示構(gòu)成三維空間實(shí)體及其邊界的

曲線、曲面或平面,并用解低階方程來確定曲面的交線。*該方法能夠精確地表達(dá)某些空間實(shí)體,所需存貯量小,

運(yùn)算速度快,并可以保證空間唯一性和幾何不變性*由于三維目標(biāo)的形態(tài)較二維更復(fù)雜,它們難于用統(tǒng)一

的數(shù)學(xué)方程來表達(dá)。§9.2三維空間數(shù)據(jù)模型*基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是將兩種或兩種以上的數(shù)據(jù)

模型加以綜合,形成一種具有一體化結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。*采取一種折衷的方法,減少了鑲嵌型和矢量模型的不

足,同時,也降低了他們各自的優(yōu)越性。*比較有代表性的方法有幾何體素構(gòu)造法(constructivesolidgeometry,

CSG)、基于八叉樹和

四面體格網(wǎng)的混合模型(octree+TEN)、面向?qū)ο蟮娜?/p>

維空間數(shù)據(jù)模型、基于多種表示的CSG+octree數(shù)據(jù)模

型;基于TIN+octree的混合型數(shù)據(jù)模型等?！?.2三維空間數(shù)據(jù)模型*DTM與DEM·數(shù)字地形模型(Digital

Terrain

Model，簡稱DTM)是地

形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá)，是帶有空間位置特征

和地形屬性特征的數(shù)字描述?！TM的核心是地形表面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和一套對

地表提供連續(xù)描述的算法。·最基本的DTM是由一系列地面點(diǎn)x,y位置及其相聯(lián)系的

高程z所組成，用數(shù)學(xué)函數(shù)是的表達(dá)是：·z

=

f(x,y)

x,y

∈DTM所在的區(qū)域§9.3三維地形建模*DEM的表示方法?數(shù)學(xué)方法：可以采用整體擬合法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)和高次多項(xiàng)式方法擬合統(tǒng)一的地面高程曲面。也可用局部擬合方法，將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的

不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行分塊搜索，根據(jù)有限個點(diǎn)進(jìn)行擬合形成高程曲面。?

圖形方法：線模式：等高線是表示地形最常見的形式。其他的地形特征也是表達(dá)地面高程的重要信息源，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等；點(diǎn)模式：用離散采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)建立DEM是常用的方法之

一。數(shù)據(jù)采樣可以按規(guī)則格網(wǎng)采樣，可以是密度一致的或不一致的；可以是不規(guī)則采樣，如不規(guī)則三角網(wǎng)、鄰近網(wǎng)模型等；也可以有選擇性地采樣，采集山峰、洼坑、隘口、邊界等重要特征點(diǎn)

。?

實(shí)際最主要的表示模型是:規(guī)則格網(wǎng)(Grid)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)

模型?！?.3三維地形建模k規(guī)則網(wǎng)格的特點(diǎn).表達(dá)、存貯、

處理和顯示均較簡單快捷.在地形簡單、

平坦的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；.

如不改變格網(wǎng)大小，則無法適用于起伏程度不同的地區(qū)；.由于柵格過于粗略，不能精確表達(dá)某些重要的地形特征，如

山峰、洼坑、山脊、山谷等。.用于非矩形的不規(guī)則區(qū)域時，邊界要做特殊處理。.為了壓縮柵格DTM的冗余數(shù)據(jù)，可采用游程編碼或四叉樹編碼

方法?！?.3三維地形建模k不規(guī)則三角網(wǎng)的特點(diǎn).TIN能隨地形起伏變化的復(fù)雜性而靈活地改變采樣點(diǎn)的密度

和確定離散采樣點(diǎn)的位置因而它克服了因地形起伏不大而產(chǎn)生

的高程矩陣中冗余數(shù)據(jù)的問題.能按地形特征點(diǎn)和線，如山脊線、溝谷線、地形變換線和其

它能按精度要求進(jìn)行數(shù)字化的重要地形特征來獲取DEM數(shù)據(jù)，不改變原始數(shù)據(jù)及其精度，保持原有的關(guān)鍵地形特征.能較好地處理不規(guī)則形狀的區(qū)域邊界；.有足夠離散點(diǎn)的情況下效果較好?！?.3三維地形建?！?.4.1居民地的三維模型*在大比例尺三維電子地圖中，房屋模型構(gòu)造是主要工作之一。*對箱體式（BOX）房屋的建模來說，建筑物可以看做屋頂面和各

