三維電子地圖實用課件

1、課程主要內(nèi)容第一章電子地圖概述第二章電子地圖的數(shù)據(jù)模型第三章電子地圖集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織第四章電子地圖的可視化表達第五章電子地圖的軟件系統(tǒng)第六章網(wǎng)絡電子地圖第七章三維電子地圖第八章嵌入式電子地圖1第1頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢2第2頁，共92頁。7.1 三維電子地圖概述 近幾年來，隨著計算機技術(shù)，特別是計算機圖形學、網(wǎng)絡、多媒體、虛

2、擬現(xiàn)實（VR）、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，電子地圖正在向多媒體、網(wǎng)絡、三維和時態(tài)等方向發(fā)展。隨之，出現(xiàn)了多媒體電子地圖、網(wǎng)絡電子地圖、三維電子地圖和時態(tài)電子地圖，其中基于三維虛擬場景的三維電子地圖是電子地圖發(fā)展的一個重要方向，也是人們認識和表達空間地理信息的有力工具。 3第3頁，共92頁。目前迅速發(fā)展起來的的三維可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被廣泛地用于進行各種三維數(shù)據(jù)的可視化，例如地景仿真、城市景觀重建等等，同時也為傳統(tǒng)地圖學帶來一次新的技術(shù)革命。 三維電子地圖是基于地圖學的，因此它的研究重點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圖符號化。 現(xiàn)代地圖學理論

3、仍是三維電子地圖的理論基礎，而電子地圖的研究為之提供了有力的技術(shù)支持，同時已廣泛建立的地圖數(shù)據(jù)庫又提供了豐富的數(shù)據(jù)來源，因此三維電子地圖必將成為地圖應用的新領域，其研究與開發(fā)也將受到極大的關(guān)注。 4第4頁，共92頁。三維地圖模型三維地形圖 三維電子地圖5第5頁，共92頁。三維地圖模型 三維地圖模型可以被定義為對現(xiàn)實世界或其中的一部分的一個或多個方面的三維、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它專題要素。 6第6頁，共92頁。三維地形圖 We define a topographic 3D-map as a cartographic representation of a

4、landscape section in a perspective view，combined with topographic information that is defined in a legend. 7第7頁，共92頁。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，它強調(diào)的是三維空間的符號化。8第8頁，共92頁。從幾何模型的角度 點狀目標 線狀目標 面狀目標 體狀目標 從地理要素的角度 三維地形 三維模型 三維地物9第9頁，共92頁。點狀目標 點狀目標是一個零維空間目標,可以用來表示三維空間中的點狀地物,如水井、樹或電線桿、交通標志,路燈等。它只有空間位置而無空間擴展

5、。所有的點狀實體均包含了三維空間實體的位置信息,即x、y、z坐標。10第10頁，共92頁。線狀目標 線狀目標是一個一維空間目標,可以用來表示三維空間中的線狀地物,如鐵路、公路、橋梁、河道、輸電線路及其它管線等。它只能用長度來作為其空間度量。線狀實體可以是一個封閉曲線,也可以是具有多個分支的曲線。 11第11頁，共92頁。面狀目標 面狀目標是一個二維空間目標,可以用來表示三維空間中的面狀地物,如部分道路，水域,植被的覆蓋區(qū)域等。它可以用面積和周長來作為其空間度量,任意一個面狀實體均可以剖分成有限多個面（三角面）。12第12頁，共92頁。體狀目標 體狀目標是一個三維空間目標,可以用來表示三維空間中

6、的體狀體物,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。任意一個體狀實體均可以剖分成有限多個沿著其邊界進行粘合的面（三角面）。13第13頁，共92頁。1、具備傳統(tǒng)地圖的三個基本特性： 可量測性：有嚴格的數(shù)學基礎 直觀性 ：實施制圖綜合 一覽性 ：使用地圖語言14第14頁，共92頁。2、特點：易于實現(xiàn)多技術(shù)、多數(shù)據(jù)源的融合更逼真地表現(xiàn)地理世界更好的交互手段直觀的地形信息檢索的分析功能更好的可視化效果15第15頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.

