三維動(dòng)態(tài)交互式可視化模型

1、三維動(dòng)態(tài)交互式可視化模型 地理信息系統(tǒng)中的三維表示與分析朱慶武漢測(cè)繪科技大學(xué)GIS中心 430079（本文發(fā)表在武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)1998年第二期，23（2）：124-127）摘要 針對(duì)當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展和GIS多專業(yè)應(yīng)用需求的特點(diǎn)，本文以吉奧之星（GeoStar）地理信息系統(tǒng)平臺(tái)為例，研究了在當(dāng)前2維系統(tǒng)中如何考慮3維或者說2.5維表面表示與分析的問題。針對(duì)目前的GIS都還是2維的情況，筆者提出集成數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影象與常規(guī)的矢量數(shù)據(jù)和各種屬性信息在一起，建立一體化的3維數(shù)據(jù)輸入、操作與可視化機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上提出了2維與3維混合表示的空間查詢與分析模型。該模型擴(kuò)展了

2、可視化概念，將可視化技術(shù)貫穿于整個(gè)GIS運(yùn)行過程。筆者認(rèn)為，可視化不僅僅是操作結(jié)果的再現(xiàn)，而且也為數(shù)據(jù)處理、空間查詢與分析和各種三維模型操作提供了更加有力的支持，并且可以為GIS提供一個(gè)三維逼真的動(dòng)態(tài)的交互式的運(yùn)行環(huán)境。關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)，交互式，可視化，三維表示與分析，地理信息系統(tǒng)（GIS）。1 前言地理信息系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱GIS）正被越來越多的專業(yè)廣泛采用，幾乎每天都有意想不到的應(yīng)用領(lǐng)域被發(fā)現(xiàn)，這一方面得益于GIS本身的許多顯著特點(diǎn)和日益強(qiáng)大的功能，同時(shí)也得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。特別是桌面微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在性能價(jià)格方面的突出優(yōu)勢(shì)，使得GIS日益深入到廉價(jià)的個(gè)人微機(jī)市場(chǎng)，典型的如PC ARC/IN

3、FO和MapInfo等。這也為GIS面向更廣大的應(yīng)用領(lǐng)域（如家庭和辦公室）提供了再次騰飛的鍥機(jī)，必將進(jìn)一步推動(dòng)GIS工業(yè)的巨大進(jìn)步。與此同時(shí)，針對(duì)多專業(yè)用戶對(duì)地學(xué)信息的廣泛需求，我們也面臨著從用戶反饋回來的普遍問題，即GIS難于使用。無疑，GIS只有提供一個(gè)多媒體形式的綜合的解決方案，來滿足具有各種專業(yè)技術(shù)背景的終端用戶的需求。在這樣一個(gè)數(shù)字環(huán)境里面，如果空間查詢與分析，諸如緩沖區(qū)分析和疊置分析等廣泛用來提供輔助決策用的進(jìn)一步信息的操作，以一種動(dòng)態(tài)的交互式的三維的影象形式表現(xiàn)出來，而不僅是用傳統(tǒng)的基于特征的數(shù)據(jù)集的形式甚至諸如地圖這樣的二維的靜態(tài)的非交互式的顯示，那么即使象汽車駕駛員、旅游者、

4、警察等這樣的用戶，GIS也是十分有效且富于吸引力的工具?？上驳氖牵裉斓腉IS工作者已經(jīng)能夠利用普通的桌面型甚至膝上型微型計(jì)算機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)來完成各種逼真圖形顯示與處理任務(wù)。并且，還能集成和操縱實(shí)時(shí)三維圖形、聲音與視頻數(shù)據(jù)等多媒體信息。從而借助于仿真的視、聲和力學(xué)感應(yīng)等可望為GIS的終端用戶創(chuàng)造一個(gè)能實(shí)時(shí)漫游的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境1。2 三維動(dòng)態(tài)交互式可視化模型基于DEM的三維可視化有助于用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)相互關(guān)系的直觀理解，但筆者認(rèn)為只把三維可視化模型作為信息表示的一種輸出媒體是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對(duì)于各種各樣的GIS用戶來說，往往需要直接將其作為可交互查詢的媒體，也就是說GIS中的三維模型不僅能可視化，還

