第9章-三維電子地圖

1、湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 1 近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)（形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)（VRVR）、三維仿真）、三維仿真技術(shù)的快速發(fā)展，給電子地圖注入了新的活力，電技術(shù)的快速發(fā)展，給電子地圖注入了新的活力，電子地圖正在向多媒體、網(wǎng)絡(luò)、三維和時(shí)態(tài)等方向發(fā)子地圖正在向多媒體、網(wǎng)絡(luò)、三維和時(shí)態(tài)等方向發(fā)展。隨之，出現(xiàn)了多媒體電子地圖、網(wǎng)絡(luò)電子地圖、展。隨之，出現(xiàn)了多媒體電子地圖、網(wǎng)絡(luò)電子地圖、三維電子地圖和時(shí)態(tài)電子地圖，其中基于三維虛擬三維電子地圖和時(shí)態(tài)電子地圖，其中基于三維虛擬場(chǎng)景的三維電子地圖是電子地

2、圖發(fā)展的一個(gè)重要方場(chǎng)景的三維電子地圖是電子地圖發(fā)展的一個(gè)重要方向，也是人們認(rèn)識(shí)和表達(dá)空間地理信息的有力工具。向，也是人們認(rèn)識(shí)和表達(dá)空間地理信息的有力工具。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 2o 目前迅速發(fā)展起來的的三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前迅速發(fā)展起來的的三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛地用于進(jìn)行各種三維數(shù)據(jù)的可視化，例如地已經(jīng)被廣泛地用于進(jìn)行各種三維數(shù)據(jù)的可視化，例如地景仿真、城市景觀重建等等，同時(shí)也為傳統(tǒng)地圖學(xué)帶來景仿真、城市景觀重建等等，同時(shí)也為傳統(tǒng)地圖學(xué)帶來一次新的技術(shù)革命。一次新的技術(shù)革命。 o 三維電子地圖是基于地圖學(xué)的，因此它的研究重點(diǎn)不是三維電子地圖是基于

3、地圖學(xué)的，因此它的研究重點(diǎn)不是栩栩如生的景觀繪制，而是真正意義上的三維空間的地栩栩如生的景觀繪制，而是真正意義上的三維空間的地圖符號(hào)化。圖符號(hào)化。 o 現(xiàn)代地圖學(xué)理論仍是三維電子地圖的理論基礎(chǔ)，而電子現(xiàn)代地圖學(xué)理論仍是三維電子地圖的理論基礎(chǔ)，而電子地圖的研究為之提供了有力的技術(shù)支持，同時(shí)已廣泛建地圖的研究為之提供了有力的技術(shù)支持，同時(shí)已廣泛建立的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)又提供了豐富的數(shù)據(jù)來源，因此三維電立的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)又提供了豐富的數(shù)據(jù)來源，因此三維電子地圖必將成為地圖應(yīng)用的新領(lǐng)域，其研究與開發(fā)也將子地圖必將成為地圖應(yīng)用的新領(lǐng)域，其研究與開發(fā)也將受到極大的關(guān)注。受到極大的關(guān)注。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資

4、源環(huán)境學(xué)院 3o 三維地圖模型三維地圖模型o 三維地形圖三維地形圖 o 三維電子地圖三維電子地圖湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 4o 三維地圖模型三維地圖模型 三維地圖模型可以被定義為對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或其中的三維地圖模型可以被定義為對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或其中的一部分的一個(gè)或多個(gè)方面的三維、抽象的描述（或一部分的一個(gè)或多個(gè)方面的三維、抽象的描述（或綜合）。而這些方面主要是地形以及基于地形的其綜合）。而這些方面主要是地形以及基于地形的其它專題要素。它專題要素。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 5o 三維地形圖三維地形圖 We define a topographic 3D-map as a c

5、artographic representation of a landscape section in a perspective view，combined with topographic information that is defined in a legend. 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 6o 三維電子地圖三維電子地圖 三維電子地圖是基于三維地圖模型的可視化產(chǎn)品，三維電子地圖是基于三維地圖模型的可視化產(chǎn)品，它強(qiáng)調(diào)的是三維空間的符號(hào)化。它強(qiáng)調(diào)的是三維空間的符號(hào)化。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 7o 從幾何模型的角度從幾何模型的角度 點(diǎn)狀目標(biāo) 線狀目標(biāo) 面

6、狀目標(biāo) 體狀目標(biāo) o 從地理要素的角度從地理要素的角度 三維地形 三維模型 三維地物湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 8o 點(diǎn)狀目標(biāo)點(diǎn)狀目標(biāo) 點(diǎn)狀目標(biāo)是一個(gè)零維空間目標(biāo)點(diǎn)狀目標(biāo)是一個(gè)零維空間目標(biāo), ,可以用來表示三可以用來表示三維空間中的點(diǎn)狀地物維空間中的點(diǎn)狀地物, ,如水井、樹或電線桿、交通標(biāo)如水井、樹或電線桿、交通標(biāo)志志, ,路燈等。它只有空間位置而無空間擴(kuò)展。所有的路燈等。它只有空間位置而無空間擴(kuò)展。所有的點(diǎn)狀實(shí)體均包含了三維空間實(shí)體的位置信息點(diǎn)狀實(shí)體均包含了三維空間實(shí)體的位置信息, ,即即x x、y y、z z坐標(biāo)。坐標(biāo)。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 9o 線狀目標(biāo)

