王海濤，劉海硯，孫廣宇，韓 俊

（1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州 450052；2.61363部隊，陜西西安，710054；3.65015部隊，遼寧大連）

三維矢量數(shù)據(jù)在EV-Globe中的繪制方法

王海濤1，2，劉海硯1，孫廣宇3，韓 俊1，2

（1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州 450052；2.61363部隊，陜西西安，710054；3.65015部隊，遼寧大連）

以 EV-Globe為基礎(chǔ)三維平臺，分析了三維柵格數(shù)據(jù)模型、三維矢量數(shù)據(jù)模型及混合型模型的優(yōu)點和不足，設(shè)計了基于實體的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中符號化顯示、分類分級顯示。該方法能夠滿足矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的顯示繪制要求。

三維柵格數(shù)據(jù)模型；三維矢量數(shù)據(jù)模型；基于實體的數(shù)據(jù)模型；符號化；分類分級顯示

傳統(tǒng)的二維GIS采用地圖投影和地圖符號表示現(xiàn)實的三維世界，不能給人以直觀的視覺感受[1]。隨著三維圖形技術(shù)的發(fā)展，矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的顯示應(yīng)用成為GIS新的發(fā)展方向。長期以來，廣大學(xué)者對三維地形實時繪制技術(shù)進行了深入研究，但對矢量數(shù)據(jù)在三維地形上的繪制技術(shù)卻研究較少[2]。本文以EVGlobe為基礎(chǔ)三維平臺，主要探討矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的顯示繪制方法。EV-Globe是一款由中科院遙感所開發(fā)的三維空間信息服務(wù)平臺，EV-Globe集成了最新的GIS和三維技術(shù)。本文主要包括矢量數(shù)據(jù)在三維GIS中的數(shù)據(jù)模型設(shè)計與構(gòu)建，空間實體符號化定義與設(shè)計，及實體分類分級顯示控制等問題。

1 數(shù)據(jù)模型設(shè)計與構(gòu)建

數(shù)據(jù)模型通過描述空間實體及實體間的相互關(guān)系，實現(xiàn)對客觀世界的抽象?？臻g數(shù)據(jù)模型為描述空間數(shù)據(jù)的組織和數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計提供了基本的方法。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，它反映了客觀世界中三維實體之間的相互聯(lián)系，對三維空間數(shù)據(jù)模型的研究程度決定著三維GIS系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的成敗[3]。目前，三維 GIS數(shù)據(jù)模型主要分為三大類：三維柵格數(shù)據(jù)模型、三維矢量數(shù)據(jù)模型和混合結(jié)構(gòu)的三維模型。

1.1 三維柵格數(shù)據(jù)模型

該模型繪制矢量數(shù)據(jù)的基本思路是：首先進行預(yù)處理，將矢量數(shù)據(jù)進行柵格化，轉(zhuǎn)化為柵格圖像，然后采用繪制紋理的方法進行繪制。這種方法的優(yōu)點在于：由于繪制的是柵格貼片，線要素和面要素可以定制符號，繪制效果較好。不足之處是：在進行矢量數(shù)據(jù)的分層多級顯示時，需要生成每一層數(shù)據(jù)對應(yīng)的柵格圖像，對系統(tǒng)內(nèi)存要求較高；其次，受生成的柵格圖像分辨率限制，當(dāng)顯示大比例尺地形時，會出現(xiàn)走樣現(xiàn)象[4]；第三，要素不能進行選中操作，不能完成實時點擊查詢。

1.2 三維矢量數(shù)據(jù)模型

該模型的基本思路是：根據(jù)矢量數(shù)據(jù)的點位信息與地形進行同步繪制。由于矢量數(shù)據(jù)相鄰兩點之間有一定的間隔，如果僅用數(shù)據(jù)中的頂點坐標進行繪制，則會出現(xiàn)要素穿越地面的情況，如圖 1所示；要避免這種情況則需要進行內(nèi)插，即在原有結(jié)點之間插入新結(jié)點，從而使數(shù)據(jù)與地形相匹配，如圖 2所示。三維矢量數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點是：首先，繪制精度較高，顯示大比例尺地行時，不會出現(xiàn)走樣現(xiàn)象；其次，能夠進行選中操作，實現(xiàn)要素的實時查詢。不足之處是：第一，矢量數(shù)據(jù)的實時內(nèi)插會降低顯示的效率[5]；第二，線、面要素沒有符號只能用單色繪制，顯示效果較差。