5、能交互操作?；谶@樣的三維模型，便能提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的環(huán)境，用以在相應(yīng)空間氛圍里逼真創(chuàng)建和顯示復(fù)雜物體，并為進(jìn)一步的空間決策服務(wù)。特別是諸如環(huán)境仿真、設(shè)施管理、洪水淹沒與火災(zāi)曼延等復(fù)雜的模型分析和輔助決策需要三維可交互動(dòng)態(tài)模型的支持。為此，筆者提出了如圖1所示的模型：圖1三維動(dòng)態(tài)交互式可視化模型Fig.1 3D Dynamic interactive visualization model2.0 基本的數(shù)據(jù)流（1）空間數(shù)據(jù)庫與空間查詢和分析傳統(tǒng)的2維系統(tǒng)往往只注意單一的數(shù)據(jù)流向，即從數(shù)據(jù)庫檢索所需的信息。而本文的模型同時(shí)也強(qiáng)調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)庫的更新問題。當(dāng)然，這里的數(shù)據(jù)庫可能是服務(wù)器上的源數(shù)據(jù)，也可能只是

6、客戶端的臨時(shí)數(shù)據(jù)。其差別在于用戶具有不同的操作權(quán)限。比如，對(duì)于直接來源于攝影測(cè)量和地面測(cè)量的數(shù)據(jù)，每一個(gè)對(duì)象往往都具有完整的三維坐標(biāo)；而從既有地圖數(shù)字化獲取的數(shù)據(jù)，則只有等高線和少量地形點(diǎn)具有高程信息。在我們進(jìn)行三維查詢和分析的過程中，有必要通過DEM內(nèi)插及時(shí)補(bǔ)充第三維的信息。（2）空間查詢和分析與三維表面動(dòng)態(tài)建模和交互操作為了更加直觀地理解空間查詢和分析的結(jié)果、提高空間分析的水平，有必要恢復(fù)三維空間關(guān)系，并進(jìn)行透視顯示，而三維表示的前提則是建立三維表面模型。由于人們的需求各種各樣，提出的問題千差萬別。因此，基于來自查詢或分析的不同數(shù)據(jù)快速建立各種相應(yīng)的表面模型十分關(guān)鍵。特別的，基于這種三維模

7、型，在透視空間里我們還應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)常規(guī)二維空間的基本操作，如幾何量測(cè)和拓?fù)潢P(guān)系查詢等。并且，操作的結(jié)果還可以進(jìn)一步重新建模。為實(shí)現(xiàn)該模型設(shè)計(jì)的目標(biāo)，筆者從以下幾方面進(jìn)行了研究。2.1 多媒體數(shù)據(jù)集成的空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)傳統(tǒng)二維的GIS由于數(shù)據(jù)模型的局限，第三維信息如高程往往作為屬性信息看待，從而制約了其靈活應(yīng)用，并導(dǎo)致三維表示與三維分析功能和其他GIS基本功能之間的單向數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)(如Arc/Info)。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)商業(yè)GIS軟件，只能把三維表示作為有關(guān)空間查詢與分析結(jié)果的輔助說明，這種三維表示是靜態(tài)的、不可交互的。而越來越多不同專業(yè)背景的終端用戶對(duì)這種簡(jiǎn)單的處理往往抱怨甚多，他們希望的是能直

8、接在直觀逼真的透視環(huán)境里面進(jìn)行各種空間查詢與分析決策工作，而不只是面對(duì)單調(diào)難懂的平面圖形或數(shù)表。這首先就對(duì)傳統(tǒng)二維GIS的空間數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在三維GIS還有許多問題沒有解決的時(shí)候，GeoStar將所有的矢量對(duì)象均設(shè)計(jì)為三維空間目標(biāo)，即其空間位置信息包括X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)分量，直接將常規(guī)的二維平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)模型推廣到三維空間，并引入數(shù)字高程模型DEM和正射影象數(shù)據(jù)，至于其他復(fù)雜的聲、視、圖多媒體數(shù)據(jù)和三維空間拓?fù)潢P(guān)系描述則通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)方法暫時(shí)加以解決。這種數(shù)據(jù)模型為后續(xù)的三維操作提供了基本保證。2.2 二維與三維混合的空間查詢與分析二維操作的優(yōu)點(diǎn)是可以無級(jí)放