個鉛直外墻面的組成。*房基高程可以從DEM內(nèi)插獲得，注意房基的高程在房子輪廓線上

的不同點(diǎn)處可能不同?！?.4三維地物建?！?.4.2高程相同的水平要素的建模對諸如河流、水庫等面狀水系要素，

一般來

講，其特點(diǎn)為有明確的邊界條件且范圍內(nèi)高程值

幾乎沒有變化，其模型構(gòu)造也可通過邊界多邊形

的三角剖分來實(shí)現(xiàn)，保證其法向量向上?！?.4三維地物建?！?.4.3道路要素的建模*道路根據(jù)道路等級或?qū)嶋H要求不同可以分

三類建模：·體狀：沿道路中心線向外擴(kuò)寬，生成兩

邊線，按指定道路高度，分別生成道路側(cè)面和頂面三角網(wǎng)。·面狀：沿道路中心線向外擴(kuò)寬，生成兩

邊線，道路高度為0，經(jīng)過三角剖分生成

道路面三角網(wǎng)。同4?！ぞ€狀：通常為單線，將原中心線上的點(diǎn)

進(jìn)行高程值內(nèi)插得到三維曲線。§9.4三維地物建?！?.4.4非水平面狀要素的

建模這類目標(biāo)主要如植被，城區(qū)內(nèi)的綠化地，緊貼地表

的道路等，它們一般覆蓋在

起伏的山頭上，其模型構(gòu)造

也可通過邊界多邊形的三角

剖分來實(shí)現(xiàn)?！?.4三維地物建模§9.4.5復(fù)雜三維目標(biāo)的建模對于復(fù)雜3維實(shí)體模型的構(gòu)造基本上基于

3DMAX，CAD，MultiGen等商業(yè)軟件，利用其靈活的建模工具創(chuàng)建三維模型，并通過.3ds,.dxf,.x,.dwg等文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。這些文件中已將模型剖分為空間三角網(wǎng)，我們只需將這組數(shù)據(jù)以一定的比例、角度再通過旋轉(zhuǎn)、平移、縮放在空間

坐標(biāo)系中定位?！?.4三維地物建模整個三維地圖場景被組織成為一個樹狀的結(jié)構(gòu)體系。三維地圖場景是這個體系中的根節(jié)點(diǎn)，世界空間是根節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)

系統(tǒng)，各個區(qū)域場景作為子節(jié)點(diǎn)都可以位于其中，并能進(jìn)行定位和調(diào)節(jié)大小?？梢噪S時加入新的節(jié)點(diǎn)，也可以刪除某個節(jié)點(diǎn)。所有表示場景或目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)中所包含的信息是相當(dāng)豐富的各類信息又由不同類型的子節(jié)點(diǎn)來表達(dá)，每一類型的節(jié)點(diǎn)都有它

自己的作用和功能。例如，幾何節(jié)點(diǎn)用來存儲地理目標(biāo)的幾何體數(shù)據(jù)（主要包括構(gòu)成三維目標(biāo)的三角網(wǎng)及其邊界立方體），

組節(jié)點(diǎn)可用來表達(dá)由若干幾何體形成的復(fù)雜目標(biāo)，

幾何變換節(jié)點(diǎn)用來對目標(biāo)進(jìn)行三維空間的平移、旋轉(zhuǎn)、比例變換等，而另外用一些節(jié)點(diǎn)來表達(dá)三維目標(biāo)的外觀顏色、

是否粘貼紋理、

是否運(yùn)用光或霧等?？梢詫υ摻Y(jié)構(gòu)樹進(jìn)行遍歷以查詢得到所需要的節(jié)點(diǎn)。從每個節(jié)點(diǎn)可以通過遍歷得到其父節(jié)點(diǎn)，也可以得到它的眾多子

節(jié)點(diǎn)。此外，每個節(jié)點(diǎn)還能容納用戶定義的數(shù)據(jù)（專題屬性數(shù)據(jù)），這些結(jié)構(gòu)對于實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)的屬性查詢是相當(dāng)重要的。場景體系的組織是在三維地圖模型建立的過程中同時進(jìn)行的?！?.5場景組織

細(xì)節(jié)層次模型是一種由多種精度層次集成而成的模型的表達(dá)技術(shù)。它允許根據(jù)不同的任務(wù)要求選擇不同精度的模型。三維地圖內(nèi)容的表現(xiàn)要能讓用戶通過人

的認(rèn)知系統(tǒng)進(jìn)行感知，由于采用透視投影，

地圖將不再具備確定的比例尺，如果不考慮其分辨率，將會影響三維地圖的最后效果（縮小的圖像尺寸、壓縮的地圖內(nèi)容等

等）。LOD技術(shù)（Levelof

Detail）指三維地圖中的各個要素都具備足夠的與顯示比例有關(guān)的圖解變量（陰影、方向、顏色等）。距離觀察位置越近，該要素就會被表現(xiàn)得越詳細(xì)。反之則越概略?！?.6細(xì)節(jié)層次技術(shù)（LOD)§9.7