7、線狀目標(biāo) 線狀目標(biāo)是一個(gè)一維空間目標(biāo)線狀目標(biāo)是一個(gè)一維空間目標(biāo), ,可以用來表示三可以用來表示三維空間中的線狀地物維空間中的線狀地物, ,如鐵路、公路、橋梁、河道、如鐵路、公路、橋梁、河道、輸電線路及其它管線等。它只能用長(zhǎng)度來作為其空輸電線路及其它管線等。它只能用長(zhǎng)度來作為其空間度量。線狀實(shí)體可以是一個(gè)封閉曲線間度量。線狀實(shí)體可以是一個(gè)封閉曲線, ,也可以是具也可以是具有多個(gè)分支的曲線。有多個(gè)分支的曲線。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 10o 面狀目標(biāo)面狀目標(biāo) 面狀目標(biāo)是一個(gè)二維空間目標(biāo)面狀目標(biāo)是一個(gè)二維空間目標(biāo), ,可以用來表示三可以用來表示三維空間中的面狀地物維空間中的面狀地物

8、, ,如部分道路，水域如部分道路，水域, ,植被的覆植被的覆蓋區(qū)域等。它可以用面積和周長(zhǎng)來作為其空間度量蓋區(qū)域等。它可以用面積和周長(zhǎng)來作為其空間度量, ,任意一個(gè)面狀實(shí)體均可以剖分成有限多個(gè)面（三角任意一個(gè)面狀實(shí)體均可以剖分成有限多個(gè)面（三角面）。面）。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 11o 體狀目標(biāo)體狀目標(biāo) 體狀目標(biāo)是一個(gè)三維空間目標(biāo)體狀目標(biāo)是一個(gè)三維空間目標(biāo), ,可以用來表示三可以用來表示三維空間中的體狀體物維空間中的體狀體物, ,如建筑物、立交橋、礦體、丘如建筑物、立交橋、礦體、丘陵等。它可以用體積和表面積來作為其空間的度量。陵等。它可以用體積和表面積來作為其空間的度量。任意一

9、個(gè)體狀實(shí)體均可以剖分成有限多個(gè)沿著其邊任意一個(gè)體狀實(shí)體均可以剖分成有限多個(gè)沿著其邊界進(jìn)行粘合的面（三角面）。界進(jìn)行粘合的面（三角面）。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 12o 1、具備傳統(tǒng)地圖的三個(gè)基本特性：、具備傳統(tǒng)地圖的三個(gè)基本特性： 可量測(cè)性：有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)可量測(cè)性：有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 直觀性直觀性 ：實(shí)施制圖綜合：實(shí)施制圖綜合 一覽性一覽性 ：使用地圖語言：使用地圖語言湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 13o 2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)： 易于實(shí)現(xiàn)多技術(shù)、多數(shù)據(jù)源的融合易于實(shí)現(xiàn)多技術(shù)、多數(shù)據(jù)源的融合 更逼真地表現(xiàn)地理世界更逼真地表現(xiàn)地理世界 更好的交互手段更好的交互手段 直觀的地

10、形信息檢索的分析功能直觀的地形信息檢索的分析功能 更好的可視化效果更好的可視化效果湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 14 三維空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于三維空間數(shù)據(jù)組織的概三維空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于三維空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法，它反映了現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及實(shí)體間念和方法，它反映了現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及實(shí)體間的相互聯(lián)系。對(duì)三維空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識(shí)和研究在的相互聯(lián)系。對(duì)三維空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識(shí)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，然而，很多學(xué)者為此進(jìn)行了大量的探索和研究工作，然而，由于三維空間數(shù)據(jù)的龐大和復(fù)雜多

11、樣，至今人們對(duì)由于三維空間數(shù)據(jù)的龐大和復(fù)雜多樣，至今人們對(duì)三維數(shù)據(jù)模型問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到共識(shí)。三維數(shù)據(jù)模型問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到共識(shí)。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 15 根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界提取方式的不同根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界提取方式的不同, ,目前三維空間目前三維空間數(shù)據(jù)模型主要有數(shù)據(jù)模型主要有4 4種類型種類型: :o 基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型(Tessellating model )(Tessellating model )o 基于矢量的數(shù)據(jù)模型基于矢量的數(shù)據(jù)模型(Vector model )(Vector model )o 混合型數(shù)據(jù)模型混合型數(shù)據(jù)模型(Hybrid model

12、)(Hybrid model )o 分析型數(shù)據(jù)模型分析型數(shù)據(jù)模型(Analytical model ) (Analytical model ) 。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 16湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 17o 1.1.基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型 基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型是將三維空間劃分成一系列基于鑲嵌的數(shù)據(jù)模型是將三維空間劃分成一系列連通但不重疊的幾何元素連通但不重疊的幾何元素, ,它可以看成是二維鑲嵌模它可以看成是二維鑲嵌模型的擴(kuò)展。型的擴(kuò)展。 三維鑲嵌模型常用的方法有單元分解法三維鑲嵌模型常用的方法有單元分解法(cell (cell decomposi

13、tion)decomposition)、空間枚舉法、空間枚舉法(spatial occupancy (spatial occupancy enumeration)enumeration)、四面體格網(wǎng)模型等幾大類。、四面體格網(wǎng)模型等幾大類。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 18o 2.2.基于矢量的數(shù)據(jù)模型基于矢量的數(shù)據(jù)模型 目前常見的基于矢量的數(shù)據(jù)模型主要有線框表示目前常見的基于矢量的數(shù)據(jù)模型主要有線框表示法法(wire frame representation,WFR) )(wire frame representation,WFR) )和邊界表示和邊界表示法法(boundary

14、representation,BR)(boundary representation,BR)兩種兩種 。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 19o 3 3分析型數(shù)據(jù)模型分析型數(shù)據(jù)模型 分析型數(shù)據(jù)模型采用函數(shù)方程分析型數(shù)據(jù)模型采用函數(shù)方程如非均勻有理如非均勻有理樣條樣條(NURBS)(NURBS)函數(shù)等函數(shù)等來表示構(gòu)成三維空間實(shí)體及其來表示構(gòu)成三維空間實(shí)體及其邊界的曲線、曲面或平面邊界的曲線、曲面或平面, ,并用解低階方程來確定曲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)體面的交線。該方法能夠精確地表達(dá)某些空間實(shí)體, ,所所需存貯量小需存貯量小, ,運(yùn)算速度快運(yùn)算速度快

