趙　群　陳建平

摘要通過介紹三維模型TIN的建立、三維模型的數(shù)據(jù)組織及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)等建立三維地貌景觀模型，并將其應(yīng)用到旅游、景觀規(guī)劃、地貌成因分析、景觀評價等領(lǐng)域，建立三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對應(yīng)用系統(tǒng)的可視化操作和分析。

關(guān)鍵詞 三維模型；可視化；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號TP317.4文獻標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)01-0261-03

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，GIS的軟件不斷升級，地形的建造從開始的2維或2.5維，到現(xiàn)在3維模型的實現(xiàn)已經(jīng)成為可能。實際上三維模型的建立可以應(yīng)用在許多方面，比如：急救服務(wù)(對服務(wù)地點的快速通達)；城市規(guī)劃(規(guī)劃對象的選址、社區(qū)規(guī)劃、公眾參與、設(shè)計評審)；無線電通信(高層建筑對無線通訊的干擾)；建筑(環(huán)境被保護與被破壞)；市政設(shè)施管理(供水、排水、電力、道路、軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施)；市場與經(jīng)濟開發(fā)(位置選擇、宣傳鼓動)；地產(chǎn)分析(樓層空間與土地可用性)；旅游與娛樂(城市景點宣傳、路線、新到游客印象)；電子商務(wù)；環(huán)境(污染影響)；軍事；教育與學(xué)習(xí)等。

1國內(nèi)外的三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代以來，國外已陸續(xù)對三維建模及應(yīng)用開發(fā)加大投入，軍轉(zhuǎn)民的產(chǎn)品也逐漸多起來，為民用開發(fā)與應(yīng)用的產(chǎn)品也越來越廣泛和普及。

在紐約基于GIS的、可以獲得三維的本城市地理與幾何信息的查訊系統(tǒng)紛紛出現(xiàn)。如城市信息技術(shù)與電信部(DOITT)安裝的這類系統(tǒng)，它的應(yīng)用范圍遍及環(huán)境保護、安全和刑事。實力較強的技術(shù)開發(fā)公司如解析測量技術(shù)公司(Analytical Surveys Inc.Technology，ASI)為紐約開發(fā)了GIS和正射影像數(shù)據(jù)，從GIS中獲得建筑物高度數(shù)據(jù)，從正射像片上獲得地表紋理而建立三維模型。環(huán)境模擬中心(Enviro-nmental Simulation Center， ESC)開發(fā)了各種3D模型用于曼哈頓及其他城區(qū)，它們的特點是可標(biāo)識(表示)到各商用樓層空間，為進一步換算到具體單元的需要成為可能。

在加拿大最大的城市多倫多，城市規(guī)劃局建立了該城市的數(shù)字三維模型來支持規(guī)劃管理工作已有10多年歷史。

瑞士蘇黎世理工大學(xué)的Gruen教授有一個研究項目是為西歐各國的典型歐式風(fēng)格的城市建立三維模型，目前已有蘇黎世、漢堡、伯爾尼等。20世紀(jì)90年代中期，由英國公司生產(chǎn)出具有高質(zhì)量攝影真實感的建筑視圖。他們?yōu)榱嗽趥惗厝歉鞑糠诌M行不同精度的測量，采用1∶100比例尺詳細地測量了門窗、立面、屋面形態(tài)。

在國外，近些年地質(zhì)信息可視化模型和分析系統(tǒng)研究發(fā)展較快。MINCOM、DGI等公司分別在露天礦開采、石油物探和石油開采等領(lǐng)域進行了卓有成效的研究，他們開發(fā)的空間地質(zhì)模型及其可視化系統(tǒng)已成為商品化軟件，并在中國市場上銷售。

陳昌彥等于1997年開發(fā)研制的“邊坡工程地質(zhì)信息的三維可視化”系統(tǒng)，根據(jù)實測的離散點信息建立起三維可視化模型，顯示任意位置的剖面和平切圖面，可以計算開挖體的體積，并成功地應(yīng)用于長江三峽永久船閘邊坡工程的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的模擬和三維再現(xiàn)工作中。柴賀軍等近幾年結(jié)合大型水電工程開始研制開發(fā)巖體結(jié)構(gòu)三維模型，利用形成的三維可視化模型，實現(xiàn)巖體的穩(wěn)定性分析和工程適宜性評價等方面的工作擬繼續(xù)進行和完善。