7、5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢16第16頁，共92頁。7. 2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 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)實世界中空間實體及實體間的相互聯(lián)系。對三維空間數(shù)據(jù)模型的認識和研究在很大程度上決定著三維系統(tǒng)的發(fā)展和應用的成敗。很多學者為此進行了大量的探索和研究工作，然而，由于三維空間數(shù)據(jù)的龐大和復雜多樣，至今人們對三維數(shù)據(jù)模型問題還遠遠沒有達到共識。17第17頁，共92頁。 根據(jù)對現(xiàn)實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

8、(Tessellating model )基于矢量的數(shù)據(jù)模型(Vector model )混合型數(shù)據(jù)模型(Hybrid model )分析型數(shù)據(jù)模型(Analytical model ) 。 18第18頁，共92頁。19第19頁，共92頁。1.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(spatial occupancy enumeration)、四面體格網(wǎng)模型等幾大類。 20第20頁，共92頁。2.基于矢量的數(shù)據(jù)模型 目前常見的基

9、于矢量的數(shù)據(jù)模型主要有線框表示法(wire frame representation,WFR) )和邊界表示法(boundary representation,BR)兩種 。21第21頁，共92頁。3分析型數(shù)據(jù)模型 分析型數(shù)據(jù)模型采用函數(shù)方程如非均勻有理樣條(NURBS)函數(shù)等來表示構(gòu)成三維空間實體及其邊界的曲線、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某些空間實體,所需存貯量小,運算速度快,并可以保證空間唯一性和幾何不變性,但由于三維目標的形態(tài)較二維更復雜,它們難于用統(tǒng)一的數(shù)學方程來表達。22第22頁，共92頁。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)模型是將兩種

10、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。它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(constructive solid geometry, 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S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。 23第23頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形

11、建模技術(shù)7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢24第24頁，共92頁。7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取1、地形數(shù)據(jù)（DEM）根據(jù)地形圖上等高線及高程數(shù)據(jù)生成;直接使用地圖數(shù)據(jù)庫中的DEM數(shù)據(jù);通過處理航攝影像生成;由機載激光掃描儀直接掃描并經(jīng)后續(xù)處理得到;用SAR/INSAR(干涉合成孔徑雷達)獲取等。25第25頁，共92頁。2、建筑物的高度數(shù)據(jù)在二維地圖數(shù)據(jù)庫基礎上按層數(shù)粗略求算建筑物高度；用人工或半自動的方式借助軟件基于影像獲取(以建筑物屋頂數(shù)據(jù)為主)；以研究算法為主，從影像中直接提取建筑物高度以及

12、其它信息；用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像、經(jīng)過算法處理提取建筑物高程，用激光副距掃描儀結(jié)合CCD相機從地面獲取建筑物高度等；由混合測量系統(tǒng)獲取;由干涉合成孔徑雷達（INSAR）獲取26第26頁，共92頁。83.一個人必須經(jīng)過一番刻苦奮斗，才會有所成就。安徒生64.攀登者智慧和汗水，構(gòu)思著一首信念和意志的長詩。8.青年的形象應該是純潔、熱情、有正確批評能力的。池田大作22.在安詳靜謐的大自然里，確實還有些使人煩惱、懷疑、感到壓迫的事。請你看看蔚藍的天空和閃爍的星星吧!你的心將會平靜下來。約翰納森愛德瓦茲90.才華是血汗的結(jié)晶。才華是刀刃，辛苦是磨刀石。30.能夠使我飄浮于人生的泥沼中而不致陷污的，

13、是我的信心。但丁66.為明天做準備的最好方法就是集中你所有智慧，所有的熱忱，把今天的工作做得盡善盡美，這就是你能應付未來的唯一方法。35.努力到無能為力，拼搏到感動自己。40.不要因為希望去堅持，要堅持的看到希望。71.不幸可能成為通向幸福的橋梁。日本諺語69.成功屬于準備好的人。89.沒死，就不要把自己當廢物。3.流水在碰到底處時才會釋放活力。歌德3、建筑物的幾何要素數(shù)據(jù)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)據(jù);將數(shù)字地圖中的建筑物輪廓線與其高度(由層數(shù)計算或其它方式得到)結(jié)合,用簡單幾何體表達建筑物外形特征;使用航空影像進行交互獲取;使用航空影像以及地面攝影對建筑物特征線進行自動