15、, ,并可以保證空間唯一性和并可以保證空間唯一性和幾何不變性幾何不變性, ,但由于三維目標(biāo)的形態(tài)較二維更復(fù)雜但由于三維目標(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)。它們難于用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程來表達(dá)。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 20o 4 4基于混合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型基于混合結(jié)構(gòu)的數(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)形成一種具有一體化結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型。它采取一種折衷的方法模型。它采取一種折衷的方法, ,減少了鑲嵌型和矢量減少了鑲嵌型和矢量模型的不足模型的

16、不足, ,同時(shí)同時(shí), ,也降低了他們各自的優(yōu)越性。比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)造法較有代表性的方法有幾何體素構(gòu)造法(constructive (constructive solid geometry, CSG)solid geometry, CSG)、基于八叉樹和四面體格網(wǎng)、基于八叉樹和四面體格網(wǎng)的混合模型的混合模型(octree + TEN)(octree + TEN)、面向?qū)ο蟮娜S空間、面向?qū)ο蟮娜S空間數(shù)據(jù)模型、基于多種表示的數(shù)據(jù)模型、基于多種表示的CSG + octreeCSG + octree數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型; ;基于基于TIN + octreeTIN

17、 + octree的混合型數(shù)據(jù)模型等。的混合型數(shù)據(jù)模型等。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 21o1 1、地形數(shù)據(jù)（、地形數(shù)據(jù)（DEMDEM）o 根據(jù)地形圖上等高線及高程數(shù)據(jù)生成根據(jù)地形圖上等高線及高程數(shù)據(jù)生成; ;o 直接使用地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的直接使用地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的DEMDEM數(shù)據(jù)數(shù)據(jù); ;o 通過處理航攝影像生成通過處理航攝影像生成; ;o 由機(jī)載激光掃描儀直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到由機(jī)載激光掃描儀直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到; ;o 用用SAR/INSARSAR/INSAR( (干涉合成孔徑雷達(dá)干涉合成孔徑雷達(dá)) )獲取等獲取等。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 22o2 2、建

18、筑物的高度數(shù)據(jù)、建筑物的高度數(shù)據(jù)o 在二維地圖數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度；在二維地圖數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上按層數(shù)粗略求算建筑物高度；o 用人工或半自動(dòng)的方式借助軟件基于影像獲取用人工或半自動(dòng)的方式借助軟件基于影像獲取( (以建筑以建筑物屋頂數(shù)據(jù)為主物屋頂數(shù)據(jù)為主) )；o 以研究算法為主，從影像中直接提取建筑物高度以及以研究算法為主，從影像中直接提取建筑物高度以及其它信息；其它信息；o 用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像、經(jīng)過算法處理提取用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像、經(jīng)過算法處理提取建筑物高程，建筑物高程，o 用激光副距掃描儀結(jié)合用激光副距掃描儀結(jié)合CCDCCD相機(jī)從地面獲取建筑物高度相機(jī)從地面獲取

19、建筑物高度等；等；o 由混合測(cè)量系統(tǒng)獲取由混合測(cè)量系統(tǒng)獲取; ;o 由干涉合成孔徑雷達(dá)（由干涉合成孔徑雷達(dá)（INSARINSAR）獲?。┇@取湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 23o3 3、建筑物的幾何要素?cái)?shù)據(jù)、建筑物的幾何要素?cái)?shù)據(jù)o 根據(jù)地形圖根據(jù)地形圖/ /地籍圖數(shù)字化得到建筑物投影平面幾何數(shù)地籍圖數(shù)字化得到建筑物投影平面幾何數(shù)據(jù)據(jù); ;o 將數(shù)字地圖中的建筑物輪廓線與其高度將數(shù)字地圖中的建筑物輪廓線與其高度( (由層數(shù)計(jì)算或由層數(shù)計(jì)算或其它方式得到其它方式得到) )結(jié)合結(jié)合, ,用簡(jiǎn)單幾何體表達(dá)建筑物外形特用簡(jiǎn)單幾何體表達(dá)建筑物外形特征征; ;o 使用航空影像進(jìn)行交互獲取使用航空影

20、像進(jìn)行交互獲取; ;o 使用航空影像以及地面攝影對(duì)建筑物特征線進(jìn)行自動(dòng)使用航空影像以及地面攝影對(duì)建筑物特征線進(jìn)行自動(dòng)提取提取; ;o 在地面使用激光掃描儀與在地面使用激光掃描儀與GPS,GPS,通過測(cè)距求算獲取通過測(cè)距求算獲取; ;o 使用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行建筑物的自動(dòng)提取使用高分辨率衛(wèi)星影像進(jìn)行建筑物的自動(dòng)提取; ;o 由混合測(cè)量系統(tǒng)獲取由混合測(cè)量系統(tǒng)獲取; ;o 由移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)獲取等由移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)獲取等 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 24o 4 4、建筑物及地面的紋理數(shù)據(jù)、建筑物及地面的紋理數(shù)據(jù)o 由計(jì)算機(jī)生成由計(jì)算機(jī)生成; ;o 根據(jù)航空攝影像片獲取根據(jù)航空攝影像片獲取;

