辛長安，白寶興

(長春理工大學(xué)計算機學(xué)院，吉林長春 130022)

二維GIS的三維可視化方案

辛長安，白寶興

(長春理工大學(xué)計算機學(xué)院，吉林長春 130022)

本文論述了二維GIS的三維可視化技術(shù)的實現(xiàn)方案，重點闡述了其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)模塊，如地形、紋理、模型、相機等。旨在提出一種輕量化的簡潔高效的實現(xiàn)方案，并在數(shù)據(jù)接口和渲染效率優(yōu)化方面也作了相關(guān)論述。實驗項目證明本文提出的技術(shù)方法是可行的，并可用于工程實踐。

二維GIS；三維可視化；地形擬合；地圖紋理；相機運動

1 混合GIS的發(fā)展

傳統(tǒng)二維GIS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、環(huán)境保護、軍事操作、農(nóng)業(yè)管理等。二維GIS能夠處理大量的地理信息數(shù)據(jù)并提供成熟的分析功能。但是與三維相比，二維GIS在場景可視化效果方面存在明顯的劣勢，將二維的設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實三維環(huán)境對普通用戶而言也存在一定困難。

隨著近年來三維可視化技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對三維GIS系統(tǒng)的研發(fā)，在許多以地圖為主的人機交互界面應(yīng)用系統(tǒng)中，三維GIS平臺越來越占主要地位，它能夠提供給用戶瀏覽、展現(xiàn)、處理地圖數(shù)據(jù)的直觀親近和真實的操作體驗。然而，三維可視化和二維GIS通常單獨使用，其中二維GIS用于數(shù)據(jù)管理和分析，三維用于分析結(jié)果的可視化。近年來純?nèi)SGIS的突破是緩慢的，一個真正的三維地理信息系統(tǒng)不僅要提供3D數(shù)據(jù)的真實表現(xiàn)，還必須提供傳統(tǒng)的GIS功能。三維GIS的應(yīng)用和發(fā)展存在幾個障礙，包括各種異構(gòu)數(shù)據(jù)類型的處理、3D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定義、海量的三維數(shù)據(jù)分析等。因此，采取二維GIS和三維虛擬化的雙重優(yōu)點，實現(xiàn)輕量化且實用的復(fù)合GIS系統(tǒng)來代替純?nèi)SGIS系統(tǒng)是行之有效的解決方案。本文旨在提出這樣一種實現(xiàn)方法。

2 地形擬合及渲染

三維地形數(shù)據(jù)通?？捎筛叱虜?shù)據(jù)模形DEM數(shù)據(jù)生成。DEM數(shù)據(jù)是一組統(tǒng)一規(guī)格的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在每個地理坐標(biāo)的網(wǎng)格點上標(biāo)識一個海拔高度值。網(wǎng)格點之間位置的高程值可以通過周圍網(wǎng)格點插值生成。把地理三維坐標(biāo)映射到場景三維坐標(biāo)后，就生成了三維GIS的地形圖網(wǎng)格。為了提高顯示效率，網(wǎng)格數(shù)據(jù)需要隨著當(dāng)前可視范圍的縮放進行動態(tài)變化，可視范圍越大網(wǎng)格點的粒度越粗，反之就要求網(wǎng)格點粒度越細(xì)，否則出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象。

在三維可視化場景里，主要通過光線的陰影變化和可視角度的旋轉(zhuǎn)變化來觀察物件的形狀、方位等。其中陰影的變化最能反映物件的形狀特征，從而增強三維GIS的顯示效果。陰影是由光源產(chǎn)生的，在一個開闊空間的三維GIS環(huán)境里，光源的位置設(shè)定非常重要，不同的位置產(chǎn)生的視覺效果會有很大差別。可以相對相機的位置設(shè)定光源，也可以相對地理位置進行設(shè)定。另外，光源的方向和類型也是要考慮的因素，在系統(tǒng)實現(xiàn)里可以提供相應(yīng)的由用戶設(shè)定光源參數(shù)的操作功能。