總體來看，目前三維模擬在地貌景觀、地質(zhì)成因分析、景觀評價的應(yīng)用還是屬于空白。因此，有必要對此方面的應(yīng)用進行一下探討。

2地貌景觀三維可視化系統(tǒng)框架

根據(jù)以上的研究和調(diào)查，并結(jié)合專業(yè)，筆者意在設(shè)計一個地貌景觀的三維可視化系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅建立地上的地貌景觀模型，還要建立地下部分相應(yīng)的三維模型。此系統(tǒng)可以進行旅游地貌景觀的規(guī)劃、旅游地貌景觀的開發(fā)與評價、旅游地貌景觀的成因的分析，同時還可以指導(dǎo)旅游者進行出行。

2.1建立三維可視化的地形庫

由圖1可知，三維可視化地形庫的建立最重要的是高程數(shù)據(jù)，它將一塊地理地形劃分成一個由很多三角形的網(wǎng)格組成的面，以一定的地理坐標(biāo)(X，Y)為起始點(比如左下角坐標(biāo))，很規(guī)則地由X=？、Y=？為單位將整個平面劃成一定的行和列，每個交點就是組成三角形網(wǎng)格的頂點，如果為這些間隔交點都賦予一個相應(yīng)的實際測量得到的高度值(Z)，就形成這塊地區(qū)的高程數(shù)據(jù)，可以對其進行拉伸，就可以生成基本的三維地表；航片或衛(wèi)片重要用于在三維地表上生成相應(yīng)的基本紋理；文化特征數(shù)據(jù)(GIS)是一些測繪得到的矢量數(shù)據(jù)，它擁有精確的地理坐標(biāo)和各種特征編碼，用于描述各種人文景觀和自然景觀，如建筑、道路、電力電話線和桿、塔、橋梁及各種森林、河流等，在三維地形數(shù)據(jù)庫中這些特征數(shù)據(jù)是要借助于特定三維模型和特定紋理來表達。當(dāng)對這些數(shù)據(jù)整理編輯校準(zhǔn)和組織以后，通過特定的軟件功能很強的工具對它們進行集成，然后可以通過一些預(yù)覽工具做少量的調(diào)整，最后就可以建造生成出需要的三維實時可視化地形。

2.2地貌景觀三維可視化系統(tǒng)框架

地貌景觀三維可視化系統(tǒng)框架如圖2所示。

3地貌景觀三維可視化系統(tǒng)模型

3.1數(shù)字地形模型建立

三維可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵在于DEM(數(shù)字高程模型)如何進行表達。在地理信息中，DEM主要有3種表示模型：規(guī)則格網(wǎng)模型(Grid)、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型(Tria-ngulated Irregular Network，TIN)。

TIN模型能夠充分反映地面高程細節(jié)的變化，其真實程度由地形點的密度所決定，TIN模型適合于表達復(fù)雜地形地貌形態(tài)，又由于TIN 模型有以上表述的優(yōu)點，因此在可視化系統(tǒng)的研究中一般都采用TIN模型。

3.2地形地貌實體的數(shù)字建模

按照實體對象的屬性，可將其分別用點、線、面、體等4類圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達。如山體地形地貌環(huán)境的存儲結(jié)構(gòu)為：

StructureHillpart{

Int Part_ID：//山體局部標(biāo)識

Char Part_Code：//山體局部編碼

Strcture Body *Bodylist：//山體局部數(shù)組

Attributes_List：}//山體局部屬性列表

StructureBody{

Int Body_ID：//體(或面或點)標(biāo)識

Int Part_ID：//包括該體(或面或點)的山體局部標(biāo)識

Char Part_Code：//山體局部編碼

Int Body_Type：//體(或面或點)構(gòu)造類型

Strcture Mesh *Meshlist：//構(gòu)成體(或面或點)的面(或線或點)數(shù)組

Attributes_list：}//體屬性列表

3.3TIN 的實現(xiàn)

