楊 波,王文進(jìn),馬 斌

(西安理工大學(xué),陜西 西安 710048)

0 前 言

景觀可視化是20世紀(jì)70年代末提出并得到迅速發(fā)展的一門新興技術(shù)[1],在國外發(fā)達(dá)國家,景觀可視化已經(jīng)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。我國長(zhǎng)期以來對(duì)景觀的可視化沒有引起足夠的重視,特別是在地形復(fù)雜的水利水電工程三維地形景觀的發(fā)展上應(yīng)用更少。目前國內(nèi)三維地形真實(shí)景觀大部分都是從已有的各種分辨率DEM中直接獲取或是通過高分辨率遙感影像的立體像對(duì)產(chǎn)生[2],而對(duì)于局部已測(cè)離散點(diǎn)如何生成地形景觀圖研究甚少,本文正是針對(duì)這樣的問題,基于EPS和VR ML技術(shù)來討論如何用局部離散點(diǎn)生成常用二維等高線地形圖以及實(shí)現(xiàn)三維水利工程地形景觀的可視化。從而實(shí)現(xiàn)了水利地形景觀圖的動(dòng)態(tài)性、交互性,給設(shè)計(jì)者提供一個(gè)全方位視角的觀察。

1 DEM的建立

1.1 DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

DEM數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,縮寫DEM)常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是格網(wǎng)結(jié)構(gòu),分為規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則格網(wǎng)[3,4]。規(guī)則格網(wǎng)是將離散測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),用插值法內(nèi)插出規(guī)則格網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo),每個(gè)結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)有規(guī)律地存放在DEM中;不規(guī)則格網(wǎng)是以原始數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位置作為格網(wǎng)的結(jié)點(diǎn),組成不規(guī)則格網(wǎng)。本文將采用規(guī)則格網(wǎng)來建立DEM。

1.2 利用EPS建立DEM

首先打開EPS(清華山維Snuway survey EPS),下面以八泉峽水利樞紐壩址段局部離散數(shù)據(jù)為例來說明如何建立等高線地形圖以及構(gòu)建DEM格網(wǎng)。把野外采集測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)整理后的已知數(shù)據(jù)保存到TXT文件中,數(shù)據(jù)格式為:(A1,X,Y,Z)(其中A1代表點(diǎn)號(hào),X,Y,Z分別代表三維坐標(biāo))。然后打開數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件,把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成COR格式文件,保存。用EPS調(diào)入COR格式數(shù)據(jù),把能夠表示出真實(shí)的地形特征線信息,如山脊線、山谷線、變坡線、陡坎、竣工邊坡線等,在建模時(shí),將這些特征線作為三角形的邊,這樣才能構(gòu)建正確的DEM。使用EPS中的地模菜單,選擇建立三角網(wǎng),然后把三角網(wǎng)導(dǎo)入庫,建立完畢后就能自動(dòng)生成等高線,在此基礎(chǔ)上選擇地模菜單中的建立DEM命令,同時(shí)還可以對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行編輯和刪除,從而可以輕松建立正確DEM格網(wǎng)。如圖1和圖2。

圖1 EPS生成的DTM格網(wǎng)

圖2 EPS生成的地形圖及劃分的DEM格網(wǎng)

1.3 DEM的數(shù)據(jù)提取

在ArcInfo中先將DEM打開,利用Conversion將DEM轉(zhuǎn)換成ASCII形式,TIN數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)換成 DEM數(shù)據(jù),再轉(zhuǎn)換成ASCII。轉(zhuǎn)換成ASCII的目的在于提取Grid數(shù)據(jù)中的高程信息,分辨率,數(shù)據(jù)行列數(shù),數(shù)據(jù)左上角的X,Y值。轉(zhuǎn)換完成的ASCII文件是一個(gè)TXT文本[5]。

2 VRML的ElevationGrid節(jié)點(diǎn)介紹

VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言。最新版本VRML2.0(ISO/IEC 14772-1:1997)新增加了一個(gè)專門提供用高程值的格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)的區(qū)域建立地形表面的節(jié)點(diǎn)——ElevationGrid節(jié)點(diǎn)[6,7]。ElevationGrid節(jié)點(diǎn)表示局部座標(biāo)系統(tǒng)中在Y=0平面上一個(gè)均勻的格狀矩形,可以改變其y方向的高度。由一個(gè)矩陣描述曲面各個(gè)格點(diǎn)在 y方向的高度值來定義這個(gè)幾何形狀。xDimension和zDimension域表示格點(diǎn)的height矩陣在X及Z方向的元素個(gè)數(shù)。xDimension和zDimension都應(yīng)大于或等于 0。如果 xDimension或zDimension中有任何一個(gè)值的個(gè)數(shù)少于2,ElevationGrid中將不包含任何四邊形。

基于GeoVRML數(shù)字地形生成的基本思想:X3D的數(shù)字地形的生成方法主要有兩種:一種是基于等值線的數(shù)字地形的生成;一種是基于Grid數(shù)據(jù)的數(shù)字地形的生成。關(guān)于Grid數(shù)據(jù)生成Geo VRML地形的基本思想是利用Geo VRML中提供的節(jié)點(diǎn)Elevation與Grid數(shù)據(jù)提供的信息相匹配,這樣便可生成數(shù)字地形。Elevation節(jié)點(diǎn)與Grid數(shù)據(jù)信息匹配條件[7,8]如表1。

3 VRML文件的設(shè)計(jì)

3.1 文件頭

VRML2.0文件頭在程序文件的首行,它的格式為:VRML V2.0 utf8[8,9]。它告訴瀏覽器該文件為VR ML文件,符合VRML2.0版本規(guī)范,使用UTF-8字符集。