14、提取;在地面使用激光掃描儀與GPS,通過測距求算獲取;使用高分辨率衛(wèi)星影像進行建筑物的自動提取;由混合測量系統(tǒng)獲取;由移動測繪系統(tǒng)獲取等 27第27頁，共92頁。4、建筑物及地面的紋理數(shù)據(jù)由計算機生成;根據(jù)航空攝影像片獲取;根據(jù)衛(wèi)星遙感像片獲取;根據(jù)地面攝影像片直接獲取;用機載激光掃描儀結(jié)合空中影像,經(jīng)過算法處理提取建筑物頂部紋理;用激光測距掃描儀結(jié)合相機從地面獲取建筑物立面紋理;由移動測繪系統(tǒng)獲取等。 28第28頁，共92頁。5、其它矢量數(shù)據(jù)規(guī)劃設計圖紙、地形圖、地籍圖等;現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)庫;野外調(diào)查與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的結(jié)合;計算機簡單模擬繪制等 6、屬性數(shù)據(jù)的獲取 屬性數(shù)據(jù)主要用來進行空間查詢,其數(shù)

15、據(jù)類型主要有:用來描述建筑物實體的屬性數(shù)據(jù),如建筑物名稱、社會性質(zhì)、建筑位置等;用來描述地形、地物特征的屬性數(shù)據(jù),如道路長度、道路名稱等。其它多媒體數(shù)據(jù)為使用戶在3維場景中具有身臨其境的感覺,還必須有一系列多媒體數(shù)據(jù),這里主要指聲音文件,一般可以通過現(xiàn)場錄制的方式獲取。29第29頁，共92頁。7、在3DCM中為了增強真實感,人們還需要考慮以下數(shù)據(jù)的獲取:植被、大型樹木等的相關(guān)數(shù)據(jù),需要結(jié)合野外調(diào)查與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫獲取或由計算機做簡單的模擬繪制,或直接從航空影像中提取;各種景觀中必要的修飾對象數(shù)據(jù),需要通過野外調(diào)查或人為確定,如雕塑、大型裝飾物、云霧參數(shù)等。另外,由于以下數(shù)據(jù)的獲取及表達存在著相當?shù)?/p>

16、困難,所以目前的研究工作尚未涉及或很少考慮,但這些對象往往非常重要,也是人們十分關(guān)注的,在3DCM中如何較好地表達這些對象是值得人們深入研究的問題:道路以及橋梁、過街天橋、人行地道;各種大型工業(yè)設施;各種復雜建構(gòu)筑物,如露天體育館、大型雕塑、電視塔等 30第30頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢31第31頁，共92頁。7.4 三維電子地圖的地

17、形建模技術(shù)1、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，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。DTM的核心是地形表面特征點的三維坐標數(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x, y位置及其相聯(lián)系的高程z所組成，用數(shù)學函數(shù)是的表達是： z = f(x,y) x,yDTM所在的區(qū)域 32第32頁，共92頁。 在一般情況下，地面特性是高程Z，它的空間分布由x、y水平坐標系統(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 E

18、levation Mode，簡稱DEM)。 其它地面特性可以是地價、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可以是每三個坐標值為一組元的散點結(jié)構(gòu)，也可以是由多項式或富里葉級數(shù)確定的曲面方程。 33第33頁，共92頁。2、DEM的表示方法 數(shù)學方法 用數(shù)學方法來表達，可以采用整體擬合法，即根據(jù)區(qū)域所有的高程點數(shù)據(jù)，用傅立葉級數(shù)和高次多項式方法擬合統(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)域進行分塊搜索，根據(jù)有限個點進行擬合形成高程曲面。34第34頁，共92頁。圖形方法 -線模式 等高線是表示地形最常見的形式。

19、其他的地形特征也是表達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。 -點模式 用離散采樣數(shù)據(jù)點建立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 。 在實際應用中，DEM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。 35第35頁，共92頁。3、DTM的空間內(nèi)插方法 DTM內(nèi)插按插點分布范圍，可分為分塊內(nèi)插、剖分內(nèi)插和單點移面內(nèi)插三類。（1）內(nèi)插方法分類 -分塊內(nèi)插 -剖分內(nèi)插 -單點移面內(nèi)插 36第36頁，

