大規(guī)模三維地形實時漫游關(guān)鍵技術(shù)研究

1、收稿日期：項目來源：遼寧工程技術(shù)大學(xué)地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用實驗室基金資助項目（）；徐州師范大學(xué)科學(xué)基金資助項目（）。，年月第卷第期中圖分類號：文獻標(biāo)識碼：文章編號：（）地理空間信息大規(guī)模三維地形實時漫游關(guān)鍵技術(shù)研究靳海亮，高井祥（徐州師范大學(xué)測繪學(xué)院，江蘇徐州；遼寧工程技術(shù)大學(xué)地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用實驗室，遼寧阜新；中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州）摘要：針對大規(guī)模三維地形實時可視化在、虛擬現(xiàn)實、游戲、仿真等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與難點，介紹了在四叉樹地形數(shù)據(jù)簡化算法的基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)分塊、基于塊節(jié)點的視景體裁剪、部分?jǐn)?shù)據(jù)常駐內(nèi)存以及邊界裂縫消除等實現(xiàn)對大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的快速漫游的方法。實驗

2、結(jié)果表明，該成果能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模三維地形的實時漫游。關(guān)鍵詞：大規(guī)模地形；地形簡化；數(shù)據(jù)分塊；地形漫游，（，；，；，）：，：；隨著現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)獲取的數(shù)量正以前所未有的速度增長，從數(shù)字城市到數(shù)字中國再到數(shù)字地球，地形數(shù)據(jù)呈幾何級數(shù)增長，大范圍、海量地形數(shù)據(jù)的廉價獲取已成為可能。如何針對海量地形數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維快速漫游，成為相關(guān)領(lǐng)域的一個研究難點。隨著圖形硬件技術(shù)的快速發(fā)展，盡管出現(xiàn)了一批高性能的圖形加速卡，提供了更高的幾何加速功能，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際的需求。它需要從軟件實現(xiàn)的角度出發(fā)，在不影響視覺效果的前提下，降低三維數(shù)據(jù)的幾何復(fù)雜度，減少圖形系統(tǒng)實時處理的圖形數(shù)量，提高圖形的顯示效率

3、。從目前已發(fā)表的研究和應(yīng)用成果來看，在提高地形地景實時繪制方面比較有效的方法主要可歸結(jié)為數(shù)據(jù)、可見性預(yù)處理方法，基于圖像的繪制算法和細(xì)節(jié)層次（，）算法。其中，細(xì)節(jié)層次模型是一種有效控制場景復(fù)雜度的數(shù)據(jù)簡化方法。地形簡化處理框架各種地形簡化算法之間的一個主要區(qū)別在于，在進行簡化處理時，是采用“從上至下”（從粗到精）還是“由下而上”（由精到粗）的方法。采用“從上至下”的簡化算法，對簡化區(qū)域一般從兩個或四個三角形開始，然后逐漸增加新的三角形直到滿足所需的分辨率為止。相反，采用“由下而上”的簡化算法，則從最高分辨率的三角形格網(wǎng)開始，從三角形格網(wǎng)中依次刪除頂點，直至滿足所需的精度為止。對于給定的簡化精度

4、，“由下而上”的方法更容易確定所需三角形的最少數(shù)量。但是，由于該類算法開始需要裝載整個地形數(shù)據(jù)，因而需要較大的存儲內(nèi)存，且計算量也相對較大?！坝上露稀钡姆椒ㄍǔＳ迷跀?shù)據(jù)多分辨率分層構(gòu)建時的離線計算中，而在系統(tǒng)實時運行時，通常采用“從上至下”的方法，因為該類方法能夠支持快速數(shù)據(jù)裁剪等功能，。地形的簡化根據(jù)其數(shù)據(jù)模型可分為規(guī)則格網(wǎng)（：）地形的簡化和不規(guī)則三角網(wǎng)（：）地形的簡化?；谀Ｐ偷牡匦魏喕惴?，預(yù)處理和可視化的實時計算量大，對計算機硬件平臺要求也較高。規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，類似圖像的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)通常是由平面離散點通過插值得到的，一般情況下存在著數(shù)據(jù)冗余，即相鄰格網(wǎng)點高程一般地