21、;o 根據(jù)衛(wèi)星遙感像片獲取根據(jù)衛(wèi)星遙感像片獲取; ;o 根據(jù)地面攝影像片直接獲取根據(jù)地面攝影像片直接獲取; ;o 用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像用機(jī)載激光掃描儀結(jié)合空中影像, ,經(jīng)過算法處理提取建經(jīng)過算法處理提取建筑物頂部紋理筑物頂部紋理; ;o 用激光測(cè)距掃描儀結(jié)合相機(jī)從地面獲取建筑物立用激光測(cè)距掃描儀結(jié)合相機(jī)從地面獲取建筑物立面紋理面紋理; ;o 由移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)獲取等。由移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)獲取等。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 25o 5 5、其它矢量數(shù)據(jù)、其它矢量數(shù)據(jù)o 規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙、地形圖、地籍圖等規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙、地形圖、地籍圖等; ;o 現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)庫(kù); ;o 野外調(diào)

22、查與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合野外調(diào)查與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合; ;o 計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單模擬繪制等計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單模擬繪制等 o 6 6、屬性數(shù)據(jù)的獲取、屬性數(shù)據(jù)的獲取 屬性數(shù)據(jù)主要用來進(jìn)行空間查詢屬性數(shù)據(jù)主要用來進(jìn)行空間查詢, ,其數(shù)據(jù)類型主要有其數(shù)據(jù)類型主要有: :o 用來描述建筑物實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)用來描述建筑物實(shí)體的屬性數(shù)據(jù), ,如建筑物名稱、社如建筑物名稱、社會(huì)性質(zhì)、建筑位置等會(huì)性質(zhì)、建筑位置等; ;用來描述地形、地物特征的屬用來描述地形、地物特征的屬性數(shù)據(jù)性數(shù)據(jù), ,如道路長(zhǎng)度、道路名稱等。如道路長(zhǎng)度、道路名稱等。o 其它多媒體數(shù)據(jù)為使用戶在其它多媒體數(shù)據(jù)為使用戶在3 3維場(chǎng)景中具有身臨其維場(chǎng)景中具有身臨其境的感

23、覺境的感覺, ,還必須有一系列多媒體數(shù)據(jù)還必須有一系列多媒體數(shù)據(jù), ,這里主要指這里主要指聲音文件聲音文件, ,一般可以通過現(xiàn)場(chǎng)錄制的方式獲取。一般可以通過現(xiàn)場(chǎng)錄制的方式獲取。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 26o 9 9、在、在3DCM3DCM中為了增強(qiáng)真實(shí)感中為了增強(qiáng)真實(shí)感, ,人們還需要考慮以下人們還需要考慮以下數(shù)據(jù)的獲取數(shù)據(jù)的獲取: :o 植被、大型樹木等的相關(guān)數(shù)據(jù)植被、大型樹木等的相關(guān)數(shù)據(jù),需要結(jié)合野外調(diào)查與需要結(jié)合野外調(diào)查與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)獲取或由計(jì)算機(jī)做簡(jiǎn)單的模擬繪制現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)獲取或由計(jì)算機(jī)做簡(jiǎn)單的模擬繪制,或直或直接從航空影像中提取接從航空影像中提取;o 各種景觀中必要的修

24、飾對(duì)象數(shù)據(jù)各種景觀中必要的修飾對(duì)象數(shù)據(jù),需要通過野外調(diào)查需要通過野外調(diào)查或人為確定或人為確定,如雕塑、大型裝飾物、云霧參數(shù)等。如雕塑、大型裝飾物、云霧參數(shù)等。o 另外另外,由于以下數(shù)據(jù)的獲取及表達(dá)存在著相當(dāng)?shù)睦щy由于以下數(shù)據(jù)的獲取及表達(dá)存在著相當(dāng)?shù)睦щy,所以目前的研究工作尚未涉及或很少考慮所以目前的研究工作尚未涉及或很少考慮,但這些對(duì)但這些對(duì)象往往非常重要象往往非常重要,也是人們十分關(guān)注的也是人們十分關(guān)注的,在在3DCM中如中如何較好地表達(dá)這些對(duì)象是值得人們深入研究的問題何較好地表達(dá)這些對(duì)象是值得人們深入研究的問題:n 道路以及橋梁、過街天橋、人行地道;n 各種大型工業(yè)設(shè)施;各種復(fù)雜建構(gòu)筑物,

25、如露天體育館、大型雕塑、電視塔等 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 279.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)o 1 1、DTMDTM與與DEMDEM 數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，簡(jiǎn)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。n DTM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(duì)地表提供連續(xù)描述的算法。n 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,yDTM所在的區(qū)域 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 28 在一般情況下，地面特性是高程

26、Z，它的空間分布由x、y水平坐標(biāo)系統(tǒng)來描述，也可用經(jīng)度x，緯度y來描述海拔的分布，這種地面特性為高程或海拔高程的DTM也稱為數(shù)字高程模型(Digital Elevation Mode，簡(jiǎn)稱DEM)。 其它地面特性可以是地價(jià)、土地權(quán)屬、土壤類型、地貌特征、巖層深度及土地利用等與地形有關(guān)的信息。DTM可以是每三個(gè)坐標(biāo)值為一組元的散點(diǎn)結(jié)構(gòu)，也可以是由多項(xiàng)式或富里葉級(jí)數(shù)確定的曲面方程。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 29o2 2、DEMDEM的表示方法的表示方法 n數(shù)學(xué)方法 用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)，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(jí)數(shù)和高次多項(xiàng)式方法擬合統(tǒng)一的地面高程曲面

27、。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(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合形成高程曲面。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 30n圖形方法圖形方法 -線模式線模式 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) 。 在實(shí)際應(yīng)用中，DEM最主要的表示模型是:規(guī)則