20、共92頁。（2）空間內(nèi)插方法37第37頁，共92頁。4、格網(wǎng)DEM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，每個格網(wǎng)單元對應一個數(shù)值。數(shù)學上可以表示為一個矩陣，在計算機實現(xiàn)中則是一個二維數(shù)組。每個格網(wǎng)單元或數(shù)組的一個元素對應一個高程值。 規(guī)則格網(wǎng)的高程矩陣，可以很容易地用計算機進行處理，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算等高線、坡度坡向、山坡陰影和自動提取流域地形，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。 38第38頁，共92頁?；诘匦跃€的DEM向矩陣

21、網(wǎng)格轉(zhuǎn)換1、地性線數(shù)據(jù)的矢/柵變換地性線支撐點的柵格化；沿地性線作高程加密。2、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 尋找最大坡度剖面 高程插值建立DEM（線性插值/非線性插值）基于數(shù)字化等高線的DEM向矩陣網(wǎng)格轉(zhuǎn)換等高線的全路徑柵格化 DEM加密 谷地地段與山脊地段的高程插值 基于中軸線的DEM生成 39第39頁，共92頁。規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)DEM的缺點在地形簡單、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)；對于某些特殊計算如視線計算時，格網(wǎng)的軸線方向被夸大；由于柵格過于粗略，不能精確表達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

22、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。40第40頁，共92頁。4、不則三角網(wǎng)TIN及其建立方法 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1978年設計的一個系統(tǒng)，它是由不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)點構(gòu)造出鄰接的三角形（三角面）而組成的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡，區(qū)域內(nèi)任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)。如果點不在頂點上，該點的高程值通常通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個頂點的高程，在三角形內(nèi)則用

23、三個頂點的高程）。所以TIN是一個三維空間的分段線性模型，在整個區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。 41第41頁，共92頁。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)則分布的測點或節(jié)點的位置和密度。TIN表示法利用所有采樣點取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(各三角形的頂點)連接成相互連續(xù)的三角面(在連接時，盡可能地確保每個三角形都是銳角三角形或是三邊的長度近似相等)。 TIN是不規(guī)則格網(wǎng)中最簡單的形態(tài)，在等高線追蹤、三維顯示及其他方面也是最常用、最簡單的結(jié)構(gòu)。42第42頁，共92頁。43第43頁，共92頁?；赥IN建立的DEM的特點：TIN能隨地形起伏變化的復雜性而

24、靈活地改變采樣點的密度和確定離散采樣點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；能按地形特征點和線，如山脊線、溝谷線、地形變換線和其它能按精度要求進行數(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；有足夠離散點的情況下效果較好。44第44頁，共92頁。5、格網(wǎng)DEM與TIN DEM的相互轉(zhuǎn)換 格網(wǎng)DEM轉(zhuǎn)成TIN 保留重要點法（VIP, Very Important Point）啟發(fā)丟棄法（DH, Drop Heuristic） TIN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)點生成規(guī)則格

25、網(wǎng)DEM將規(guī)則格網(wǎng)覆蓋在TIN上，計算每個格網(wǎng)點落在哪個TIN三角形內(nèi)（面），根據(jù)該三角面格頂點的高程進行線性內(nèi)插，得到格網(wǎng)點的高程。45第45頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢46第46頁，共92頁。7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù) 三維地圖的符號化問題是三維電子地圖研究的主要內(nèi)容。在地圖學領域已經(jīng)定義了許多二維地圖符號的準則，但這些準則

26、不能適用于三維地圖符號。三維符號化問題是相當復雜的，迄今為止還沒有系統(tǒng)的、完整的理論研究成果。它的主要任務是基于原始數(shù)據(jù)庫建立三維地圖模型。根據(jù)三維地圖的邏輯組織，三維地圖模型是由基于數(shù)字表述的地形模型（DEM）和基于DEM的其它專題地理要素的三維模型組成的。47第47頁，共92頁。一、國內(nèi)外三維建筑物研究狀況 1、 數(shù)字攝影測量學 數(shù)字攝影測量學科中,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:從城市影像中自動提取建筑物,典型研究如檢測2維建筑物和