所采用的Delaunay生成算法主要分為兩步。

(1)先要生成一個包括所有離散數(shù)據(jù)點的凸殼；對于凸殼的生成采用格雷厄姆算法。

格雷厄姆算法的實現(xiàn)基本思想：選取值最小的點作為參考點，將離散數(shù)據(jù)點按照它們與參考點之間的角度的大小對數(shù)組進行排序。其中選取x坐標(biāo)最小點作為參考點有2個原因：一是x最小的數(shù)據(jù)點必定是凸殼的頂點；二是選取x最小的點作為參考點，可以使其他數(shù)據(jù)點與參考點之間的夾角在［-π/2，π/2］之間，在這個區(qū)間中，角度的正切值是隨角度的增大而增大的，有利于編程實現(xiàn)。另外，使用離散數(shù)據(jù)數(shù)目加１的數(shù)組來存儲數(shù)據(jù)點，并將排序后的數(shù)據(jù)點的第1點的坐標(biāo)存入數(shù)組的最末位置上。

(2)利用凸殼生成一個初始的三角網(wǎng)，再逐個加入其他離散點，生成最終的三角網(wǎng)。該算法采用Bowyer-Watson算法。

Bowyer-Watson算法的基本思想：①假定已生成了連接若干個頂點的Delaunay三角網(wǎng)格；②加入一個新的節(jié)點，找出所有外接圓包含新加入節(jié)點的三角形，并將這些三角形刪除，形成一個空腔；③將空腔的節(jié)點與新加入的節(jié)點連接，形成新的Delaunay三角網(wǎng)格；④調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，新生成的三角形的數(shù)據(jù)填充被刪除三角形的數(shù)據(jù)，余者添加在數(shù)組的尾部；⑤返回第2步，直至所有的節(jié)點都加入為止。

對于凸殼生成采用的格雷厄姆算法，該算法是求解平面點集凸殼問題的最佳算法，算法復(fù)雜度為0(n logn)。對于三角網(wǎng)上加入其他數(shù)據(jù)點的算法是基于Bowyer-Watson算法的思想，該算法能很好地生成符合Delaunay法則的三角網(wǎng)，也就是在地形可視化時需要的TIN模型。

3.4動態(tài)實體參數(shù)化數(shù)字建模

動態(tài)實體的參數(shù)化數(shù)字模型在其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中除了描述幾何特征及屬性外，反映地形地貌的動態(tài)變化過程，還體現(xiàn)時間特征。參數(shù)化實體建模是一種通過相關(guān)幾何關(guān)系組合一系列用參數(shù)控制的特征部件而構(gòu)造整個幾何結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)。整個建模過程可描述成一組特征部件的組裝過程，而每個部件都由一些關(guān)鍵的參數(shù)來定義。例如，地貌中的江、河、湖、山川、溶洞等景觀，可以通過采樣取點從而獲得其地形地貌特征點的坐標(biāo)，依據(jù)坐標(biāo)建立模型，實現(xiàn)其三維顯示。另外，在隨時間變遷的過程中，地貌是不斷變化的。因此，可以根據(jù)建立動態(tài)的模型實現(xiàn)對地貌景觀的動態(tài)三維的顯示，并做出未來發(fā)展趨勢的預(yù)測。

3.5地貌景觀三維可視化技術(shù)

三維可視化圖形的旋轉(zhuǎn)、透視和切剖面的算法已近成熟，被廣泛地應(yīng)用，地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維圖形的形成和處理多采用以下方法。

(1)投影變換數(shù)學(xué)表示法。三維空間任意一點可以用齊次坐標(biāo)表示為(x，y，z，1)，由此三維空間點集坐標(biāo)可以用矩陣表示：

三維空間投影變換即三維坐標(biāo)矩陣與投影變換矩陣的乘積是：

P′=PT

取T矩陣為正軸側(cè)投影變換矩陣，即：

其中，θ表示三維立體旋轉(zhuǎn)的傾角。Φ表示三維立體旋轉(zhuǎn)的傾角。

若取三維空間任意一點坐標(biāo)的空間變換，可以寫成如下數(shù)字表達式：

x′=xcosθ-ysinθ

y′=zcosΦ-(xsinθsinΦ+ycosθsinΦ)

