（地图学与地理信息系统专业论文）3dgis中大数据量场景可视化研究.pdf

3 d g i s 中大数据量场景可视化研究 摘要 近年米随着数字地球的提出，数字城市的发展正方兴未艾。无论是数字城市 还是数字地球都需要作为空问信息处理平台的g i s 强有力的支持。数字地球涉及 的空问数据是多维的，要求o l s 能够处理多维信息，因此3 d g i s 已经成为当前 g i s 发展的一个重要方向。可视化是g i s 固有的特征，可视化是信息的集成，为 人脑认识世界提供了一个立体环境。可视化的效率与质量影响着认知的状态和深 度，因而追求高水平的可视化是3 d g i s 的必然要求。然而数字地球涉及的是纷 繁复杂的对象，包含的信息是的海量数据，如何构建一个能够表现如此庞杂场景 的可视化环境成为了3 d g i s 所面临的巨大挑战。因为可视化对象的庞杂就要求 可视化过程中能够处理庞大的场景数据，而且还要保持相当高的场景逼真度。传 统的g i s 可视化技术与方法显然对此无能为力，引入新的理论与技术成为必然。 对于大数据量场景的可视化，应当从两个方面进行考虑：一是减少“不必要” 的数据，它是通过研究减少可视化对象本身模型表达中的“冗余”来实现的。具 体就是研究模型的简化。另一方面增加可视化过程中的单位时间信息表达量。它 就是通过研究增加可视化的效率，即增加绘制的速度来实现的。这是一种用时间 换空间的方式。它包括了可视化加速的软件机制和硬件机制。 从这两个方面入手，在前人的研究基础上，本文试图对于地理空间的可视化 对象模型简化方法做出进一步的改进。针对地形的简化提出了基于四叉树的兼顾 自然特征和用户自定义特征的模型简化规则，并巧妙地将三角形二叉树与四叉树 结合实现对三角化中裂缝的处理。同时还研究了基于缓冲区机制的场景数据组织 与管理。对于树木等植被的可视化，本文提出了用线画模型、b i l l b o a r d 模型和符 号化模型等三个层次l o d 模型来表达的方式。使得数据量大为减少。 空间数据的搜索是影响场景绘制的重要过程。r 树是常用的空间数据索引结 构。本文指出了前人在此方面研究的不足之处，提出了新的r 树结构和算法。 实验证明搜索效率具有较大改善。 绘图硬4 t 是可视化的物质基础，硬件资源的利用程度对场景绘制具有直接的 影响。本文研究了在特定硬件条件下如何充分利用资源，发挥其加速功能，并通 过实验予以证实。 摘要 场景可视化的目标是要获得真实“还原”的世界，可视化的研究不能放弃这 主旨。而真实感的场景绘制离不开光照的渲染。本文比较了常用的p h o n g 光照 模型与b r d f 光照模型的区别。并研究了如何将基于多角度遥感的m i s r 数据应 用于实际的b r d f 光照模型中。 最后结合8 6 3 课题，以数字淄博为例，基于o p e n g l 图形引擎开发了实用 的三维可视化核心组件，并实现了一个基于网络分布式的可视化实验系统，可以 进行大区域范围的场景浏览。 关键词：3 d g i s 可视化模型简化r 树硬件加速b r d f 光照模型数字淄博 ! 里鱼竖! 查墼塑量望墨里塑些堕一 a b s t r a c t w i t ht h er a i s i n go fd i g i t a le a r t h ，t h e r eh a sb e e ng r e a ti m p r o v e m e n t i nd i g i t a lc i t yi n r e c e n ty e a r s g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，a st h ep l a t f o r mo fs p a t i a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，s u p p o r t sb o t hd i g i t a le a r t ha n dd i g i t a lc i t yg r e a t l y t h e s p a t i a l d a t ar e l a t e dt o d i g i t a le a r t hi s m u l t i d i m e n s i o n ，t h a tm a k e ad e m a n do f a b i l i t i e so fg i st ot a c k l et h e m ，s o3 d g i sh a sb e e na ni m p o r t a n td i r e c t i o nc u r r e n t l y d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fg i s v i s u a l i z a t i o n i st h ei n t r i n s i cc h a r a c t e ro fg i s i t m e a n st h ei n t e g r a t i o no fi n f o r m a t i o na n dp r o v i d e sat h r e e