本文摘要：隨著時(shí)代的推進(jìn)，地形三維可視化技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用，并在地理信息對(duì)于全方位服務(wù)社會(huì)，包括地形三維流域分析、高程剖面詮釋、三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)建模等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域更加快捷、方便的處理三維數(shù)據(jù)信息與屬性信息，并能夠更加精確、全面的應(yīng)用于城市規(guī)劃
隨著時(shí)代的推進(jìn)，地形三維可視化技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用，并在地理信息對(duì)于全方位服務(wù)社會(huì)，包括地形三維流域分析、高程剖面詮釋、三維場(chǎng)景動(dòng)態(tài)建模等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域更加快捷、方便的處理三維數(shù)據(jù)信息與屬性信息，并能夠更加精確、全面的應(yīng)用于城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、檢測(cè)交通、災(zāi)害與文化處理等方面。同時(shí)，三維可視化技術(shù)中需要完善的相關(guān)技術(shù)問題也會(huì)得到進(jìn)一步處理并解決。
《地理空間信息》以促進(jìn)科學(xué)技術(shù)交流、繁榮測(cè)繪學(xué)事業(yè)、服務(wù)測(cè)繪工作為宗旨，遵循規(guī)范辦刊、特色辦刊的理念，豎立確�？镔|(zhì)量，走服務(wù)、創(chuàng)新道路的思想。作者、讀者群來自國(guó)內(nèi)外測(cè)繪業(yè)、地理信息產(chǎn)業(yè)、地圖科學(xué)等院校、科研單位、測(cè)繪公司等生產(chǎn)一線單位之中。在由湖北省新聞出版局、湖北期刊協(xié)會(huì)組織的湖北省優(yōu)秀期刊評(píng)選活動(dòng)中，連續(xù)被評(píng)為第五屆、第六屆、第七屆、第八屆“湖北省優(yōu)秀期刊”。2012年《地理空間信息》雜志被中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)評(píng)為“全國(guó)優(yōu)秀測(cè)繪期刊”。2010年、2012年連續(xù)被收錄為中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊(中國(guó)科技核心期刊)。2012年被湖北省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)評(píng)為“‘科技創(chuàng)新源泉工程’優(yōu)秀科技期刊獎(jiǎng)”。
摘 要：地理信息可視化在研究地學(xué)信息和地理信息中起著重要的作用，二維平面地理信息使得空間地物可以轉(zhuǎn)換為平面柵格圖像和矢量地圖，進(jìn)而使相關(guān)分析研究得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化處理，而三維地形模擬的實(shí)現(xiàn)又使地理研究變得更為快捷、方便、精確、全面。本文主要介紹了地形三維可視化實(shí)現(xiàn)的基本步驟以及實(shí)現(xiàn)過程中需要注意的若干問題。
關(guān)鍵字：三維可視化 透視投影 消隱裁剪 符號(hào)注記
在某種程度上來講，地形三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)有著異曲同工之處。它們都是將研究區(qū)域中的高程值疊加到地形格網(wǎng)或平面紋理貼圖中，用以獲得研究區(qū)域的立體圖像從而進(jìn)行GIS的三維研究，如流域分析、三維緩沖區(qū)分析、通透分析和坡度坡向分析以及高程剖面分析等。一般來說，地形三維可視化包括以下幾個(gè)基本步驟：DEM三角形分割或紋理貼圖，透視投影變換，光照模型，消隱裁剪、圖形轉(zhuǎn)繪和存儲(chǔ)以及地物疊加等等。下面對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行逐一探索：
1.DEM三角形分割或真實(shí)感圖形與紋理貼圖