3 二維圖層紋理

通常情況下，二維數(shù)據(jù)以紋理映射的方式被覆于三維地形之上，以此將二者結(jié)合起來。這一操作可以通過直接調(diào)用三維引擎API實現(xiàn)，例如DirectX、OpenGL等。最常見的地表紋理數(shù)據(jù)是衛(wèi)星圖片。因為地表紋理的數(shù)據(jù)量很大，同一塊地理區(qū)域包括不同分辨率的圖層，每一級別數(shù)據(jù)量是上一級的四倍，所以地表紋理文件一般存儲到文件服務(wù)器上。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能，常用的和預(yù)計將要使用的一部分紋理數(shù)據(jù)要緩存到本地磁盤。同時，通過對當(dāng)前瀏覽的地理位置和相機所在瀏覽高度判斷，確定最有可能訪問的那部分紋理數(shù)據(jù)文件要緩存到系統(tǒng)內(nèi)存中。理論上，只要內(nèi)存允許，應(yīng)該盡可能多地緩存數(shù)據(jù)。但無論是系統(tǒng)內(nèi)存的一級緩存，還是本地磁盤的二級緩存，都應(yīng)該在后臺線程中處理，否則反而會影響反應(yīng)性能。所以，當(dāng)相機的高度或相對地理坐標(biāo)變化時，這兩個級別的緩存要異步刷新，但二級緩存不宜刷新太頻繁。

4 二維GIS功能函數(shù)

將二維GIS功能函數(shù)與三維可視化完整地結(jié)合起來是復(fù)合GIS的基本目標(biāo)。因為在數(shù)據(jù)層面，數(shù)據(jù)格式仍然是屬于二維GIS規(guī)格的，所以傳統(tǒng)二維GIS的功能函數(shù)如查詢定位、測量標(biāo)繪、最短路徑查找、空間分析等，可以平滑移植并實現(xiàn)，不同的是計算結(jié)果需要在三維平臺環(huán)境中展示。與地表紋理的顯示處理方式一致，以附加圖層的形式顯示計算結(jié)果，多個紋理圖層融合后與三維地形貼合。為了突出計算結(jié)果，一般此圖層位于最頂層。

5 對象模型文件

管理和顯示三維對象模型是復(fù)合GIS系統(tǒng)不可或缺的功能，否則系統(tǒng)的三維可視化能力就顯得很不實用。因為一個GIS系統(tǒng)除了要顯示地圖以外，還需要在地圖平臺上承載業(yè)務(wù)分析的操作和結(jié)果。在三維平臺上這些操作和結(jié)果不僅要以點、線、面、圖片形式展現(xiàn)，更需要以三維模型的形式還原其三維世界的面貌和本質(zhì)。同時，系統(tǒng)還需要支持一些通用的標(biāo)準(zhǔn)模型文件格式，以便使用有效的開放資源以及實現(xiàn)資源共享等需要。下面列舉幾種常用的模型文件進行說明。

5.1 KML文件

KML的全稱是Keyhole Markup Language，2008年被OGC(開放地理空間信息聯(lián)盟)定為標(biāo)準(zhǔn)文件格式，用來描述和保存地標(biāo)和信息(支持點、線、圖像、多邊形和模型等)。它基于XML腳本語法，便于編寫、閱讀、修改和共享。標(biāo)準(zhǔn)KML文件是地球坐標(biāo)系統(tǒng)，每個頂點坐標(biāo)是一個經(jīng)度、緯度、海拔的三元組，當(dāng)讀取并顯示KML模型時需要將地球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部世界坐標(biāo)。KML的語法元素很簡單，也只能通過對二維圖形的Z向拉伸來描述簡單的三維模型。例如，對一個畫在地面上的圓做海拔方向拉伸，即形成了一個立在地面上的圓柱。拉伸標(biāo)簽以表示。

5.2 DirectX的.X文件

.X文件是DirectX的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)文件用于存儲三維模型，通過DirectX的API接口可以對此類文件做讀寫操作。另外DirectX也提供了一些工具用來查看、轉(zhuǎn)換、創(chuàng)建.X文件。它通過網(wǎng)格點陣描述三維模型，比描述性的腳本文件更加強大和通用，同時它不過于復(fù)雜，可以快速裝入并顯示，因為GIS系統(tǒng)一般不需要顯示非常逼真復(fù)雜的模型，所以.X文件很適用，特別當(dāng)使用DirectX三維引擎時。

5.3 MDL模型文件

MDL文件格式由美國康奈爾大學(xué)制定，最初被用于康奈爾大學(xué)和印第安納大學(xué)的幾個三維渲染項目。MDL文件用非常簡單的嵌套的文本塊定義三維模型，包括幾個標(biāo)準(zhǔn)類型的數(shù)據(jù)塊，如坐標(biāo)位置、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變、紋理文件等?？的螤柎髮W(xué)定義MDL文件格式的目標(biāo)是簡單、易讀、易用和快速，他們的確做到了這一點。MDL文件是方便小巧的文本格式，對程序員是可讀的。它主要應(yīng)用于對存儲模型的逼真渲染，包括復(fù)雜的材料和大型多邊形網(wǎng)格。