27、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、直接對建筑物或表面進行建模、基于知識的系統(tǒng),以及通過影像測量并結(jié)合物體的幾何知識構(gòu)模出多面體對象模型的方法等。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數(shù)據(jù)。利用3維深度傳感器、多CCD相機和彩色高分辨率數(shù)字相機獲取的數(shù)據(jù)實現(xiàn)建筑物建模。利用虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)實現(xiàn)3維數(shù)據(jù)的可視化。其他方法如人機交互下的半自動3維建筑物建模等。48第48頁，共92頁。2、計算機視覺和計算機圖形學 在計算機視覺和計算機圖形學中,主要研究既包括3維物體的建模和顯示,即從外向內(nèi)看的3維建模,又包括3維真實場景的建模和顯示,即從內(nèi)向外看的3維建

28、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)?；谀Ｐ偷睦L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際環(huán)境中直接獲取。 孫敏，陳軍：基于幾何元素的三維景觀實體建模研究，提出三維城市模型(Three Dimensional City Model,3DCM)的概念，較精確地表達了3DCM中各類目標及其空間關(guān)系?；趫D像的繪制方法是通過一個來自多視點的原始的或合成的圖片庫來產(chǎn)生任意視點的新的虛擬圖片。盡管對于復雜環(huán)境建模IBR技術(shù)優(yōu)于MBR技術(shù),但它能實際處理的3維對象范圍較小,對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,城市建筑

29、物3維數(shù)據(jù)的自動獲取是研究重點,尤其是城市密集區(qū)域3維數(shù)據(jù)的全自動獲取。49第49頁，共92頁。二、三維地物的幾何建模技術(shù)1、居民地的3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處可能不同，應想辦法使之統(tǒng)一。50第50頁，共92頁。51第51頁，共92頁。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現(xiàn)，保證其法向

30、量向上。 52第52頁，共92頁。3、道路要素的建模 一般在地圖數(shù)據(jù)庫中道路是一中心線給出的。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。線狀：通常為單線，將原中心線上的點進行高程值內(nèi)插得到三維曲線。53第53頁，共92頁。4、非水平面狀目標的建模 這類目標主要如植被，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現(xiàn)。 54第54頁，共92頁。5、復雜的3維目標

31、的建模 目前，對于復雜3維實體模型的構(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、縮放在空間坐標系中定位。 55第55頁，共92頁。三、三維地圖符號的設計與建模 地圖內(nèi)大量分布點狀目標，此類目標可以依照二維地圖符號庫的方法，分別建立符號模型，形成三維符號庫，共三維電子地圖調(diào)用。符號設計的一般原則值得探討，用上述方法5建模。 56第56頁，共92頁。四、地物模型（含三維符號）與地形模型的匹配 通過

32、DEM內(nèi)插高程值獲得地物基點高程或邊線上若干點的高程57第57頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢58第58頁，共92頁。7.6 三維電子地圖的場景組織三維地圖的數(shù)據(jù)模型要求支持三維模型的動態(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)構(gòu)的場景體系。在該體系中，每一個數(shù)據(jù)對象（例如一個三維目標）都體現(xiàn)為一個節(jié)點，整個場景都是由眾多有序的、

33、具有層次的節(jié)點組成的，位于最上面的稱為根節(jié)點。除根節(jié)點以外，在顯示場景圖形的過程中可以任意增加一個節(jié)點，也可以刪除一個節(jié)點，這樣就為當前場景動態(tài)地裝載或卸載另外的場景提供了極大的方便。59第59頁，共92頁。1、三維地圖模型的基本要求精煉的數(shù)據(jù)量 表現(xiàn)一個具有龐大數(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。這一點對于交互式管理地圖模型而言是非常重要的。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行數(shù)據(jù)集的幾何分析。60第60頁，共92頁。2、細節(jié)層次技術(shù)（LOD） 三維地圖內(nèi)容的表現(xiàn)要能讓用戶通過人的認知系統(tǒng)

34、進行感知，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）。 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。反之則越概略。 細節(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技術(shù)。它允許根據(jù)不同的任務要求選擇不同精度的模型。61第61頁，共92頁。3、空間分區(qū)技術(shù)目的 分區(qū)的在于對基于大區(qū)域、海量數(shù)據(jù)的地圖模型進行動態(tài)顯示時能很大程度上提高速度。 基本思路