5、理空間信息年比較接近，可以采用間隔采樣或樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式精簡地形數(shù)據(jù)。另外，規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)便于視景體裁剪和碰撞檢測。本文采用基于的數(shù)據(jù)模型。視區(qū)裁剪在三維顯示中一般采用透視投影和正交投影兩種投影模式。不管是透視投影還是正交投影，其視見體都有個裁剪面，分別是近裁剪平面、遠(yuǎn)裁剪平面、左裁剪平面、右裁剪平面、上裁剪平面、下裁剪平面。視區(qū)裁剪就是利用這個裁剪平面判斷物體和視見體之間的關(guān)系，超出視見體外的物體將會被裁剪掉而不會出現(xiàn)在最終的圖像渲染中。本文采用了一些措施和方法來優(yōu)化視區(qū)裁剪算法。）放棄對視見體的嚴(yán)格判斷。傳統(tǒng)的裁剪算法是把每個三角形與視景體的個裁剪面進行比較，判斷是否可見。當(dāng)處理的數(shù)據(jù)量很大時

6、，會消耗大量的處理時間，導(dǎo)致渲染的速度非常慢。為了加快處理速度，采用以數(shù)據(jù)塊的節(jié)點為最小單元進行裁剪，并借鑒文獻中的計算方法，放棄對視見體的嚴(yán)格判斷，不考慮視見體全部裁剪面，本文不考慮三個裁剪面，即近裁剪平面和上下裁剪平面（如圖所示）。因為地形顯示時，在視點比較低的情況下，大部分地面都在視見體上下平面的包圍范圍內(nèi)。如果視點增高，網(wǎng)格的復(fù)雜度本身就會降低，所以即使不對上下裁剪面進行判斷，要顯示的地面高程點數(shù)目也不會太多。而視見體離視點很近，也可以不考慮。然后將視見體投影到水平面上，形成投影三角形。）基于包圍球的快速視區(qū)裁剪。對于物體的裁剪，由于每個物體都是由多邊形構(gòu)成，假如它有個邊界頂點，那么對

7、其裁剪就必須計算每個頂點與個裁剪面的距離來判斷該物體在視見體內(nèi)，還是在視見體外，還是和視見體相交。這樣做很費時，在計算機圖形學(xué)中，常采用物體包圍盒的方式。包圍盒是指用一些頂點確定大小足夠的多面體來表示該物體，一般用長方體或球體來包圍該物體。利用長方體作為包圍盒，在裁剪時要判斷長方體個頂點和視見體的關(guān)系。而利用包圍球時，只要計算球體的中心和個裁剪面的距離，能減少測試的次數(shù)。再進一步考慮，如果把當(dāng)前視見體也建立其包圍球，在這種情況下，視見體裁剪測試就更加簡單有效，因為要判斷兩個球體是否相交只要進行一次測試（計算兩個球體中心之間的距離，如果小于兩個球體的半徑之和，則它們相交，否則不相交）。本文是基于

8、對地面數(shù)據(jù)分塊的方式組織地形漫游，將每個地塊作為最小顯示單元，并預(yù)先計算每個地塊的包圍球?；谒牟鏄浣Y(jié)構(gòu)的地形塊簡化地形的簡化基于以下事實：在同一地形中，只有地形復(fù)雜且離視點較近的區(qū)域才需要使用原始數(shù)據(jù)進行顯示，其他地區(qū)都可以用簡化的地形代替。這樣可以大大減少表示地形的三角形數(shù)目，以提高顯示效率，同時不影響顯示效果。規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，可以采用間隔采樣或樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式精簡地形數(shù)據(jù)。在用樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式對規(guī)則地形進行簡化時，通常使用二叉樹和四叉樹兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中四叉樹層次結(jié)構(gòu)模型的運用更為廣泛。首先四叉樹與地理信息在坐標(biāo)系統(tǒng)方面有天然的統(tǒng)一。第二，四叉樹結(jié)構(gòu)非常便于把紋理鑲嵌技術(shù)集成進地形可視

9、化系統(tǒng)中來。第三，采用四叉樹結(jié)構(gòu)，能夠降低選擇地形表示的時間，加速地形簡化算法。鑒于四叉樹組織方式的靈活性，通過四叉樹結(jié)構(gòu)來管理地形幾何數(shù)據(jù)（如圖所示）。樹中的每一個節(jié)點都覆蓋地形中一矩形區(qū)域，根結(jié)點覆蓋整個地形塊區(qū)域，子節(jié)點所覆蓋的地形區(qū)域為父節(jié)點的四分之一，分辨率比父節(jié)點的分辨率高一倍。在樹中位于上層的節(jié)點采樣點少，繪制代價少，誤差大；下層節(jié)點采樣點的多，繪制速率下降，誤差小。我們采用視相關(guān)的簡化方法依據(jù)視點的位置和方向合理地選擇多分辨率的地形表示，視點周圍的地形用高細(xì)節(jié)的層次表示，遠(yuǎn)離視點的區(qū)域用較粗糙的細(xì)節(jié)表示，提高繪制速率，使用戶可交互瀏覽地形。在四叉樹的節(jié)點之間，由于細(xì)節(jié)層次不同，