9、大、選擇唯一和定位準(zhǔn)確等，而三維操作的特點(diǎn)則是空間分布關(guān)系直觀明了。所以，不同的應(yīng)用目的往往需要這兩種方式的交替運(yùn)作，而不是單一的某一種。三維查詢與分析最一般的要求是要將指定的矢量目標(biāo)或結(jié)果疊加在三維模型上進(jìn)行顯示，或者直接從三維模型上選擇目標(biāo)進(jìn)行查詢與分析。為此，GeoStar將常規(guī)2維空間的操作算子如幾何量測(cè)和拓?fù)潢P(guān)系查詢等擴(kuò)展到2.5維空間（表面積、剖面、周長(zhǎng)、距離、體積、坡度、坡向、可視域、相鄰、包含、相交、相離等），使得在透視空間也能實(shí)現(xiàn)各種空間查詢與分析。對(duì)于2.5維的幾何量測(cè)算子的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是對(duì)三維坐標(biāo)的檢索與內(nèi)插。而要將2維拓?fù)潢P(guān)系的查詢算子推廣到2.5維，包括兩個(gè)基本步驟，首

10、先從透視屏幕空間變換到三維真實(shí)空間，再使用常規(guī)2維空間的空間索引和數(shù)據(jù)檢索策略。2.3 三維表面動(dòng)態(tài)建模技術(shù)復(fù)雜特征目標(biāo)的三維表示需要有效的表面建模技術(shù)，為此在GeoStar中混合使用基于不規(guī)則三角形網(wǎng)絡(luò)（TIN）和方格網(wǎng)的兩種表面描述方法。采用TIN結(jié)構(gòu)，可以靈活、逼真、快速地建立具有任意邊界形狀的目標(biāo)模型，這對(duì)于空間查詢和分析結(jié)果的三維表示極為重要。關(guān)于TIN的快速建模與更新將在另文詳述。GeoStar同時(shí)提供了基于“移動(dòng)曲面法”的快速隨機(jī)-柵格轉(zhuǎn)換功能，可以利用隨機(jī)分布的等高線和地形點(diǎn)等數(shù)據(jù)內(nèi)插方格網(wǎng)DEM，為后續(xù)空間操作提供基本的第三維數(shù)據(jù)。2.4 數(shù)據(jù)內(nèi)插引擎數(shù)據(jù)內(nèi)插是三維可視化模型

11、的核心，也是實(shí)現(xiàn)模型交互操作的前提。在該模型里面，有兩種不同的內(nèi)插機(jī)制，即在同一個(gè)物理空間（如屏幕空間、透視空間或者實(shí)際三維空間）里的內(nèi)插和在不同物理空間之間的內(nèi)插（從世界坐標(biāo)到透視坐標(biāo)或者從透視坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)等）。首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有要素的三維表示，必須要有第三維的信息，而一般的矢量數(shù)據(jù)即使是原有數(shù)字化數(shù)據(jù)如道路、水系、居民地等往往也只有平面坐標(biāo)。再有，許多常規(guī)分析查詢結(jié)果如緩沖區(qū)邊界和疊置產(chǎn)生的區(qū)域邊界等也不會(huì)有第三維的信息。所有這些第三維信息都必須依靠系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地根據(jù)DEM內(nèi)插計(jì)算產(chǎn)生。另外，在三維透視空間進(jìn)行各種空間查詢和分析操作也都離不開數(shù)據(jù)內(nèi)插。比如，要在透視表面模型上選擇某一特定的目標(biāo)