.1OpenGL（Open

Graphics

Library）由SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的可以獨(dú)立于窗口操作的和硬件環(huán)境的圖形開發(fā)系統(tǒng)。

其目的是將用戶從具體的硬件和操作系統(tǒng)中解放出來。可以不去理解這些

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，

只要按規(guī)定的格式書寫應(yīng)用程序就可以在任何支持該語言

的硬件平臺上執(zhí)行。由于OpenGL的高度可重用性，已經(jīng)有幾十家大公司表示接受

OpenGL作為標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，目前加入OpenGL

ARB（OpenGL體系結(jié)構(gòu)審查委員會）的成員有SGI公司、HP公司、Microsoft公司、

Intel公司、IBM公司、SUN公司、DEC公司、

AT&T公司的Unix軟件實(shí)驗(yàn)室等等。在該組織的努力下OpenGL已經(jīng)成為高性能圖形和交互式視景處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在Windows95/98、Windows

NT、Macos、Beos、OS/2以及Unix上應(yīng)用。OpenGL的實(shí)質(zhì)是作為圖形硬件的軟件接口，是一組三維的API函數(shù)?！?.7三維可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)§9.7

.2Open

GL

的主要功能.

建模：不但有簡單的點(diǎn)線面還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐等）以

及復(fù)雜的曲線曲面（Bezier、Nurbs等）

繪制函數(shù)；.

變換：主要包括基本變換（平移、旋轉(zhuǎn)等）和投影變換（平行、透視

投影等）；.

顏色模式設(shè)置：

RGBA模式、ColorIndex顏色索引；.

光照和材質(zhì)設(shè)置：

OpenGL光有輻射光、環(huán)境光、漫反射光、鏡面光；材質(zhì)是用光反射率來表示的。場景中物體最終反映到人眼的顏色

是光的RGB分量和材質(zhì)的RGB分量疊加形成的；.

紋理映射：主要表達(dá)物體表面的細(xì)節(jié)；.

位圖顯示和圖像增強(qiáng)：圖像功能除了基本的復(fù)制和圖像象素讀寫外，還提供融合（Blending）、反走樣（Antialiasing）、霧柔化（Fog）等特殊的圖像處理效果；§9.7三維可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù).

雙緩沖（Double

Buffering）動畫：雙緩沖即前臺緩沖和后臺緩沖。后臺計(jì)算場景、產(chǎn)生畫面，前臺顯示后臺已經(jīng)計(jì)算好的畫面.

交互技術(shù)：主要是提供三種工作模式：繪圖模式、選擇模式和反饋模式。繪圖模式完成場景的繪制，可以借助物體的幾何參數(shù)及運(yùn)動控制

參數(shù)、場景的觀察參數(shù)、光照參數(shù)和材質(zhì)參數(shù)、紋理參數(shù)、

OpenGL

函數(shù)的眾多常量控制參數(shù)、時間參數(shù)等和Windows對話框、菜單、外部設(shè)備等構(gòu)成實(shí)時交互的程序系統(tǒng)。在選擇模式下，則可以對物體進(jìn)行命名，選擇命名的物體，控制對命名的物體的繪制。而反饋模式則給程序設(shè)計(jì)提供了程序運(yùn)行的信息，這些信息也可反饋給用戶，告訴用戶程序的運(yùn)行狀況和監(jiān)視程序的運(yùn)行進(jìn)程.

其它：利用OpenGL還能實(shí)現(xiàn)深度暗示（DepthCue）、運(yùn)動模糊（Motion

Blur）等特殊效果?！?.7三維可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)§9.7

.3Open

GL

的實(shí)現(xiàn)原理OpenGL是一個硬件發(fā)生器的軟件接口，其主要目的是將二維、三維物體繪制到一個幀緩沖里，它包括幾百個圖形函數(shù)。開發(fā)者主要利用這些函數(shù)來建立三維模型和進(jìn)行三維實(shí)時交互。.圖元操作和指令：OpenGL能夠從多種可選擇的模式畫圖元，而且一種模式的設(shè)置一般不會

影響其他模式的設(shè)置，無論發(fā)生什么情況，指令總是被順序處理，也就是說，

一個圖元必

須完全畫完之后，后繼圖元才能影響幀存。.

圖形控制：

OpenGL提供諸如變換矩陣、光照、反走樣方法、像素操作等參數(shù)來控制二維和三維圖形的繪制。它并不提供一個描述或建立復(fù)雜幾何物體的手段。OpenGL提供的是怎樣

畫復(fù)雜物體的機(jī)制而非描繪復(fù)雜物體本身的面面俱到的工具。即OpenGL是過程性的而非描

述性的。.執(zhí)行模式：

OpenGL命令的解釋模式是客戶/服務(wù)器模式的，即由客戶發(fā)布命