10、在顯示時會出現(xiàn)空洞，如圖（）所示。作者采用垂直邊緣法（）來避免這種問題，其主要思想是在各節(jié)點邊界周圍生成垂直邊緣以填充裂縫，如圖（）所示，垂直邊緣的頂部為該節(jié)點的邊界值連成的折線，其底部為節(jié)點塊最高分辨率模型時在該邊界處的最小值，這樣可以確保在該邊界的所有邊界格網(wǎng)點圖視錐裁減示意圖圖一種有效的四叉樹分割靳海亮等：大規(guī)模三維地形實時漫游關(guān)鍵技術(shù)研究第卷第期肯定在該底部之上。垂直邊緣比較容易構(gòu)建，其紋理可直接采用節(jié)點的紋理，這樣就可以有效地避免裂縫的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)分塊和調(diào)度策略小規(guī)模地形在地形漫游程序中可以作為一塊來處理，當(dāng)?shù)匦我?guī)模增大時，這種做法就不太合適了，需要分塊處理。對大規(guī)模地形進行分塊有利于

11、地形數(shù)據(jù)的讀取、紋理的處理和并行繪制。現(xiàn)有的地形算法在處理大規(guī)模地形時也都采用了分塊的方法，。分塊的大小對于最后的繪制速度有很大影響。分塊越大，掃描就越粗糙，包括的頂點也就越多，簡化時需要的迭代次數(shù)也越多；反之，分塊越小，掃描越精細(xì)，得到的裁剪后的頂點也就越接近于在視見體內(nèi)的實際頂點數(shù)。但是，對塊裁剪計算量大，數(shù)據(jù)塊太瑣碎，不利于數(shù)據(jù)組織和管理。由于要繪制頂點的數(shù)目和數(shù)據(jù)塊裁剪計算、加載時間直接影響實時漫游效果，所以選擇適當(dāng)?shù)姆謮K大小就是要取一個折中的解決方案，使得既能利用掃描裁剪的高效率，又能獲得一個相對最少的頂點數(shù)。根據(jù)實驗，塊邊長在之間的效果比較好。地形數(shù)據(jù)經(jīng)過分塊后，使視點始終位于場景

12、的中心位置附近，隨著視點的移動，只需將視點附近區(qū)域的數(shù)據(jù)塊駐入內(nèi)存，動態(tài)地調(diào)度數(shù)據(jù)和釋放數(shù)據(jù)。設(shè)視點位置為，到遠(yuǎn)裁剪面的距離為，如圖，首先根據(jù)初始視點的位置調(diào)入與以為中心、為半徑的圓形區(qū)域相交的數(shù)據(jù)塊；當(dāng)視點移動時，利用數(shù)據(jù)塊自身的線程預(yù)讀滿足上述條件的數(shù)據(jù)塊，同時刪除已經(jīng)不滿足這一條件的數(shù)據(jù)塊。當(dāng)數(shù)據(jù)塊離視點較遠(yuǎn)時，整個數(shù)據(jù)塊可以用最粗略的層次，即用四叉樹的根節(jié)點來顯示，當(dāng)視點逐漸靠近時，數(shù)據(jù)塊的誤差超過了指定閾值，則將根節(jié)點分割為個子節(jié)點來顯示，即調(diào)入個子節(jié)點的數(shù)據(jù)，同時從內(nèi)存中清除父節(jié)點的數(shù)據(jù)。對各子節(jié)點遞歸調(diào)用此過程，直至所有節(jié)點的誤差在限定的誤差范圍內(nèi)。視點遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)塊的過程與此相反。