圖1 矢量數(shù)據(jù)內(nèi)插前

圖2矢量數(shù)據(jù)內(nèi)插后

1.3 混合型數(shù)據(jù)模型

在實際應(yīng)用中，一種模型往往不能解決所有的問題：如果單獨使用矢量模型，則無法對線、面實體進行符號化；如果單獨使用柵格模型，則無法表達空間實體的細節(jié)。從空間分析的角度來看，以上兩種模型也是各有所長的。柵格模型對圖層疊置分析、緩沖區(qū)分析等方面有其獨到的優(yōu)勢，而在目標查詢、對象的合并、交叉等分析方面，矢量模型又有著不可比擬的優(yōu)勢，因此在三維空間數(shù)據(jù)模型中同時使用兩種模型是非常必要的[6]?；旌闲蛿?shù)據(jù)模型即是采用兩種數(shù)據(jù)模型，理論上能夠結(jié)合兩種模型的優(yōu)點，滿足多種應(yīng)用的需求，但不足之處是在實際中系統(tǒng)開發(fā)的難度較大。

綜上所述，單一的三維數(shù)據(jù)模型還不能滿足應(yīng)用中的多種需求，同時在處理大量數(shù)據(jù)時的效率還有待提高。在同一地理區(qū)域內(nèi)，通常分布有大量的空間實體，其跨度范圍千差萬別。實際應(yīng)用中線、面實體都要進行符號化，同時需要進行實時點擊查詢用戶當(dāng)前感興趣的實體，所以本文提出了基于實體的數(shù)據(jù)模型。

1.4 基于實體的數(shù)據(jù)模型

基于實體的數(shù)據(jù)模型（簡稱為實體模型）是以實體為最小的數(shù)據(jù)單元進行數(shù)據(jù)組織。實體模型繪制矢量數(shù)據(jù)的基本思路是：首先進行預(yù)處理，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格圖像，采用三維柵格數(shù)據(jù)模型的方法對空間實體進行符號化；與此同時，采用矢量數(shù)據(jù)模型對空間實體進行點擊查詢。即當(dāng)比例尺較小時，采用柵格圖像對空間實體進行符號化顯示；當(dāng)比例尺較大或?qū)臻g實體進行查詢時，用矢量數(shù)據(jù)進行顯示。模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 實體模型結(jié)構(gòu)圖

實體模型同時擁有柵格模型和矢量模型的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)空間實體的符號化顯示和各種空間分析。從本質(zhì)上講實體模型是混合型模型的一種，實現(xiàn)的關(guān)鍵是如何提高繪制的效率。

為了提高繪制的效率，本文采用了要素合并的方法，基本思路是:在創(chuàng)建渲染對象時，將同一類線實體、面實體的所有實體合并為一個要素實體，統(tǒng)一創(chuàng)建一個渲染對象。例如所有的“公路段（線要素）”為一個實體，所有的“海灣（面要素）”為一個實體。這樣系統(tǒng)的渲染次數(shù)會大幅降低，效率會大幅提高。

要素合并的關(guān)鍵在于三維空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)要素合并的思路，本文設(shè)計了對應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中主要的多線、多面結(jié)構(gòu)簡述如下：

2 符號化控制技術(shù)及實現(xiàn)

由于維數(shù)的增加以及在虛擬現(xiàn)實表達應(yīng)用的動態(tài)性、交互性等特性，使得三維符號相對于二維地圖符號的參數(shù)描述略有差異，主要包括形狀、尺寸、色彩、亮度、紋理、空間造型等 6個方面的參量[7]。三維地圖符號需要在借鑒二維地圖符號基礎(chǔ)上進行修改以達到在三維環(huán)境中的應(yīng)用需求。

本文采用EV-Globe中的SuperMap風(fēng)格庫，基本步驟如下：

首先，在EV-Globe客戶端中將風(fēng)格庫設(shè)置為Super-Map；

然后，參考二維地圖符號，針對各種要素選擇其對應(yīng)的線、面風(fēng)格（即符號）；選擇過程中對線型、填充樣式、透明度等進行編輯修改，使選擇的風(fēng)格符號在形狀、尺寸、色彩、亮度、紋理、空間造型等方面較為合適；

第三步，整理EV-Globe的控制文件world.cfg文件中“ShapeFile管理”結(jié)點下的各要素的符號控制結(jié)點，創(chuàng)建要素符號化控制表。為便于數(shù)據(jù)的讀取及交換，控制表的格式設(shè)置為“*.xm l”格式。

第四步，解析符號化控制表，實現(xiàn)實體的符號化顯示控制。流程如圖4所示。

圖4 符號化控制流程圖

3 分類分級顯示技術(shù)及實現(xiàn)

分類分級顯示技術(shù)即LOD——細節(jié)層次技術(shù)。其基本思想是：建立地表模型時應(yīng)充分考慮人的視覺特點，當(dāng)視點較低比例尺較大時，采用精細的分辨率較高的模型；反之，采用較為粗糙分辨率較低的模型[8]。在實際應(yīng)用中，通常在視點較高時顯示范圍跨度較大的實體類型，如國家、海洋等；當(dāng)視點較低時則顯示范圍跨度較小的實體類型，如城市、道路等。