28、格網(wǎng)(Grid)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)模型。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 31o 3 3、DTMDTM的空間內(nèi)插方法的空間內(nèi)插方法 DTM內(nèi)插按插點(diǎn)分布范圍，可分為分塊內(nèi)插、剖分內(nèi)插和單點(diǎn)移面內(nèi)插三類。o （1 1）內(nèi)插方法分類）內(nèi)插方法分類 -分塊內(nèi)插 -剖分內(nèi)插 -單點(diǎn)移面內(nèi)插 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 32o （2 2）空間內(nèi)插方法）空間內(nèi)插方法湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 33o 4 4、格網(wǎng)、格網(wǎng)DEMDEM及其建立方法及其建立方法 規(guī)則網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格。規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分成規(guī)則的格網(wǎng)單元，每個(gè)格網(wǎng)

29、單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值。數(shù)學(xué)上可以表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中則是一個(gè)二維數(shù)組。每個(gè)格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，特別是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。它還可以很容易地計(jì)算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動(dòng)提取流域地形，使得它成為DEM最廣泛使用的格式，目前許多國(guó)家的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 34o 基于地性線的基于地性線的DEMDEM向矩陣網(wǎng)格轉(zhuǎn)換向矩陣網(wǎng)格轉(zhuǎn)換n 1 1、地性線數(shù)據(jù)的矢、地性線數(shù)據(jù)的矢/ /柵變換柵變換地性線支撐點(diǎn)的柵格化；地性線支撐點(diǎn)的柵格化；沿地性線作高程

30、加密。沿地性線作高程加密。n 2 2、其他網(wǎng)格高程的確定（、其他網(wǎng)格高程的確定（旋轉(zhuǎn)剖面插值法） 定義數(shù)字剖面定義數(shù)字剖面 尋找最大坡度剖面尋找最大坡度剖面 高程插值建立高程插值建立DEMDEM（線性插值（線性插值/ /非線性插值）非線性插值）o 基于數(shù)字化等高線的基于數(shù)字化等高線的DEMDEM向矩陣網(wǎng)格轉(zhuǎn)換向矩陣網(wǎng)格轉(zhuǎn)換等高線的全路徑柵格化等高線的全路徑柵格化 DEMDEM加密加密 谷地地段與山脊地段的高程插值谷地地段與山脊地段的高程插值 基于中軸線的基于中軸線的DEMDEM生成生成 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 35o 規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)DEMDEM的缺點(diǎn)的缺點(diǎn)n在地形簡(jiǎn)

31、單、平坦的地區(qū)存在大量冗余數(shù)據(jù)；n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)；n對(duì)于某些特殊計(jì)算如視線計(jì)算時(shí)，格網(wǎng)的軸線方向被夸大；n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。n用于非矩形的不規(guī)則區(qū)域時(shí)，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。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 36o 4 4、不則三角網(wǎng)、不則三角網(wǎng)TINTIN及其建立方法及其建立方法 o 不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)是另外一種表示數(shù)字高程模型的方法，是由Peuker和他的同事199

32、9年設(shè)計(jì)的一個(gè)系統(tǒng)，它是由不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)造出鄰接的三角形（三角面）而組成的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。o TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)。如果點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程值通常通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程）。所以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 37o 不則三角網(wǎng)數(shù)字高程由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測(cè)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)的位置和密度。o TIN表示法利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則

33、，把這些離散點(diǎn)(各三角形的頂點(diǎn))連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時(shí)，盡可能地確保每個(gè)三角形都是銳角三角形或是三邊的長(zhǎng)度近似相等)。 o TIN是不規(guī)則格網(wǎng)中最簡(jiǎn)單的形態(tài)，在等高線追蹤、三維顯示及其他方面也是最常用、最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 38湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 39o 基于基于TINTIN建立的建立的DEMDEM的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：n 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；n 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

34、化的重要地形特征來獲取DEM數(shù)據(jù)，不改變?cè)紨?shù)據(jù)及其精度，保持原有的關(guān)鍵地形特征；n 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。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 40o5 5、格網(wǎng)、格網(wǎng)DEMDEM與與TIN DEMTIN DEM的相互轉(zhuǎn)換的相互轉(zhuǎn)換 o格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN 保留重要點(diǎn)法（VIP, Very Important Point）啟發(fā)丟棄法（DH, Drop Heuristic） oTIN轉(zhuǎn)成格網(wǎng)DEM兩種方法 將TIN看作普通的不規(guī)則數(shù)據(jù)點(diǎn)生成規(guī)則格網(wǎng)DEM將規(guī)則格網(wǎng)覆蓋在TIN上，計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)落在哪個(gè)TIN三角形內(nèi)（面），根據(jù)該三角面格頂點(diǎn)的高程進(jìn)

35、行線性內(nèi)插，得到格網(wǎng)點(diǎn)的高程。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 41 三維地圖的符號(hào)化問題是三維電子地圖研究的主三維地圖的符號(hào)化問題是三維電子地圖研究的主要內(nèi)容。在地圖學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)定義了許多二維地圖符要內(nèi)容。在地圖學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)定義了許多二維地圖符號(hào)的準(zhǔn)則，但這些準(zhǔn)則不能適用于三維地圖符號(hào)。號(hào)的準(zhǔn)則，但這些準(zhǔn)則不能適用于三維地圖符號(hào)。三維符號(hào)化問題是相當(dāng)復(fù)雜的，迄今為止還沒有系三維符號(hào)化問題是相當(dāng)復(fù)雜的，迄今為止還沒有系統(tǒng)的、完整的理論研究成果。它的主要任務(wù)是基于統(tǒng)的、完整的理論研究成果。它的主要任務(wù)是基于原始數(shù)據(jù)庫(kù)建立三維地圖模型。根據(jù)三維地圖的邏原始數(shù)據(jù)庫(kù)建立三維地圖模型。根據(jù)三維地圖的