12、，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)取該目標(biāo)的任意位置。但是，由于在透視空間的屏幕坐標(biāo)和實(shí)際的三維空間坐標(biāo)之間不存在一對(duì)一的關(guān)系，因此，必須要有可靠的內(nèi)插機(jī)制。為了完成某一種操作，常常要進(jìn)行多次從屏幕坐標(biāo)到地面坐標(biāo)和從地面坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)的內(nèi)插計(jì)算。為此，GeoStar三維可視化模型提供了所謂“基于三角形單元的掃描線增量法”內(nèi)插引擎。如圖2所示，令A(yù)、B、C各點(diǎn)的空間坐標(biāo)為 (x,y,z) (i=A,C)，這里的Z參量泛指位置(x,y)處的屬性值，其可能是高程，也可能是灰度等。如果已知三個(gè)頂點(diǎn)的屬性值，要內(nèi)插該三角形內(nèi)任意位置p處的屬性值，那么先用頂點(diǎn)的坐標(biāo)值線性內(nèi)插當(dāng)前掃描線與三角形的邊之交點(diǎn)(L和R)處的值:位于

13、L和R之間的點(diǎn)p的灰度不是用常規(guī)的線性內(nèi)插方法進(jìn)行計(jì)算，而是用增量法沿掃描線從左到右逐一進(jìn)行計(jì)算。任一點(diǎn)P的屬性值為其前一位置處的值加上該掃描線上的增量其中， ，。由于掃描線增量法充分利用了沿掃描線的連貫性質(zhì)(scan-line coherence)，避免了對(duì)整個(gè)三角形面的逐點(diǎn)判斷和反復(fù)求交運(yùn)算，大大減少了計(jì)算工作量。這一內(nèi)插機(jī)制主要用于不同空間坐標(biāo)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如從世界坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)，反之依然。圖2 掃描變換Fig. 2Scanning conversion特別的，如果在透視空間集成顯示影象數(shù)據(jù)，還可以人機(jī)交互式地從該模型上采集三維空間信息，即直接從模型得到特定目標(biāo)的屬性和三維空間坐標(biāo)

14、，從而為系統(tǒng)提供一種簡(jiǎn)便的一體化的數(shù)據(jù)采集與更新手段?；谶@一思路，GeoStar正被用于建立我國(guó)省級(jí)1：10000基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)框架的示范研究2。 2.5 金字塔層次結(jié)構(gòu)與三維可視化策略圖形顯示效果與計(jì)算效率往往是相互矛盾的兩個(gè)方面，而實(shí)際上由于計(jì)算機(jī)圖形顯示分辨率和人眼感官的局限，顯示圖形的信息容量總是有限的。也就是說，當(dāng)計(jì)算的復(fù)雜程度增加到一定量的時(shí)候，計(jì)算機(jī)顯示圖形的變化將趨于零。因此，對(duì)于利用有限的個(gè)人計(jì)算機(jī)資源來完成復(fù)雜的三維逼真可視化任務(wù)，有必要在這之間求得一種平衡或者說折中。當(dāng)前的2維GIS，重點(diǎn)還只是對(duì)大量矢量與屬性數(shù)據(jù)的管理與操作。數(shù)字地面模型的加盟一方面可以補(bǔ)充三維表面

15、分析的功能，同時(shí)還在于增加對(duì)GIS各種空間查詢與分析的三維表示，以便不同用戶更好地理解各種空間分布關(guān)系。對(duì)于一個(gè)較大型的數(shù)據(jù)庫，要實(shí)現(xiàn)整體與局部靈活交替的漫游操作，如果不考慮層次結(jié)構(gòu)，其交互效率是無法想象的。與表達(dá)2維矢量數(shù)據(jù)的層次關(guān)系相比，建立合適的具有不同細(xì)節(jié)水平的DEM層次體系則要困難得多。為此，與矢量數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，在GeoStar中設(shè)計(jì)了多尺度DEM的金字塔層次結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同層次的矢量數(shù)據(jù)，通過對(duì)象標(biāo)識(shí)碼OID即可識(shí)別，不用重復(fù)存儲(chǔ)；相反，不同層次的DEM則分別屬于不同的數(shù)據(jù)庫，其中，最底層的DEM為基本數(shù)據(jù)庫，屬于GIS的原始數(shù)據(jù)，允許具有多重分辨率、多數(shù)據(jù)源特性；而其余各層