35、 對地圖模型進行分區(qū)，將各分區(qū)中的地圖內(nèi)容定義為眾多的細節(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節(jié)層來表現(xiàn)各個分區(qū)。 在DEM的基礎上，根據(jù)地圖覆蓋的范圍和三維顯示時視線的大致角度等因素將DEM分成若干個等大的子區(qū)域，然后在此基礎上建立其它要素的三維模型，按照各要素與DEM子區(qū)域的相對位置將三維模型（目標）歸入到相應的分區(qū)內(nèi)。這樣在進行動態(tài)顯示時就可以根據(jù)視點的位置和視線角度來動態(tài)地裝載相應的分區(qū)模型。 62第62頁，共92頁。3、空間分區(qū)技術(shù) 需要特別處理毗鄰分區(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。采用的細節(jié)層次越細，過渡越自然，

36、但另一方面，存儲模型的數(shù)據(jù)量也會明顯地增加，因此必須在兩者之間達成一個平衡。63第63頁，共92頁。4、場景層次體系的建立64第64頁，共92頁。建立場景的過程中必須實現(xiàn)地圖分區(qū)之間地形、地物的光滑連續(xù)的拼接。65第65頁，共92頁。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，世界空間是根節(jié)點的坐標系統(tǒng)，各個區(qū)域場景作為子節(jié)點都可以位于其中，并能進行定位和調(diào)節(jié)大小。 可以隨時加入新的節(jié)點，也可以刪除某個節(jié)點。所有表示場景或目標的節(jié)點中所包含的信息是相當豐富的 各類信息又由不同類型的子節(jié)點來表達，每一類型的節(jié)點都有它自己的作用和功能。例如，幾何節(jié)點用來存儲地

37、理目標的幾何體數(shù)據(jù)（主要包括構(gòu)成三維目標的三角網(wǎng)及其邊界立方體），組節(jié)點可用來表達由若干幾何體形成的復雜目標，幾何變換節(jié)點用來對目標進行三維空間的平移、旋轉(zhuǎn)、比例變換等，而另外用一些節(jié)點來表達三維目標的外觀顏色、是否粘貼紋理、是否運用光或霧等?？梢詫υ摻Y(jié)構(gòu)樹進行遍歷以查詢得到所需要的節(jié)點。 從每個節(jié)點可以通過遍歷得到其父節(jié)點，也可以得到它的眾多子節(jié)點。此外，每個節(jié)點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)對于實現(xiàn)三維目標的屬性查詢是相當重要的。場景體系的組織是在三維地圖模型建立的過程中同時進行的 。66第66頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖

38、的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.5 三維電子地圖的地物建模技術(shù)7.6 三維電子地圖的場景組織7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù)7.8 三維電子地圖的應用與發(fā)展趨勢67第67頁，共92頁。7.7 三維電子地圖的可視化技術(shù) 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O

39、penGL的高度可重用性，已經(jīng)有幾十家大公司表示接受OpenGL作為標準軟件接口，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軟件實驗室等等。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)標準，能夠在Windows95/98、Windows NT、 Macos、Beos、OS/2以及Unix上應用。 OpenGL的實質(zhì)是作為圖形硬件的軟件接口，是一組三維的API函數(shù)。68第68頁，共92頁。OpenGL的主要功能1

40、，建模：不但有簡單的點線面還提供了復雜的三維物體（球、錐等）以及復雜的曲線曲面（Bezier、Nurbs等）繪制函數(shù)；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）；3，顏色模式設置：RGBA模式、ColorIndex顏色索引；4，光照和材質(zhì)設置：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；5，紋理映射：主要表達物體表面的細節(jié)；6，位圖顯示和圖像增強：圖像功能除了基本的復制和圖像象素讀寫外，還提供融合（Blending）、反走樣（Antialiasing）、霧柔

41、化（Fog）等特殊的圖像處理效果；69第69頁，共92頁。7，雙緩沖（Double Buffering）動畫：雙緩沖即前臺緩沖和后臺緩沖。后臺計算場景、產(chǎn)生畫面，前臺顯示后臺已經(jīng)計算好的畫面；8，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、外部設備等構(gòu)成實時交互的程序系統(tǒng)。在選擇模式下，則可以對物體進行命名，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計提供了程序運行的信息，這