DEM三角形分割即對(duì)野外或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)采用一定的建網(wǎng)算法進(jìn)行方格網(wǎng)或三角網(wǎng)的建立。對(duì)于方格網(wǎng)，建網(wǎng)算法一般包括加權(quán)平均值、鄰域平均值和最近鄰點(diǎn)法等。如加權(quán)平均值是對(duì)區(qū)域根據(jù)數(shù)據(jù)分布進(jìn)行分塊(構(gòu)建方格網(wǎng))，然后對(duì)格網(wǎng)中的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐一插值，假定當(dāng)前插值點(diǎn)為格網(wǎng)起點(diǎn)，首先以當(dāng)前點(diǎn)為圓心，規(guī)定一個(gè)初始半徑，判斷區(qū)域中哪些數(shù)據(jù)點(diǎn)落在該圓形區(qū)域中，并將落在圓形區(qū)域中的點(diǎn)記錄下來，同時(shí)計(jì)算當(dāng)前格網(wǎng)點(diǎn)與這些點(diǎn)的距離，并規(guī)定距離的倒數(shù)為當(dāng)前點(diǎn)與區(qū)域點(diǎn)之間的權(quán)，再計(jì)算各權(quán)值與區(qū)域點(diǎn)高程乘積之和，最后與權(quán)值之和作比值就內(nèi)插出了當(dāng)前格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的高程值(應(yīng)當(dāng)注意的是，一般情況規(guī)定落在圓形區(qū)域中的點(diǎn)的數(shù)量為4-10個(gè)左右，若落在圓形區(qū)域內(nèi)的區(qū)域采樣點(diǎn)數(shù)目小于4，則應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大搜索半徑，同理，若點(diǎn)數(shù)大于10，則應(yīng)適當(dāng)減小半徑)。如此循環(huán)，將整個(gè)格網(wǎng)的格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)高程值依次內(nèi)插出來即形成了附帶高程的平面格網(wǎng)圖。對(duì)于三角網(wǎng)的構(gòu)建，可以采用分割合并算法、三角網(wǎng)增長(zhǎng)算法或逐點(diǎn)插入算法(初始包容盒算法)，這里不再一一介紹。
如若沒有采樣數(shù)據(jù)，可對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行紋理貼圖。將模擬場(chǎng)景的三維描述成二維灰度陣列所得到的計(jì)算機(jī)圖像是一種連續(xù)的灰度曲面，由于這種圖像用面來約束模型，從而彌補(bǔ)了在沒有數(shù)據(jù)控制點(diǎn)的地方用傳統(tǒng)的線劃圖形表示可能出現(xiàn)的信息缺誤。這種灰度濃淡圖像使得實(shí)際地物的各種起伏特征一目了然，這種圖形因具有相片的觀察效果而被稱為真實(shí)感圖形或逼真圖形。與線劃圖形不同的是，真是感圖形的計(jì)算機(jī)合成需要根據(jù)光源的位置和顏色、地面的形狀和方位、地面的光譜特性等計(jì)算畫面中每一點(diǎn)的顏色灰度。
為了彌補(bǔ)灰度圖像僅能表示地形起伏情況的不足之處，當(dāng)需要表現(xiàn)地表的各要素特征時(shí)，可以通過添加表面細(xì)節(jié)來完成。表面細(xì)節(jié)通常有兩種：顏色和紋理。顏色細(xì)節(jié)應(yīng)用于光滑表面，但看起來并不改變表面的形狀，而紋理細(xì)節(jié)則會(huì)給出一個(gè)具有粗糙表面的外形。當(dāng)在三維物體表面上加繪細(xì)節(jié)時(shí)指定的不同屬性稱之為紋理貼圖，如凹凸貼圖、透明和顏色貼圖等。
2.透視投影變換
透視投影變換就是將DEM數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)的過程，使得平面坐標(biāo)在添加高程值之后能夠轉(zhuǎn)換為立體圖像呈現(xiàn)出來，并符合人眼的視覺成像感知效果。透視投影變換的算法很多，這里直接給出一個(gè)轉(zhuǎn)換算法：
xm=((Xm-Xs)*cos(θ)-(Ym-Ys)*sin(θ))/((Zm-Zs)*cos(α)-(Xm-Xs)*sin(θ)*sin(α)-(Ym-Ys)*cos(θ)*sin(α));