d i m e n s i o n a le n v i r o n m e n t f o rp e o p l et ol e a mt h ew o r l d t h ee f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo fv i s u a l i z a t i o nh a v ea n i m p a c to nt h es t a t ea n dt h ed e e p n e s so fl e a r n i n g s oi t i sn od o u b tt op u r s u i n gt h e h j g h l e v e l v i s u a l i z a t i o nf o r 3 d g i s h o w e v e gd i g i t a l e a r t hi n v o l v e s m a n y c o m p l i c a t e do b j e c t sa n dc o v e r sh u g en u m b e r o fd a t a s oi ti sag r e a tc h a l l e n g ef o r 3 d g i st h a th o wt oc o n s t r u c tav i s u a l i z e de n v i r o n m e n tt os h o wt h i sn u m e r o u sa n d j u m b l e d s c e n e t h en u m e r o u s n e s so ft h eo b j e c ts u r e l ya s k sf o rt h ec a p a b i l i t yo fp r o c e s s i n gt h eg r e a t n u m b e ro fd a t ad u r i n gt h ev i s u a l i z a t i o n ，k e e p i n gh i g hf i d e l i t yo f t h es c e n ei nt h es a r r l e t i m e o b v i o u s l y , t h et r a d i t i o n a lv i s u a l i z a t i o nw a y o f ( 3 i sc a nd on o t h i n gw i t hi t ，w e n e e dt oi n t r o d u c es o m en e w t h e o r ya n dt e c h n i q u e a sf o rt h ev i s u a l i z a t i o no fs c e n eo fh u g en u m b e ro fd a t a tw es h o u l dt r yf r o mt w o w a y s ：o n ei sr e d u c i n gt h e u n n e c e s s a r y ”d a t a ，w h i c hc a nb ed o n eb ys t u d y i n g t oc u t d o w n t h e r e d u n d a n c y i nt h ee x p r e s s i o no f t h em o d e lo ft h ev i s u a l i z e do b j e c t s i ti s e m b o d i e da st h es t u d y i n go fm o d e ls i m p l i f i c a t i o n ；a n o t h e ri si n c r e a s i n gt h eq u a n t i t y o fi n f o r m a t i o ne x p r e s s i o ni nu n i tt i m ei nc o u r s eo fv i s u a l i z a t i o n ，w h i c hc a nb ed o n e b ys t u d y i n gt oe n h a n c e t h ev i s u a l i z a t i o ne f f i c i e n c yt h a ti st oa c c e l e r a t i n gt h er e n d e r i t i st h em e t h o de x c h a n g i n gt h es p a c ew i t ht h et i m e ，w h i c hi n c l u d e db o t ht h es o f t w a r e a n dt h eh a r d w a r er e a s o no fv i s u a l i z a t i o ns p e e d u p s t a r t i n gf r o mt h o s et w op o i n t s ，b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h ，t h i sp a p e rt r yt om a k e f u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h et e c h n i q u eo fm o d e ls i m p l i f i c a t i o nt ot h ev i s u a l i z e ds p a t i a l 垒!