16、次的DEM則均從基本數(shù)據(jù)派生而成，通過數(shù)據(jù)融合處理同一尺度的數(shù)據(jù)層具有一致的空間分辨率。為了提高對(duì)不同層次數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、顯示與分析應(yīng)用的效率，用金字塔結(jié)構(gòu)組織多尺度數(shù)據(jù)，并利用分塊陣列組織同一層次的數(shù)據(jù)。而在不同層之間建立相互引用機(jī)制。層->塊->行列的層次結(jié)構(gòu)組成了DEM數(shù)據(jù)的空間索引_允許對(duì)數(shù)據(jù)的快速存取而不管其多大，且具有無縫性。這樣，當(dāng)需要觀察整體概貌時(shí)，可以快速調(diào)取最上層最低分辨率的數(shù)據(jù)，而無須從龐大的底層數(shù)據(jù)庫在線抽取數(shù)據(jù)。如果要了解局部的細(xì)節(jié)，則根據(jù)區(qū)域大小可以漫游不同層次不同分辨率的數(shù)據(jù)。3 GeoStar中的三維表示與分析上述思想在吉奧之星（GeoStar）的兩個(gè)

17、版本（Windows和Windows NT）中均有體現(xiàn)。特別的，在Windows 16位版本中，筆者從最底層進(jìn)行光照模型計(jì)算、矩陣變換等一系列三維坐標(biāo)變換和三維圖形明暗繪制的處理，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)交互式模型的基本框架。在這個(gè)版本中，由于所采用的軟硬件平臺(tái)和數(shù)據(jù)組織的局限，三維可視化模型與矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的處理相互獨(dú)立，不論是數(shù)據(jù)庫還是交互操作都沒有集成在一起3。而基于Windows NT的新版吉奧之星，基于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)、采用集成的數(shù)據(jù)庫（包括矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、DEM、數(shù)字影象、以及各種語音和視頻圖象等）。并且，所有三維操作均在OpenGL環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，從而避免了從底層進(jìn)行光照模型計(jì)算、矩陣

18、變換等一系列三維坐標(biāo)變換和三維圖形明暗繪制的處理,在很大程度上提高了圖形處理的效率，并能使用標(biāo)準(zhǔn)的圖形加速卡，使得借助于普通微機(jī)實(shí)現(xiàn)三維地形動(dòng)態(tài)生成與準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)漫游成為可能。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)主要致力于各種復(fù)雜的數(shù)字建模、交互操作、動(dòng)態(tài)變化以及模型仿真等。該系統(tǒng)從而可望用于有關(guān)的實(shí)際工程，諸如環(huán)境影響分析、土木工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)、洪澇災(zāi)害和森林火災(zāi)應(yīng)急反應(yīng)等。4 應(yīng)用范例如圖3所示為吉奧之星可視化應(yīng)用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)界面。這里的三維可視化模型的顯著特點(diǎn)是其可操作性，GIS常規(guī)的空間查詢與分析其實(shí)都可以在這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)的真實(shí)感環(huán)境里完成。二維平面顯示與三維透視顯示之間可以自由切換，能滿足不同的應(yīng)用需求。圖

19、4所示為三維緩沖區(qū)分析的結(jié)果。圖3 吉奧之星三維可視化界面Fig.3The interface of 3D visualization for GeoStar圖4三維緩沖區(qū)分析Fig.4 3D buffering analysis5 結(jié)論在當(dāng)前真三維GIS尚未出現(xiàn)的時(shí)候，本文提出的動(dòng)態(tài)交互式可視化模型，有助于二維GIS面對(duì)來自不同用戶對(duì)三維可視化要求越來越高的挑戰(zhàn)。同時(shí)，本文的模型擴(kuò)展了傳統(tǒng)二維GIS中可視化的概念，更加突出了其動(dòng)態(tài)性和可交互性。特別是將常規(guī)二維空間操作算子擴(kuò)展到2.5維，為研究真三維空間操作提供了有益的嘗試。主要參考文獻(xiàn)1Shand, P.J. and Ireland, P.

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