ym=((Xm-Xs)*cos(α)*sin(θ)+(Ym-Ys)*cos(θ)*cos(α)+(Zm-Zs)*sin(α))/((Zm-Zs)*cos(α)-(Xm-Xs)*sin(θ)*sin(α)-(Ym-Ys)*cos(θ)*sin(α));
其中，Xm、Ym、Zm為DEM格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)所在坐標(biāo)系的坐標(biāo)或附帶高程值的平面圖像所在坐標(biāo)系的坐標(biāo)，Xs、Ys、Zs為觀察點(diǎn)(即視點(diǎn))在格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，θ為投影坐標(biāo)系的X軸與格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X軸之間的夾角，α為投影平面與格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)平面之間的夾角，xm、ym為通過視點(diǎn)映射地形點(diǎn)到投影平面上的像點(diǎn)坐標(biāo)。
公式中各個(gè)變量所代表的含義已經(jīng)明確，但有不少人只是客觀的了解其意義，為了便于說明變量的具體應(yīng)用手段，這里進(jìn)一步通俗的解釋一下其代表意義：Xm、Ym、Zm為采樣點(diǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，也就是當(dāng)時(shí)野外人工或機(jī)器采樣時(shí)所選用的坐標(biāo)系統(tǒng)(也可以使用戶自己定義的坐標(biāo)系)，采樣完畢后，各個(gè)采樣點(diǎn)在該坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維坐標(biāo)也就確立了;Xs、Ys、Zs就是觀察者視線的根源(觀察點(diǎn))在該所選用坐標(biāo)系統(tǒng)中的三維坐標(biāo)值，對(duì)于同一觀察點(diǎn)，選用的坐標(biāo)系不同，其三維坐標(biāo)值也不一樣，在運(yùn)用公式時(shí)，Xs、Ys、Zs盡量要在采樣區(qū)域范圍內(nèi)或范圍邊緣，若果離采樣區(qū)較遠(yuǎn)，可能會(huì)影像三維觀察精度，而且Zs要趨近采樣區(qū)的平均高程值，隨著Zs增大，從屏幕來看，就是從地面中同一點(diǎn)不同的高度俯瞰地形表面;前面已經(jīng)說到，θ代表投影坐標(biāo)系X軸與格網(wǎng)坐標(biāo)系X軸之間的夾角，更明了的講，θ即投影平面與視點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，即投影平面圍繞觀察點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，不同的θ值代表采樣區(qū)圍繞視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)θ角度時(shí)從同一視點(diǎn)觀察到的不同地形;α為投影平面與采樣點(diǎn)坐標(biāo)系平面之間的夾角，即在θ一定時(shí)從視點(diǎn)高程處飛越整個(gè)地表區(qū)域的范圍角度，或者說是從(Xs，Ys，Zs)點(diǎn)向前飛越地表的觀察角;xm、ym為區(qū)域采樣點(diǎn)投影在屏幕上的像點(diǎn)坐標(biāo)。
xm、ym求出后，其大小在屏幕的范圍很小，還需通過公式將其變換到適合屏幕尺寸的大小，變換公式為：
xe=λx*xm+x0;
ye=λy*ym+y0;
λx為像點(diǎn)區(qū)域延X軸的放大或縮小倍數(shù)，λy為像點(diǎn)區(qū)域延Y軸的縮放倍數(shù)，x0、y0為像點(diǎn)區(qū)域在屏幕中的平移矢量(x0，y0)。
利用上述公式，可將三維采樣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕三維坐標(biāo)，并可以通過改變θ、Zs、α、λx、λy、x0、y0的值來獲得不同角度、方向、距離觀察地形表面的三維圖。
3.光照模型和光線跟蹤