36、邏輯組織，三維地圖模型是由基于數(shù)字表述的地形模輯組織，三維地圖模型是由基于數(shù)字表述的地形模型（型（DEMDEM）和基于）和基于DEMDEM的其它專題地理要素的三維模的其它專題地理要素的三維模型組成的。型組成的。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 42o 一、國(guó)內(nèi)外三維建筑物研究狀況一、國(guó)內(nèi)外三維建筑物研究狀況 o1、 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué) 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)科中,主要研究基于地理空間矢量數(shù)據(jù)和城市大比例尺數(shù)字影像的3維城市建模與顯示。由于城市3維景物主要是人造建筑物,所以3維建筑物信息的獲取與建模是城市3維建模的主要內(nèi)容。目前這方面的典型研究主要有:o 從城市影像中自動(dòng)提取建筑物,典

37、型研究如檢測(cè)2維建筑物和DEM數(shù)據(jù)、知覺組合、線條分析、使用陰影、透視幾何等輔助信息、直接對(duì)建筑物或表面進(jìn)行建模、基于知識(shí)的系統(tǒng),以及通過影像測(cè)量并結(jié)合物體的幾何知識(shí)構(gòu)模出多面體對(duì)象模型的方法等。o 結(jié)合已有的2維地圖矢量數(shù)據(jù)利用航空激光掃描或激光高度計(jì)數(shù)據(jù)。o 利用3維深度傳感器、多CCD相機(jī)和彩色高分辨率數(shù)字相機(jī)獲取的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)建筑物建模。o 利用虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)3維數(shù)據(jù)的可視化。其他方法如人機(jī)交互下的半自動(dòng)3維建筑物建模等。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 43o2、計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 在計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中,主要研究既包括3維物體的建

38、模和顯示,即從外向內(nèi)看的3維建模,又包括3維真實(shí)場(chǎng)景的建模和顯示,即從內(nèi)向外看的3維建模。 目前方法分2類:基于模型的繪制方法(MBR)和基于圖像的繪制方法(IBR)。o基于模型的繪制方法中,3維模型數(shù)據(jù)的獲取通常采用CAD的模型生成器或從實(shí)際環(huán)境中直接獲取。n 孫敏，陳軍：基于幾何元素的三維景觀實(shí)體建模研究，提出三維城市模型(Three Dimensional City Model,3DCM)的概念，較精確地表達(dá)了3DCM中各類目標(biāo)及其空間關(guān)系。基于圖像的繪制方法是通過一個(gè)來自多視點(diǎn)的原始的或合成的圖片庫(kù)來產(chǎn)生任意視點(diǎn)的新的虛擬圖片。盡管對(duì)于復(fù)雜環(huán)境建模IBR技術(shù)優(yōu)于MBR技術(shù),但它能實(shí)際處

39、理的3維對(duì)象范圍較小,對(duì)于大范圍城市建筑物建模目前還不可行,而在采用MBR技術(shù)時(shí),城市建筑物3維數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取是研究重點(diǎn),尤其是城市密集區(qū)域3維數(shù)據(jù)的全自動(dòng)獲取。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 44o 二、三維地物的幾何建模技術(shù)二、三維地物的幾何建模技術(shù)o 1、居民地的、居民地的3維模型維模型 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(duì)箱體式（作之一。對(duì)箱體式（BOX）房屋的建模來說，建筑物可）房屋的建模來說，建筑物可以看做屋頂面和各個(gè)鉛直外墻面的組成。房基高程可以以看做屋頂面和各個(gè)鉛直外墻面的組成。房基高程可以從從DEM內(nèi)

40、插獲得，注意房基的高程在房子輪廓線上的不內(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，應(yīng)想辦法使之統(tǒng)一。同點(diǎn)處可能不同，應(yīng)想辦法使之統(tǒng)一。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 45湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 46o 2、高程相同的水平要素的建模、高程相同的水平要素的建模 對(duì)諸如河流、水庫(kù)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。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 47o 3、道路要素的建模、道路要素的建模 一般在地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中道路是一中心線給出的。一般在地圖數(shù)

41、據(jù)庫(kù)中道路是一中心線給出的。道路根據(jù)道路等級(jí)或?qū)嶋H要求不同可以分三類建模：道路根據(jù)道路等級(jí)或?qū)嶋H要求不同可以分三類建模：o 體狀：沿道路中心線向外擴(kuò)寬，生成兩邊線，按指定道路體狀：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)。高度，分別生成道路側(cè)面和頂面三角網(wǎng)。o 面狀：沿道路中心線向外擴(kuò)寬，生成兩邊線，道路高度為面狀：沿道路中心線向外擴(kuò)寬，生成兩邊線，道路高度為0 0，經(jīng)過三角剖分生成道路面三角網(wǎng)。同，經(jīng)過三角剖分生成道路面三角網(wǎng)。同4 4。o 線狀：通常為單線，將原中心線上的點(diǎn)進(jìn)行高程值內(nèi)插得線狀：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。到

42、三維曲線。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 48o 4、非水平面狀目標(biāo)的建模、非水平面狀目標(biāo)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)。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 49o 5、復(fù)雜的、復(fù)雜的3維目標(biāo)的建模維目標(biāo)的建模 目前，對(duì)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3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

43、轉(zhuǎn)、平移、縮放在空間坐標(biāo)系中定位。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 50o 三、三維地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)與建模三、三維地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)與建模 地圖內(nèi)大量分布點(diǎn)狀目標(biāo)，此類目標(biāo)可以依照二維地圖符號(hào)庫(kù)的方法，分別建立符號(hào)模型，形成三維符號(hào)庫(kù)，共三維電子地圖調(diào)用。符號(hào)設(shè)計(jì)的一般原則值得探討，用上述方法5建模。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 51o 四、地物模型（含三維符號(hào)）與地形模型的匹配四、地物模型（含三維符號(hào)）與地形模型的匹配 通過DEM內(nèi)插高程值獲得地物基點(diǎn)高程或邊線上若干點(diǎn)的高程湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 52o 三維地圖的數(shù)據(jù)模型要求支持三維三維地圖的數(shù)據(jù)模型要