42、些信息也可反饋給用戶，告訴用戶程序的運行狀況和監(jiān)視程序的運行進程。9,其它：利用OpenGL還能實現(xiàn)深度暗示（Depth Cue）、運動模糊（Motion Blur）等特殊效果。70第70頁，共92頁。OpenGL的基本原理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行三維實時交互。1，圖元操作和指令OpenGL能夠從多種可選擇的模式畫圖元，而且一種模式的設置一般不會影響其他模式的設置，無論發(fā)生深墨情況，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。2，圖形

43、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雜幾何物體的手段。 OpenGL提供的是怎樣畫復雜物體的機制而非描繪復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。3，執(zhí)行模式OpenGL命令的解釋模式是客戶/服務器模式的，即由客戶發(fā)布命令，命令由OpenGL服務器（解釋器）來處理，服務器可以運行在客戶在相同的或不同的計算機上，基于這一點， OpenGL是網(wǎng)絡透明的。71第71頁，共92頁。OpenGL的命令語法與狀態(tài) 基于OpenGL 標準的開發(fā)的微機應用程序必須在32位Windows平臺下，如Win

44、dows 98/NT環(huán)境，運行時所需的動態(tài)連接庫為OpenGL32.DLL、Glu32.DLL，OpenGL包含100多個庫函數(shù)，這些函數(shù)按一定的格式來命名。1，核心函數(shù)115個每個函數(shù)以gl開頭，這些函數(shù)是最基本的，可以運行在任何工作平臺上。這些函數(shù)創(chuàng)建二維和三維幾何形體，設置視點，建立視覺體，設置顏色及材質(zhì)，建立燈光、進行紋理映射，反走樣，處理融合，霧化場景等，它們可以接受不同的參數(shù)因而可派生300多個函數(shù)。2， OpenGL實用庫函數(shù)以glu開頭。共43個這些函數(shù)基于OpenGL核心函數(shù)，主要提供對輔助函數(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

45、有通用性?？梢赃\行在任何OpenGL工作平臺上。3，輔助庫函數(shù)，共31個。以aux開頭，它們是一類特殊的OpenGL函數(shù)，是幫助初學者盡快進入OpenGL編程而做簡單練習用的。因此并不能在所有平臺上運行。但Windows 98/NT支持它們。4， Windows專用庫函數(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，擴展功能，管理字體位圖等。5，Win32 API函數(shù)，共6個，用于處理像素格式及緩沖。6， OpenGL結(jié)構(gòu) 共四個。72第72頁，共92頁。OpenGL圖形操作步驟：步驟1，設置像素格式：主要包括建立OpenGL繪制風格、顏色

46、模式、顏色位數(shù)、深度位數(shù)等；步驟2，建立模型：建立三維模型；步驟3，舞臺布景：如何把景物放置在三維空間的適當位置，設置三維透視視覺體以觀察場景；步驟4，效果處理：設置物體的材質(zhì)（顏色、光學性能及紋理映射等）加入光照及光照條件；步驟5，光柵化：把景物及其顏色信息轉(zhuǎn)化為可在計算機上顯示的像素信息。73第73頁，共92頁。二、基本圖原的顯示頂點幾何坐標法向坐標顏色坐標紋理坐標線線的顏色（關(guān)閉光照）面顏色坐標法向坐標74第74頁，共92頁。75第75頁，共92頁。三、紋理疊加技術(shù)四、霧化技術(shù)象素（R、G、B）疊加深度技術(shù)五、動態(tài)顯示技術(shù)非實時：視頻實時 Real timeLOD（Lever-of-detai）細節(jié)層次DOL（Dynamic Object Loading）目標動態(tài)裝載Culling 場景圖形剔除實例/顯示列表技術(shù)76第76頁，共92頁。第7章 三維電子地圖7.1 三維電子地圖概述7.2 三維電子地圖的空間數(shù)據(jù)模型 7.3 三維電子地圖的數(shù)據(jù)獲取7.4 三維電子地圖的地形建模技術(shù)7.5