6 相機控制和顯示剪裁

圖層系統(tǒng)的位置是相對于虛擬相機固定的，當(dāng)相機或人眼在場景中移動時整個圖層場景隨之移動。二維層的縮放與3D基礎(chǔ)層視圖同步旋轉(zhuǎn)。相機在地形中的平移運動可以用箭頭鍵或鼠標(biāo)控制，可以通過鷹眼圖控制和導(dǎo)航。為保證相機不與地面相撞，相機的高度可以根據(jù)地面高度自動調(diào)整保持位于地面之上。但相機高度的調(diào)整應(yīng)該是平滑的，避免過度顛簸。當(dāng)旋轉(zhuǎn)相機時，要保證用戶當(dāng)前所在的中心點是不變的，只是相機的方向在改變，與人在原地環(huán)視四周的場景變換要一致。

為了提高系統(tǒng)響應(yīng)時間和運行效率，通過相機進行剪裁顯示是非常必要的。在一個復(fù)雜的三維場景中，需要處理的渲染對象可能是非常龐大而復(fù)雜的，整個渲染任務(wù)會耗費大量的計算時間，但最后經(jīng)過投影映射用戶能夠在屏幕上看到的信息是很有限的。三維引擎對顯示的剪裁處理是在投影映射過程中進行的，在此之前是模型生成和繪制的過程。如果不做相機剪裁，就意味著我們花費了大量的機時去生成用戶根本看不到的對象。看不到的原因是因為這些模型在相機的透視投影棱臺之外或被其它對象完全遮擋。例如，若圖中出現(xiàn)兩排樹，在判斷它們處于視野之外后程序處理應(yīng)該繞過對它們生成和繪制的代碼。但對于處在視野之中而被其它物體遮擋的模型對象不是很容易判斷，可以簡化處理。若在視野中呈現(xiàn)了一座山，那么在山之后的對象是可以被輕松地判斷并忽略的。

圖1 復(fù)合GIS的呈現(xiàn)

7 結(jié)語

本文了實現(xiàn)二維和三維復(fù)合GIS系統(tǒng)的基本要點，包括地表紋理、二維GIS函數(shù)、三維模型、相機運行等。顯示效率一直是三維渲染中最重要的問題，就此有針對性地介紹了優(yōu)化技巧。通過本文以上所討論的實現(xiàn)復(fù)合GIS的方法可以實現(xiàn)一個輕量化的、支持復(fù)雜地理環(huán)境和場景的、接口開放的復(fù)合GIS平臺，為專業(yè)化的應(yīng)用程序做支撐。如圖1的復(fù)合GIS場景就是基于以上理論實現(xiàn)的。

二維GIS的三維可視化復(fù)合系統(tǒng)在不同的領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力，比如城市規(guī)劃和場景設(shè)計。在這種系統(tǒng)中，不僅傳統(tǒng)二維GIS功能被充分發(fā)揮，其視覺表現(xiàn)力也通過三維可視化大大加強。這樣二維GIS的分析操作可以在三維場景中實現(xiàn)，同時分析結(jié)果也可以在三維場景中呈現(xiàn)，較之傳統(tǒng)二維GIS方便了用戶的目標(biāo)場景的理解，也加強了人機之間的溝通。

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The Scheme of Visualizing 2D-GIS In 3D-Space

XIN Chang-an, BAI Bao-xing

(Computer Department, Changchun University of Science and Technology,Changchun Jilin 130022,China)

This paper discusses an efficient way to visualize 2D-GIS in 3D space, especially describing several key modules involved, including terrain, texture, 3D-model and camera motion. We mainly propose a light but available solution to realize 2D-GIS in a 3D environment with 3D-models.Additionally, the optimizing for rendering efficiency and the interface with standard model format are concerned as well. These techniques and methods have been proved to be workable and practicable.

Visualizing 2D-GIS; In 3D-Space of terrain; fitting; map texture; camera movement

2014-04-03

辛長安(1974- )，男，吉林輝南人，長春理工大學(xué)計算機學(xué)院碩士研究生，從事圖像處理與模式識別研究。

P208

A

2095-7602(2014)04-0041-03

[聯(lián)系作者] 白寶興(1953- )，男，吉林懷德人，教授，博士生導(dǎo)師，從事圖像處理與模式識別研究。