光照模型用于計(jì)算確定物體可見表面上每點(diǎn)的亮度。物體表面各點(diǎn)發(fā)出的光線是極其復(fù)雜的，它既與環(huán)境中光源的數(shù)目、位置和光譜組成以及光強(qiáng)分布有關(guān)，還與物體表面的反射特性和物體表面相對(duì)于光源的朝向有關(guān)，甚至還與人眼對(duì)光線的生理和心理視覺因素有關(guān)，把這一切都通過計(jì)算機(jī)精確地計(jì)算出來是不可能的，只能用盡可能精確的數(shù)學(xué)模型來模擬光和物體的相互作用，近似的計(jì)算物體可見表面每一點(diǎn)的亮度和顏色。
物體表面對(duì)于光線的反射分為漫反射和鏡面反射。漫反射可以認(rèn)為是光穿過物體表面并被吸收，而后又重新發(fā)射出來的，它向各個(gè)方向均勻發(fā)出。鏡面反射是在物體表面發(fā)生的，鏡面反射光從與入射光相對(duì)于鏡面法向量對(duì)稱的方向上發(fā)出。理想的漫反射只產(chǎn)生漫反射光線，理想的鏡面反射面只在鏡面反射方向上產(chǎn)生鏡面反射光線。常見的光照模型算法有Phong光照模型數(shù)學(xué)公式、紐厄爾線形透明性算法和光線追蹤算法等。
4.消隱和裁剪
為了保證得到的數(shù)字地面模型具有真實(shí)感，必須在顯示時(shí)消去由于物體自身遮擋或相互遮擋而無法看見的看到的線條即隱藏線。如果物體表面的信息要顯示出來，那么在物體本身的背部或被其它物體遮擋的面或面的一部分應(yīng)該被消去。由此提出了如何消去隱藏線和隱藏面的問題。目前消隱算法有很多，如Z緩沖算法、掃描線算法、優(yōu)先度算法和循環(huán)細(xì)分算法以及曲面算法等等。這些消隱算法可被分為兩大類：物空間消隱算法和像空間消隱算法。物空間消隱算法通過在定義物體的三維空間中對(duì)有關(guān)集合元素進(jìn)行計(jì)算和比較，確定什么是可見線(面)、什么是隱藏線(面)，然后僅顯示可見線(面)，從而實(shí)現(xiàn)消隱。像空間消隱算法則通過把景物看作由幾個(gè)多邊形平面組成的集合，對(duì)顯示設(shè)備的每一像素進(jìn)行判斷，決定哪個(gè)面應(yīng)該在該像素上顯示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消隱。
5.圖形轉(zhuǎn)繪和存儲(chǔ)
圖形轉(zhuǎn)繪和存儲(chǔ)即依據(jù)各種相應(yīng)的算法和繪制并顯示各種類型的三維地形圖，如需要?jiǎng)t需按照標(biāo)準(zhǔn)圖形圖像文件進(jìn)行存儲(chǔ)。在這一過程中需要考慮地表世界坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系和輸出設(shè)備的物理坐標(biāo)系與邏輯坐標(biāo)系以及顏色模型與顏色空間的相關(guān)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)、描述三維圖形對(duì)象時(shí)，用戶使用的是對(duì)象所在的世界坐標(biāo)系，而在輸出時(shí)，往往使用與設(shè)備物理參數(shù)有關(guān)的設(shè)備坐標(biāo)系。設(shè)備坐標(biāo)系即物理設(shè)備的輸入輸出空間坐標(biāo)系，故又稱其為物理坐標(biāo)系。每一種圖形設(shè)備都有其獨(dú)有的坐標(biāo)系統(tǒng)，因而須將三維地形圖顯示在所需物理設(shè)備上并通過二維或三維圖形變換公式以及投影變換公式或其它算法將其按照所需圖形文件的存儲(chǔ)格式存儲(chǔ)在指定圖形圖像文件中。
6.地物疊加
在三維地形圖上，疊加各種地物符號(hào)、注記，并進(jìn)行顏色、亮度、對(duì)比度等進(jìn)行處理。為了便于說明并盡可能多的使讀者一目了然三維地形圖所包含的各種信息，我們?cè)谥暗娜S圖形基礎(chǔ)上添加了各種地物符號(hào)與注記，包括點(diǎn)狀符號(hào)如電桿、井口、路燈等，線狀符號(hào)包括高壓線、管道線、道路線等，面狀符號(hào)包括苗圃、田地、河流等，用這些符號(hào)來概括所需區(qū)域的各種境況特征在一定程度上更簡(jiǎn)捷、全面、準(zhǔn)確的向讀者呈現(xiàn)了整個(gè)區(qū)域地形信息。而對(duì)于對(duì)地物或地物符號(hào)等進(jìn)行顏色、亮度、對(duì)比度的處理則是為了吸引讀圖者的眼球，以便更加明顯、清晰的向使用者呈現(xiàn)不同的地物特征信息和屬性信息。
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