在本文中，采用的是影像同步顯示法，即將實體的顯示級別與影像的顯示級別相對應(yīng)，從而實現(xiàn)要素的分類分級顯示。其步驟如下：

首先，設(shè)置要素的最大、最小顯示級別。設(shè)置符號化控制文件中要素的“MaxRenderLevel”、“M inRenderLevel”結(jié)點的屬性，其取值范圍是-4到18之間的整數(shù)，即對應(yīng)著-4到18級的影像。每個級別的影像均對應(yīng)用著一定范圍的視點高度（比例尺）。例如：2級影像對應(yīng)的視點高度為212Km到106Km等；

其次，建立所有要素LOD控制對象。在該對象中判斷當(dāng)前攝像機的視點高度，根據(jù)視點高度判斷對應(yīng)的影像級別；

第三步，查找要素符號化控制表中各類要素的最大、最小顯示級別，如果當(dāng)前影像顯示級別在其范圍內(nèi)，則設(shè)置要素為可見；否則設(shè)置為不可見；

第四步，將要素LOD對象加入到渲染列表中，使要素的是否可見屬性能夠?qū)崟r隨視口刷新，從而實現(xiàn)要素的分類分級顯示控制。流程如圖所示。

圖5 分類分級顯示流程圖

4 系統(tǒng)實驗及分析

本文以 EV-Globe為基礎(chǔ)平臺，對“公路”、“河流”、“國家級行政區(qū)”、“省級行政區(qū)”（其中公路、河流為線狀要素，國家、省級行政區(qū)為面狀要素）四種要素進行了試驗。如圖6為四種要素符號化效果圖，圖中要素符號的透明度均為50%，視點高度為132Km。當(dāng)比例尺不斷放大，攝像機的視點高度小于53Km時，“國家級行政區(qū)”即不可見，如圖7所示；如果繼續(xù)放大，當(dāng)視點高度小于27 Km時，省級行政區(qū)也變?yōu)椴豢梢?。圖8為要素的實時點擊查詢效果圖。

實驗表明，基于實體模型的矢量數(shù)據(jù)繪制方法能夠高效精確地對線狀要素、面狀要素進行符號化繪制。與基于三維柵格數(shù)據(jù)模型的繪制方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)要素的實時點擊查詢，滿足了用戶的查詢需求；與基于三維矢量數(shù)據(jù)模型的繪制方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)要素的符號化顯示，提高了顯示的效果。

圖6 符號化效果圖（視點高度132Km）

圖8 實時點擊查詢效果

5結(jié) 語

本文以EV-Globe為基礎(chǔ)三維信息平臺，以Visual Studio 2008 C#為開發(fā)工具，實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的符號化顯示、分類分級顯示以各類要素的實時點擊查詢。限于篇幅，具體的實現(xiàn)細節(jié)在文中沒有贅述。本文提到的相關(guān)內(nèi)容，會在后續(xù)的研發(fā)工作中進一步的完善。

[1] 熊書敏，鄭坤，吳信才.基于實體模型的三維GIS矢量數(shù)據(jù)管理[J].地理信息世界，2006，4(1)：18-20

[2] 劉昭華，楊靖宇，戴晨光.矢量數(shù)據(jù)在三維場景中的繪制[J].金屬礦山，2008(6)：94-96

[3] 鄭坤，劉修國，吳信才，等.顧及拓撲面向?qū)嶓w的三維矢量數(shù)據(jù)模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版)，2006，36（3）：474-479

[5] Dollner J．Baumam1K．Texturing Techniques for Terrain Visualization[A].Proceedings IEEEVisualization．2000：1-5

[5] ZacharyWartell，Eunjung Kang，TonyWasilewshi，etal．Rendering Vector Data over Global Multi-Resolution 3D Terrain[A]．Joint Eurographies-IEEE FCVGSysmposium oil Visulization．2003：213-222.

[6] 譚仁春.GIS中三維空間數(shù)據(jù)模型的集成與應(yīng)用[J].測繪工程，2005，14(1)：63-66

[7] 徐智勇，艾廷華，危擁軍，等.三維地圖符號視覺參量研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2006，31（6）：557-560

[8] 胡志蕊，祝國瑞，徐智勇.LOD技術(shù)與制圖綜合在多尺度地圖適時顯示中的應(yīng)用研究[J].測繪科學(xué)，2006，31（5）：78-80

Rendering Method Over3D Vector Data in EV-Globe

by WANGHaitao

The paper,which based on the3D plat roof of EV-Globe,annlysed advantages and disadvantages of 3D vector-data,raster-data and mixsed modals,realized symbolization and LOD display of vectordata in3DGIS.The method satidtied the rendering resquest of vector data in 3DGIS.

3D vector datamodal,3D vector datamodal,modal based on feature, symbolization,LOD （Page:106）

P208

B

1672-4623(2011)02-0106-03

2010-10-15

項目來源：國家863計劃資助項目（2007AA12Z206）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41071297）。

王海濤，博士，主要研究領(lǐng)域是GIS應(yīng)用開發(fā)和數(shù)字制圖技術(shù)。