44、求支持三維模型的動(dòng)態(tài)可視化以及交互操作，模型的動(dòng)態(tài)可視化以及交互操作，為此將三維地圖模型組織為層次結(jié)為此將三維地圖模型組織為層次結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景體系。在該體系中，每一構(gòu)的場(chǎng)景體系。在該體系中，每一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象（例如一個(gè)三維目標(biāo)）個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象（例如一個(gè)三維目標(biāo)）都體現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)場(chǎng)景都是都體現(xiàn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)場(chǎng)景都是由眾多有序的、具有層次的節(jié)點(diǎn)組由眾多有序的、具有層次的節(jié)點(diǎn)組成的，位于最上面的稱為根節(jié)點(diǎn)。成的，位于最上面的稱為根節(jié)點(diǎn)。除根節(jié)點(diǎn)以外，在顯示場(chǎng)景圖形的除根節(jié)點(diǎn)以外，在顯示場(chǎng)景圖形的過程中可以任意增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也過程中可以任意增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣就為當(dāng)前可以刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這

45、樣就為當(dāng)前場(chǎng)景動(dòng)態(tài)地裝載或卸載另外的場(chǎng)景場(chǎng)景動(dòng)態(tài)地裝載或卸載另外的場(chǎng)景提供了極大的方便。提供了極大的方便。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 53o 1、三維地圖模型的基本要求、三維地圖模型的基本要求o 精煉的數(shù)據(jù)量 表現(xiàn)一個(gè)具有龐大數(shù)據(jù)量的三維模型就目前的技術(shù)來講可能存在一些問題，因此必須壓縮到最小。這一點(diǎn)對(duì)于交互式管理地圖模型而言是非常重要的。o 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 地圖模型必須具備矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與柵格數(shù)據(jù)相比較而言，矢量數(shù)據(jù)能更好地描述模型并能更容易地進(jìn)行數(shù)據(jù)集的幾何分析。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 54o 2、細(xì)節(jié)層次技術(shù)（、細(xì)節(jié)層次技術(shù)（LOD） 三維地圖內(nèi)容的表現(xiàn)要能

46、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(huì)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）。 為了解決這一問題，我們采用LOD技術(shù)（Lever of Detail），這意味著三維地圖中的各個(gè)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(huì)被表現(xiàn)得越詳細(xì)。反之則越概略。 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。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 55o 3、空間分區(qū)技術(shù)、空間分區(qū)技術(shù)o 目的 分區(qū)的在于對(duì)基于大區(qū)域

47、、海量數(shù)據(jù)的地圖模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示時(shí)能很大程度上提高速度。o 基本思路 對(duì)地圖模型進(jìn)行分區(qū)，將各分區(qū)中的地圖內(nèi)容定義為眾多的細(xì)節(jié)層次（高、中、低），這樣三維地形圖系統(tǒng)就可以分別采用合適的細(xì)節(jié)層來表現(xiàn)各個(gè)分區(qū)。 在DEM的基礎(chǔ)上，根據(jù)地圖覆蓋的范圍和三維顯示時(shí)視線的大致角度等因素將DEM分成若干個(gè)等大的子區(qū)域，然后在此基礎(chǔ)上建立其它要素的三維模型，按照各要素與DEM子區(qū)域的相對(duì)位置將三維模型（目標(biāo)）歸入到相應(yīng)的分區(qū)內(nèi)。這樣在進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示時(shí)就可以根據(jù)視點(diǎn)的位置和視線角度來動(dòng)態(tài)地裝載相應(yīng)的分區(qū)模型。 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 56o 3、空間分區(qū)技術(shù)、空間分區(qū)技術(shù)o 需要特別處理毗鄰分

48、區(qū)之間的過渡區(qū)域 以保證不同的分區(qū)持續(xù)過渡，從而獲得較好的地圖模型的整體效果。采用的細(xì)節(jié)層次越細(xì)，過渡越自然，但另一方面，存儲(chǔ)模型的數(shù)據(jù)量也會(huì)明顯地增加，因此必須在兩者之間達(dá)成一個(gè)平衡。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 57o 4、場(chǎng)景層次體系的建立、場(chǎng)景層次體系的建立湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 58o 建立場(chǎng)景的過程中必須實(shí)現(xiàn)地圖分區(qū)之間地形、地物的光滑連續(xù)的拼接。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 59o整個(gè)三維地圖場(chǎng)景被組織成為一個(gè)樹狀的結(jié)構(gòu)體系。 三維地圖場(chǎng)景是這個(gè)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(gè)區(qū)域場(chǎng)景作為子節(jié)點(diǎn)都可以位于其中，并能進(jìn)行定位

49、和調(diào)節(jié)大小。 可以隨時(shí)加入新的節(jié)點(diǎn)，也可以刪除某個(gè)節(jié)點(diǎn)。o所有表示場(chǎng)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(chǔ)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(duì)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。o可以對(duì)該結(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(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)還能容納用戶定義的數(shù)據(jù)

50、（專題屬性數(shù)據(jù)），這些結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)三維目標(biāo)的屬性查詢是相當(dāng)重要的。場(chǎng)景體系的組織是在三維地圖模型建立的過程中同時(shí)進(jìn)行的 。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 60 o 一、工具軟件及功能介紹一、工具軟件及功能介紹 Open GL（Open Graphics Library）介紹: 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?？梢圆蝗ダ斫膺@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(tái)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