表1 Elevation節(jié)點(diǎn)與Grid數(shù)據(jù)信息匹配的條件

3.2 光照設(shè)置

VRML支持3種類型的光源,每一種均模仿現(xiàn)實(shí)世界中光照的特性:點(diǎn)光源、平行光源和聚光光源。在現(xiàn)實(shí)世界中,太陽基本上是一個(gè)平行光源。地形景觀表示的是一個(gè)較大區(qū)域范圍的地表形態(tài)。在地形景觀環(huán)境中,設(shè)置一個(gè)平行光源,符合虛擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)性。

3.3 地形曲面造型、定位

Transform節(jié)點(diǎn)編組可以創(chuàng)建相對(duì)于以原點(diǎn)為中心的根坐標(biāo)系的新坐標(biāo)系,以通過坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)將造型和造型組放置在空間的任何地方。對(duì)地形曲面造型而言,Transform節(jié)點(diǎn)中的translation域建立了新舊坐標(biāo)系之間的平移關(guān)系。Children域的值指定在組中包含的子節(jié)點(diǎn)列表。典型的children域值包括shape節(jié)點(diǎn)和其它Group節(jié)點(diǎn)。Shape節(jié)點(diǎn)用于創(chuàng)建境界中可繪制出來的對(duì)象。所有的VRML造型均使用shape節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建。

Shape節(jié)點(diǎn)語法為:

shape節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)域:外觀域appearance和幾何域geome-tre。Appearance域包含一個(gè)Appearance(外觀)節(jié)點(diǎn),它指定幾何體的視覺屬性(如材質(zhì)和紋理)。Geometry域包含了一個(gè)幾何節(jié)點(diǎn),此幾何節(jié)點(diǎn)用指定的外觀節(jié)點(diǎn)繪制。本文的地形景觀使用前面介紹的格網(wǎng)高程ElevationGrid節(jié)點(diǎn)繪制。

4 地形景觀圖VRML文件的生成

下面給出八泉峽水利樞紐壩址段局部地形圖的VRML實(shí)現(xiàn)文件。地圖比例尺為1∶2000,本例由采集的高程點(diǎn)插值建立的格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)中,設(shè)計(jì)的格網(wǎng)數(shù)為35×46,每格網(wǎng)尺寸為5m×5 m。

三維可視地形圖的VR ML實(shí)現(xiàn)文件如下:

圖3 三維地形實(shí)體上游通視效果圖

5 應(yīng) 用

(1)可以對(duì)地形表面一定區(qū)域的表面積和方量進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算面積時(shí)將由EPS生成的每個(gè)格網(wǎng)當(dāng)作一個(gè)平面,計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)的表面積,然后累加即可。方量計(jì)算利用面積乘以格網(wǎng)的高程即可。需要注意的是在確定需要計(jì)算的表面積的區(qū)域時(shí),要判斷格網(wǎng)是否包含在此區(qū)域范圍內(nèi)。為水利施工組織的研究和設(shè)計(jì)(如:施工輔助設(shè)施占地面積,基坑的開挖土石方等)提供了可視化的條件。

(2)可以做出任意地形處的斷面圖,特別是對(duì)典型斷面的分析具有重要意義,只要確定出中心軸線(如:壩軸線處的地形斷面),就可以作出相應(yīng)斷面圖。對(duì)于水利工程地形分析、設(shè)計(jì)以及水利工程管理提供了可視化條件。

(3)VRML面向的目標(biāo)是三維動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)世界,同時(shí)與Web插件相結(jié)合,提供了豐富的交互功能和WWW 功能,而

圖4 三維地形實(shí)體俯視效果圖

此生成文件具有通用性,可嵌入任一3維地形景觀的VRML生成系統(tǒng)中,用戶只需按要求輸入高程值的格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù),由該模板即可生成相應(yīng)的三維地形景觀。需要說明的是:格網(wǎng)劃分的詳細(xì)程度決定了反映實(shí)際地形的粗細(xì),而且要對(duì)格網(wǎng)進(jìn)行刪除和整理,把不需要的進(jìn)行刪除。效果如圖3和圖4。且從空間認(rèn)知的角度上可以促進(jìn)用戶的探索興趣,因此提高了空間信息的傳輸效率以及網(wǎng)絡(luò)化的全球信息共享性,也增加了為決策支持服務(wù)的潛力。由于VRML在創(chuàng)作概念上是一種“組裝”的方式,在應(yīng)用上是一種“感應(yīng)”的交互方式,與傳統(tǒng)地圖設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有顯著的不同,因此這不僅提高了空間目標(biāo)的重用性和工作效率,而且有可能促使地圖設(shè)計(jì)概念發(fā)生根本的變化。

6 結(jié) 語

本文在分析當(dāng)前景觀可視化發(fā)展的前提下,針對(duì)我國對(duì)景觀地形可視化研究的不足,特別是地形復(fù)雜的水利工程三維景觀可視化研究欠缺等問題,結(jié)合EPS介紹了如何利用局部離散測(cè)點(diǎn)生成水利工程常用的等高線地形圖以及建立DEM格網(wǎng)方法,同時(shí)對(duì)DEM數(shù)據(jù)提取步驟的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和說明。

在此基礎(chǔ)上總結(jié)出來一套通用的利用VRML的ElevationGrid節(jié)點(diǎn)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)生成三維可視的水利地形景觀圖的方法。此景觀圖生成文件具有通用性、交互性等功能,同時(shí)可以進(jìn)行水利工程施工的土方開挖、回填計(jì)算、典型斷面分析等的可視化、動(dòng)態(tài)化的計(jì)算與分析。為水利工程的研究和設(shè)計(jì)提供了一種新的方法和手段。

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