翌坐 o b j e c t sa i m i n ga tt e r r a i ns i m p l i f i c a t i o n ，w ca d v a n c ea r u l eo fm o d e ls i m p l i f i c a t i o n g i v i n ga t t e n t i o nt ob o t h t h ec h a r a c t e ro fn a t u r ea n dt h eu s e r - d e f i n e dp r o p e r t i e s ，w h i c h i sb a s e do nt h eq u a d t r e e a n ds i m u l t a n e o u s l y w ec o m b i n et h et r i a n g l eb i n a r y t r e e w i t ht h eq u a d t r e e ，m a n a g i n gt or e s o l v et h ec r a c kd u r i n gt r i a n g u l a r i z a t i o n a sf o rt h e v i s u a l i z a t i o no ft h ev e g e t a t i o ns u c ha st h et r e e ，t h i sp a p e rs u g g e s ta r le x p r e s s i o nw a y w i t ht h el o dm o d e l ，w h i c hc o m p o s e do ft h r e el e v e l s ：l i n e d r a wm o d e l ，b i l l b o a r d m o d e la n ds y m b o l i z e dm o d e l i tc a n g r e a t l yr e d u c et h ev o l u m e o f d a t u m t h es e a r c ho f s p a t i a ld a t ai sa ni m p o r t a n tc o u r s et h a tw i l la f f e c ts c e n er e n d e r i n g t h e r t r e ei sac o m m o n l yu s e di n d e xs t r u c t u r eo fs p a t i a ld a t a a f t e rp o i n t i n go u tt h e i n s u f f i c i e n c y i nt h ef o r m e rr e s e a r c h ，an e wr t r e ea n da l g o r i t h mw e r eb u i l t i nt h et e s t ， i ti sp r o v e dt om a k e g r e a ti m p r o v e m e n t i ns e a r c he f f i c i e n c y b e i n g t h ep h y s i c a lb a s i so fv i s u a l i z a t i o n ，t h ee x t e n to fh a r d w a r eu t i l i t yw o r k so nt h e s c e n e r e n d e r i n gd i r e c t l y , t h i sp a p e rs t u d i e dh o w t om a k ef u l lu s eo ft h er e s o u r c ei n c e r t a i nh a r d w a r ec o n d i t i o n t oe x e ni t s a c c e l e r a t i n gf u n c t i o n i tw a sp r o v e db y e x p e r i m e n t s t o a c q u i r e ar e a la n dr e d u c t i v ew o r l di st h et a r g e to f v i s u a l i z a t i o no fs c e n e ，a n dt h i si s a l s oat h e m ec a n tb ed i s c a r d e dd u r i n gr e s e a r c h t h et h i r dd