51、件接口，目前加入OpenGL ARB（ OpenGL體系結(jié)構(gòu)審查委員會(huì)）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Windows95/99、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)。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 61o OpenGL的主要功能的主要功能o 1，建模：不但有簡(jiǎn)單的點(diǎn)線面

52、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)；o 2，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）；o 3，顏色模式設(shè)置：RGBA模式、ColorIndex顏色索引；o 4，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(chǎng)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；o 5，紋理映射：主要表達(dá)物體表面的細(xì)節(jié)；o 6，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（F

53、og）等特殊的圖像處理效果；湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 62o 9，雙緩沖（Double Buffering）動(dòng)畫：雙緩沖即前臺(tái)緩沖和后臺(tái)緩沖。后臺(tái)計(jì)算場(chǎng)景、產(chǎn)生畫面，前臺(tái)顯示后臺(tái)已經(jīng)計(jì)算好的畫面；o 9，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(chǎng)景的繪制，可以借助物體的幾何參數(shù)及運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)、場(chǎng)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(shí)間參數(shù)等和Windows對(duì)話框、菜單、外部設(shè)備等構(gòu)成實(shí)時(shí)交互的程序系統(tǒng)。在選擇模式下，則可以對(duì)物體進(jìn)行命名，選擇命名的物體，控制對(duì)命名的物體的繪制。而反饋模式則給程序設(shè)計(jì)

54、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。o 9,其它：利用OpenGL還能實(shí)現(xiàn)深度暗示（Depth Cue）、運(yùn)動(dòng)模糊（Motion Blur）等特殊效果。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 63o OpenGL的基本原理的基本原理OpenGL是一個(gè)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(gè)幀緩沖里，它包括幾百個(gè)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(shí)交互。o1，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(huì)影響其他模式的設(shè)置，無論發(fā)生深墨情況，指令總是被順序處理，

55、也就是說，一個(gè)圖元必須完全畫完之后，后繼圖元才能影響幀存。o2，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(gè)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。o3，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)布命令，命令由OpenGL服務(wù)器（解釋器）來處理，服務(wù)器可以運(yùn)行在客戶在相同的或不同的計(jì)算機(jī)上，基于這一點(diǎn)， OpenGL是網(wǎng)絡(luò)透明的。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 64o OpenGL的命令

56、語法與狀態(tài)的命令語法與狀態(tài) 基于OpenGL 標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)的微機(jī)應(yīng)用程序必須在32位Windows平臺(tái)下，如Windows 99/NT環(huán)境，運(yùn)行時(shí)所需的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)為OpenGL32.DLL、Glu32.DLL，OpenGL包含100多個(gè)庫(kù)函數(shù)，這些函數(shù)按一定的格式來命名。o1，核心函數(shù)115個(gè)每個(gè)函數(shù)以gl開頭，這些函數(shù)是最基本的，可以運(yùn)行在任何工作平臺(tái)上。這些函數(shù)創(chuàng)建二維和三維幾何形體，設(shè)置視點(diǎn)，建立視覺體，設(shè)置顏色及材質(zhì)，建立燈光、進(jìn)行紋理映射，反走樣，處理融合，霧化場(chǎng)景等，它們可以接受不同的參數(shù)因而可派生300多個(gè)函數(shù)。o2， OpenGL實(shí)用庫(kù)函數(shù)以glu開頭。共43個(gè)這些函數(shù)基于Ope

57、nGL核心函數(shù)，主要提供對(duì)輔助函數(shù)的支持，并且執(zhí)行了核心OpenGL函數(shù)的交互，因而是比核心函數(shù)更高一層的函數(shù)，也更有通用性?？梢赃\(yùn)行在任何OpenGL工作平臺(tái)上。o3，輔助庫(kù)函數(shù)，共31個(gè)。以aux開頭，它們是一類特殊的OpenGL函數(shù)，是幫助初學(xué)者盡快進(jìn)入OpenGL編程而做簡(jiǎn)單練習(xí)用的。因此并不能在所有平臺(tái)上運(yùn)行。但Windows 99/NT支持它們。o4， Windows專用庫(kù)函數(shù)，以wgl開頭。主要是連接OpenGL和Windows窗口系統(tǒng)的用它們可以管理著色描述表及顯示列表，擴(kuò)展功能，管理字體位圖等。o5，Win32 API函數(shù)，共6個(gè)，用于處理像素格式及緩沖。o6， OpenGL

58、結(jié)構(gòu) 共四個(gè)。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 65o OpenGL圖形操作步驟：圖形操作步驟：o步驟1，設(shè)置像素格式：主要包括建立OpenGL繪制風(fēng)格、顏色模式、顏色位數(shù)、深度位數(shù)等；o步驟2，建立模型：建立三維模型；o步驟3，舞臺(tái)布景：如何把景物放置在三維空間的適當(dāng)位置，設(shè)置三維透視視覺體以觀察場(chǎng)景；o步驟4，效果處理：設(shè)置物體的材質(zhì)（顏色、光學(xué)性能及紋理映射等）加入光照及光照條件；o步驟5，光柵化：把景物及其顏色信息轉(zhuǎn)化為可在計(jì)算機(jī)上顯示的像素信息。湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 66o 二、基本圖原的顯示二、基本圖原的顯示n 頂點(diǎn)幾何坐標(biāo)法向坐標(biāo)顏色坐標(biāo)紋理坐標(biāo)n 線線的顏色（關(guān)閉光照）n 面顏色坐標(biāo)法向坐標(biāo)湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 67湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 68o三、紋理疊加技術(shù)三、紋理疊加技術(shù)o四、霧化技術(shù)四、霧化技術(shù)o象素（R、G、B）疊加o深度技術(shù)o五、動(dòng)態(tài)顯