大規(guī)模三維地形實(shí)時(shí)漫游關(guān)鍵技術(shù)研究

1、收稿日期：項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（）；徐州師范大學(xué)科學(xué)基金資助項(xiàng)目（）。，年月第卷第期中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）地理空間信息大規(guī)模三維地形實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)可視化在、虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、仿真等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對大規(guī)模地形數(shù)據(jù)的快速漫游的方法。實(shí)驗(yàn)

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(shí)時(shí)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(jià)獲取已成為可能。如何針對海量地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維快速漫游，成為相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)研究難點(diǎn)。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(shí)際的需求。它需要從軟件實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)主要區(qū)別在于，在進(jìn)行簡化處理時(shí)，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(gè)或四個(gè)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(diǎn)，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(gè)地形數(shù)據(jù)，因而需要較大的存儲內(nèi)存，且計(jì)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(shí)的離線計(jì)算中，而在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，通常采用“從上至下”的方法，因?yàn)樵擃惙椒軌蛑С挚焖贁?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(shí)時(shí)計(jì)算量大，對計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)三角形與視景體的個(gè)裁剪面進(jìn)行比較，判斷是否可見。當(dāng)處理的數(shù)據(jù)量很大時(shí)

6、，會消耗大量的處理時(shí)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(diǎn)為最小單元進(jìn)行裁剪，并借鑒文獻(xiàn)中的計(jì)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(gè)裁剪面，即近裁剪平面和上下裁剪平面（如圖所示）。因?yàn)榈匦物@示時(shí)，在視點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行判斷，要顯示的地面高程點(diǎn)數(shù)目也不會太多。而視見體離視點(diǎn)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(gè)物體都是由多邊形構(gòu)成，假如它有個(gè)邊界頂點(diǎn)，那么對

7、其裁剪就必須計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)與個(gè)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(fèi)時(shí)，在計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(shí)要判斷長方體個(gè)頂點(diǎn)和視見體的關(guān)系。而利用包圍球時(shí)，只要計(jì)算球體的中心和個(gè)裁剪面的距離，能減少測試的次數(shù)。再進(jìn)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?yàn)橐袛鄡蓚€(gè)球體是否相交只要進(jìn)行一次測試（計(jì)算兩個(gè)球體中心之間的距離，如果小于兩個(gè)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(gè)地塊作為最小顯示單元，并預(yù)先計(jì)算每個(gè)地塊的包圍球。基于四叉樹結(jié)構(gòu)的地形塊簡化地形的簡化基于以下事實(shí)：在同一地形中，只有地形復(fù)雜且離視點(diǎn)較近的區(qū)域才需要使用原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(jìn)行簡化時(shí)，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(yùn)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(jìn)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)都覆蓋地形中一矩形區(qū)域，根結(jié)點(diǎn)覆蓋整個(gè)地形塊區(qū)域，子節(jié)點(diǎn)所覆蓋的地形區(qū)域?yàn)楦腹?jié)點(diǎn)的四分之一，分辨率比父節(jié)點(diǎn)的分辨率高一倍。在樹中位于上層的節(jié)點(diǎn)采樣點(diǎn)少，繪制代價(jià)少，誤差大；下層節(jié)點(diǎn)采樣點(diǎn)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(diǎn)的位置和方向合理地選擇多分辨率的地形表示，視點(diǎn)周圍的地形用高細(xì)節(jié)的層次表示，遠(yuǎn)離視點(diǎn)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(diǎn)之間，由于細(xì)節(jié)層次不同，

10、在顯示時(shí)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(diǎn)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(diǎn)的邊界值連成的折線，其底部為節(jié)點(diǎn)塊最高分辨率模型時(shí)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(diǎn)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(shí)時(shí)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(diǎn)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(shí)，這種做法就不太合適了，需要分塊處理。對大規(guī)模地形進(jìn)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(shí)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(diǎn)也就越多，簡化時(shí)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(diǎn)也就越接近于在視見體內(nèi)的實(shí)際頂點(diǎn)數(shù)。但是，對塊裁剪計(jì)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(diǎn)的數(shù)目和數(shù)據(jù)塊裁剪計(jì)算、加載時(shí)間直接影響實(shí)時(shí)漫游效果，所以選擇適當(dāng)?shù)姆謮K大小就是要取一個(gè)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(gè)相對最少的頂點(diǎn)數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)始終位于場景

12、的中心位置附近，隨著視點(diǎn)的移動(dòng)，只需將視點(diǎn)附近區(qū)域的數(shù)據(jù)塊駐入內(nèi)存，動(dòng)態(tài)地調(diào)度數(shù)據(jù)和釋放數(shù)據(jù)。設(shè)視點(diǎn)位置為，到遠(yuǎn)裁剪面的距離為，如圖，首先根據(jù)初始視點(diǎn)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(diǎn)移動(dòng)時(shí)，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(shí)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(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，整個(gè)數(shù)據(jù)塊可以用最粗略的層次，即用四叉樹的根節(jié)點(diǎn)來顯示，當(dāng)視點(diǎn)逐漸靠近時(shí)，數(shù)據(jù)塊的誤差超過了指定閾值，則將根節(jié)點(diǎn)分割為個(gè)子節(jié)點(diǎn)來顯示，即調(diào)入個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)從內(nèi)存中清除父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。對各子節(jié)點(diǎn)遞歸調(diào)用此過程，直至所有節(jié)點(diǎn)的誤差在限定的誤差范圍內(nèi)。視點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，視景體外的節(jié)點(diǎn)由于被裁剪掉而不必顯示；當(dāng)整個(gè)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(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其格網(wǎng)大小為×，采樣點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在機(jī)平臺上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(diǎn)間接縫效果良好，畫面平滑流暢。平均顯示速度為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于以上原

14、理，能夠使用戶達(dá)到對大規(guī)模地形的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了大規(guī)模三維地形的實(shí)時(shí)漫游，在虛擬場景和漫游時(shí)不受數(shù)據(jù)總量的限制，同時(shí)在圖像渲染質(zhì)量、渲染速度等方面達(dá)到了令人滿意的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以在微機(jī)平臺上實(shí)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(shí)時(shí)漫游的要求。參考文獻(xiàn)，填充裂縫圖垂直邊緣法填充不同層次相鄰節(jié)點(diǎn)之間的裂縫圖視點(diǎn)變化時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖地形漫游實(shí)驗(yàn)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(bào)（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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)報(bào)，（）：金寶軒，邊馥苓大規(guī)模地形漫游中的實(shí)時(shí)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(bào)（自然科學(xué)版），（）：戴晨光，張永生，鄧雪清一種用于實(shí)時(shí)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(bào)，（）：，王宏武，董士海一個(gè)與觀點(diǎn)相關(guān)的動(dòng)態(tài)多分辨率地形模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，（）：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(shí)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(xiàn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)及應(yīng)用關(guān)鍵詞：規(guī)劃道路；信息化管理；，（，）：，：；由于計(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)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(shí)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(dá)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(shí)現(xiàn)信息化管理仍是一項(xiàng)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(gè)城市的空間布局