i m e n s i o no ft h es c e n e d e p e n d so nt h er e n d e ro fi l l u m i n a t i o n t h i sp a p e rc o m p a r et h ep h o n gi l l u m i n a t i o n m o d e lw i mt h eb r d fi l l u m i n a t i o nm o d e l a n ds t u d yh o wt oi m p o r tt h em u l t i - a n g u l a r r e m o t e s e n s i n gd a t a i n t ot h e p r a c t i c a lb r d f i l l u m i n a t i o nm o d e l f i n a l l y , a s s o c i a t i n gw i t hp r o j e c t8 6 3 ，t a k i n gd i g i t a lz i b oa sa l le x a m p l e ，t h i sp a p e r d e v e l o pap r a c t i c a l k e r n e lc o m p o n e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nb a s e do n o p e n g l ，a n d r e a l i z ean e t w o r k b a s e dv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m i tc a nm a k e s c a n n i n go fl a r g e r e g i o ns c e n e k e y w o r d s ：3 d g i sv i s u a l i z a t i o n m o d e l s i m p l i f i c a t i o n r - - t r e eh a r d w a r e a c c e l e r a t i o nb r d fi l l u m i n a t i o ne q u a t i o n d i g i t a lz i b o 3 d g i s 中大数据量场景的可视化研究 1 1 研究目标和意义 第一章引言 信息时代的来临使得包括资源、环境、社会、经济和人口等在内的各种信 息出现急剧的增长。面对浩瀚的信息海洋，如何获得各自需要的东西，这是生 活在现代社会里的每个人时刻面临的问题。正如j o h n n a i s b e t t 所说，“我们已被 信息所淹没，但是却正在忍受缺乏知识的煎熬”。必须为用户提供过去没有 的空间认知工具、优化更新数据库本身，在一种信息集成、综合表达的层次上 提供数据检测、知识开发和数据挖掘的能力，使得信息得到快速有效她利用。 徐冠华院士曾指出：人类接触和利用的信息有8 0 与地理空间信息有关， 与空间信息有关的工作是目前地球科学和信息技术发展的一个重要趋势【2 1 。 1 9 9 8 年1 月3 1 日美国前副总统戈尔在他题为：“数字地球：对2 1 世纪人类星 球的认识”的演讲中首次提出了“数字地球”的概念，指出：“我们需要一个数 字地球，即一种可以嵌入海量地理数据的，多分辨率的和三维的地球的表示， 可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据。”这些真知灼见无不说明 空间信息的研究在整个信息领域中居于十分重要的地位。 数字地球是个超巨大信息系统 3 1 ，从“数字地球”的描述中，不难发现 本质上它包含着三个方面的关键问题【4 】： ( 1 ) 地球的多分辨率( 多比例尺) 表达； ( 2 ) 地球的三维表达； ( 3 ) 如何嵌入海量地理数据。 我们可以看到三维表达即三维可视化是数字地球及空间信息应用一个非常 重要的组成部分。可视化是地学研究的重要手段，地图对地学研究者来说就可 说是一种重要的可视化工具。因为对于研究她球的地学工作者来说，他们“习 惯于从各种地图中认识地学构造及其相关的地学分析模式，常将原始的以表格 形式的地球数据转化成地图，来可视化地球数据所表达的空间关系”i5 1 。而 在信息技术飞速发展的今天，地学领域研究需要更高级的可视化形式。因此研 究如何可视化地表达一个真实的三维空例是当前数字地球研究中需要亟待解决 第一章引言 的问题。g s 是对空间数据进行观察、分丰厅、处理、表达的重要技术平台，因 此它在“数字地球”的基础技术构架中居于核心地位。 从认知学的角度来说人类是依靠自己的感知和认女1 w e 力，全方位地获取知 识的，是在多维化的信息空间中认识问题的。对空间事物的认识通常是一个“视 觉心象形象思维创新”的认知过程，可视化就是要引发大脑中的 这个过程 6 1 。可视化是g i s 的重要功能和本质特征之一。然而g i s 可视化早期 受限于计算机二维图形软硬件显示技术的发展，大量的研究放在图形显示的算 法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印等口】。