如果是動態(tài)三維的顯示，可以加上時間一維。

(2)空間立體剖面切割?？臻g立體剖面切割是指用戶用鼠標(biāo)直接在屏幕上對三維體進行x、y、z等3個方向剖切。由此，用戶可以方便地觀察模擬塊體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造及參數(shù)特征的變化，以實現(xiàn)對地質(zhì)整體空間的宏觀認識?？臻g立體剖面切割實現(xiàn)技術(shù)是采用固定某空間一個坐標(biāo)，然后由用戶指定待切塊體的定位屏幕坐標(biāo)反求空間坐標(biāo)以實現(xiàn)空間立體的剖面切割與水平切割。其反求空間坐標(biāo)算法：

(a)固定Z坐標(biāo)求(X，Y)：

X=(sinθ*cosθ*xp-(yp-Z*cosθ)*sinθ)/aa

Y=-(sinθ*sinθ*xp+(yp-c)*cosθ)/aa

c=Z*cosΦ

aa=sinθ*sinΦ*sinθ+sinθ*cosθ*cosθ

(b)固定Y坐標(biāo)求(X，Z)：

Y=-(xp-X*cosθ)/cosθ

Z=(yp+c+Y*cosθ*sinθ)/cosΦ

c=X*sinθ*sinΦ

(c)固定X坐標(biāo)求(Y，Z)：

X=(xp+Y*sinθ)/cosθ

Z=(yp+c+Y*cosθ*sinθ)/cosΦ

c=Y*cosθ*sinΦ

其中：xp、yp是屏幕定位坐標(biāo)。θ、Φ是方位角和傾角。

4旅游地貌景觀規(guī)劃三維可視化系統(tǒng)可操作與分析

4.1可視化三維地貌查詢

由于二維屏幕顯示的點與三維模型的實際點不是一一對應(yīng)，因此當(dāng)對地形地貌查詢時要進行二維到三維的轉(zhuǎn)化。如果以屏幕上的點進行查詢，則到對應(yīng)的三維真實坐標(biāo)，需要一個三維到二維的投影的變換；如果以屬性信息的對應(yīng)山體的ID號查詢，則以語句來查詢山體的屬性。

4.2三維數(shù)字地貌的動態(tài)顯示

通過遙感手段獲得地形地貌的影像的亮度值，將其疊加在TIN的模型上，從而提高真實光照和表面紋理的顯示效果。另外，建立參數(shù)化的動態(tài)演示模型，加入時間特征，使地形地貌呈現(xiàn)出隨時間的變化而變化的動態(tài)的三維數(shù)字顯示。

4.3地貌景觀成因分析

在演示地形地貌的同時，還可以通過不同的途徑演示所呈現(xiàn)地貌的成因。因各種地貌的成因比較復(fù)雜，獲取地下數(shù)據(jù)的途徑也比較復(fù)雜，因此可以不同情況不同對待，有的地貌景觀可以采用多媒體的方式進行演示；有的可以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的，便可以建立模型實現(xiàn)三維地貌成因的演示；有些高山便可以建立2維或2.5維的模型進行演示。

4.4地貌景觀評價

可以通過選擇景觀評價模型，考慮地貌景觀影響因子，并對各種影響因子采集數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，進行計算，以此來對地貌景觀進行評價。同時可以將評價的結(jié)果動態(tài)顯示在三維數(shù)字地貌模型上的具體區(qū)域。

5結(jié)語

建立地形地貌景觀三維可視化系統(tǒng)，此系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用到旅游規(guī)劃、景觀評價、地貌成因分析等方面，還可以供旅游者查詢，并可以身臨其境地漫游，進行親身感受。

本系統(tǒng)提供可視化三維地貌查詢、三維數(shù)字地貌的動態(tài)顯示、地貌景觀成因分析、地貌景觀評價等操作和分析功能。通過直觀的三維模型和強大數(shù)據(jù)支持為旅游及規(guī)劃等行業(yè)提供強有力的工具。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文