13、當(dāng)數(shù)據(jù)塊的部分節(jié)點移出視景體范圍后，只顯示與視景體相交或完全位于范圍內(nèi)的子節(jié)點，視景體外的節(jié)點由于被裁剪掉而不必顯示；當(dāng)整個數(shù)據(jù)塊移出視景體范圍后，從內(nèi)存中清除該塊數(shù)據(jù)。應(yīng)用實例基于以上原理，本文利用某地區(qū)的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)進行了實驗，其格網(wǎng)大小為×，采樣點之間的間隔為，原始的數(shù)據(jù)文件為。將其劃分為×塊，邊長為的正方形塊。實驗環(huán)境為：，內(nèi)存，顯卡為，顯存；操作系統(tǒng)為，開發(fā)平臺為，三維圖形標(biāo)準(zhǔn)為，屏幕分辨率為×。本實驗在機平臺上實現(xiàn)了一個地形漫游的原型系統(tǒng)。三維漫游的效果如圖所示，塊邊界及塊內(nèi)各子節(jié)點間接縫效果良好，畫面平滑流暢。平均顯示速度為。實驗結(jié)果表明，基于以上原

14、理，能夠使用戶達到對大規(guī)模地形的實時交互操作。根據(jù)基于包圍球的視區(qū)裁剪得到的數(shù)據(jù)塊準(zhǔn)確、快速。構(gòu)網(wǎng)效率高，結(jié)構(gòu)正確，并且消除了模型的裂縫。結(jié)語本文利用思想，通過地形分塊、裁剪算法優(yōu)化、基于數(shù)據(jù)分塊等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了大規(guī)模三維地形的實時漫游，在虛擬場景和漫游時不受數(shù)據(jù)總量的限制，同時在圖像渲染質(zhì)量、渲染速度等方面達到了令人滿意的效果。實驗結(jié)果表明，可以在微機平臺上實現(xiàn)大規(guī)模三維地形的快速漫游，完全能夠滿足用戶對三維大規(guī)模地形的實時漫游的要求。參考文獻，填充裂縫圖垂直邊緣法填充不同層次相鄰節(jié)點之間的裂縫圖視點變化時數(shù)據(jù)的動態(tài)圖地形漫游實驗效果圖：，：，：，許妙忠，李德仁地形可視化中快速視區(qū)裁剪算法

15、研究武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），（）：趙友兵，石教英，周驥一種大規(guī)模地形的快速漫游算法計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)報，（）：金寶軒，邊馥苓大規(guī)模地形漫游中的實時算法研究地理與地理信息科學(xué)，（）：，馬照亭，潘懋，胡金星，等一種基于數(shù)據(jù)分塊的海量地形快速漫游方法北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），（）：戴晨光，張永生，鄧雪清一種用于實時可視化的海量地形數(shù)據(jù)組織與管理方法系統(tǒng)仿真學(xué)報，（）：，王宏武，董士海一個與觀點相關(guān)的動態(tài)多分辨率地形模型計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，（）：作者簡介：靳海亮，副教授，博士生，主要從事與數(shù)字城市、地形三維可視化、測繪工程方面的工程實踐、教學(xué)與研究工作。收稿日期：，年月第卷第期中圖分

16、類號：文獻標(biāo)識碼：文章編號：（）地理空間信息面向的道路規(guī)劃成果信息化管理的實現(xiàn)陳明輝，王文杰（東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，廣東東莞）摘要：通過介紹東莞市規(guī)劃道路數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建實例，分析了道路規(guī)劃成果信息化管理模式，探討了面向的道路規(guī)劃成果信息化管理實現(xiàn)及應(yīng)用關(guān)鍵詞：規(guī)劃道路；信息化管理；，（，）：，：；由于計算機及信息技術(shù)的普及應(yīng)用，信息化水平得到不斷提高。在一個高度信息化的社會里，城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施起到十分重要的作用?？梢哉f，若沒有空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，“數(shù)字城市”將是無源之水。東莞作為一個日新月異的現(xiàn)代化城市，其空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也成幾何式增長，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式已越來越不能滿足城市規(guī)劃、建設(shè)和發(fā)展的需要。城市空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息化管理是突破傳統(tǒng)管理的新模式，漸漸受到各城市的重視，國內(nèi)大城市和一些發(fā)達城市都積極開展城市空間數(shù)據(jù)建庫和管理工作，但是由于城市空間數(shù)據(jù)量龐大，內(nèi)容豐富，形式多樣，完全實現(xiàn)信息化管理仍是一項艱巨的任務(wù)。因此，首當(dāng)其沖的應(yīng)該是基礎(chǔ)空間信息的收集、整理、轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。由于城市特有的道路密集的特征，道路自然最能夠反映一個城市的空間布局