因而g i s 的可视化 主要侧重于表达地理事物的空间位置信息和地理实体之间的关系以及状态变 化。而对实体本身的空间结构、形态缺乏真实表达，往往以抽象或象形符号代 表。如建筑物用投影到平面的轮廓多边形表示，道路用二维线段表示等。继二 维可视化研究后，随着对第三维信息的需求，进一步发展了对地学等值面( 如数 字高程模型) 的三维图形显示技术的研究，它是通过三维n - 维的坐标转换、隐 藏线、面消除、阴影处理、光照模型应用等技术，把三维空间数据投影显示在 二维屏幕上，从而可以得到一个透视下的图像。虽然对于地学数据场的表达是 二维的，而不是真三维实体空间关系的描述( 常称之为2 5 维可视化) ，但它对 可视化效果有了很大的改善。由此也燃起了人们对3 d g i s 良好发展前景的美好 希望和期盼。 三维g i s 是二维g i s 发展到一定阶段的必然产物。事实上3 d g i s 的研究 中至少包含着两个方面相互关联的内涵，一是三维数据结构的研究；二是三维 地理研究对象的可视化研究。前者是空间实体对象在计算机中的字节表示，是 可视化的基础。由于2 5 维g i s 实质上还是停留在“地图”层次上，是对现实 世界的抽象表达。虽然在其上可以进行一些空间分析以揭示地理事物之间的某 些关系，但不能给予应用者一个还原的“真实三维世界”，从而模拟在现实环境 中去认识地理事物。所以地学研究与应用中呼唤真三维的出现。然而真三维表 达受限于三维数据结构和模型，故而大批的研究就主要注重于对三维g i s 的数 据结构和模型的研究，如基于不规则四面体格网的三维矢量数据模型( p i l o u t 等) 口1 ；矢量与栅格集成模型( 龚健雅等，1 9 9 7 ) 【9 】：四级矢量化八叉树结构 ( 肖乐斌，1 9 9 9 ) 【1 0 】；s u r f a c e a n d v o l u m e b a s e d3 dm o d e l ( s h iw e n z h o n a ， 3 d g i s 中大数据量场景的可视化研究 2 0 0 0 3 【1 1 】：栅格矢量体化模型( 边馥苓等，2 0 0 0 ) 【幢】等等。但这些研究基本 上都还只是在理论层面，离真正的实用化还有一段距离。后者，可视化是信息 的全面集成，是研究者通过数字手段感知研究对象的必备的环境。 三维场景的可视化，涉及的地物复杂多样，因此数据量巨大。k o f l e r 和 c r u b e r 曾以维也纳一个有5 6 座建筑物的小区做实验，仅5 c m 5 c m 一张像片 像素的存储量已占用1 2 m 若以全市为对象，建筑物的信息量就需要1 0 0 g ， 加上环境要素，个三维的显示系统需要5 0 0 g 的存储和处理能力【6 】。庞大的 数据量已成为了三维可视化的瓶颈，更使实时动态显示难以实现。虽然随着硬 件技术的发展，在一定程度上可以缓解这种矛盾，但在现实条件下研究如何压 缩数据、减小模型复杂度以达到较强的实时性更具有现实意义。c l a r k 1 3 在1 9 7 6 年提出的l o d ( 1 e v e lo fd e t a i l ) 思想为这一目的提供了一个解决问题的方向。 l o d 技术在计算机图形学领域是一个研究热点。同样，在三维g i s 中涉及到大 量的、种类繁多的、结构复杂的地理事物，其可视化难度比其他领域更大，也 需要研究如何采用l o d 思想来解决交互式实时显示的问题。 国家8 6 3 计划信息获取与处理技术主题数字城市空间信息管理与服务系 统及应用示范课题的子课题“数字城市应用系统关键技术研究及软件开发” 项目中对大地域范围的三维景观的可视化提出了更高的实时动态显示要求，因 此依托于该项目，基于现有技术，寻求改进，探讨建立三维g i s 场景的可视化 中多分辨率层次模型的方法，实现大数据量场景实时动态可视化是本文的重要 研究目标。 1 2 三维g l s 中可视化研究发展现状 1 2 1 研究现状 在计算机图形学领域，三维可视化是一个重要的研究方向，许多研究人员 己经进行了大量卓有成效的研究，并有许多成熟的技术已经应用到实际中，出 现了大量的优秀的可视化软件产品，如3 d m a x 、m a y a 、e v s 、a v s 等。这 些产品主要应用于游戏、电影动画、工业设计以及某个专业领域的研究，而与 g i s 有较少的联系。 ”j 视化理论与技术用于地图学与g i s 始于9 0 年代初。国际地图学协会 1 第一章引言 ( i c a ) 1 9 9 3 年在德国科隆召开的第1 6 届学术讨论会上宣告成立可视化委员会 ( c o m m i s s i o n o nv i s u a l i z a t i o n ) ，其主要任务是定期交流可视化技术在地图学领 域中的发展状况和研究热点，并加强与计算机领域的协作。1 9 9 6 年该委员会与 美国计算机协会图形学专业组( a c m s i g g r a p h ) 进行了跨学科的协作，制订 了一项称为“c a r t op r o j e c t ”的行动计划，旨在探索计算机图形学领域的理论 和技术如何有效地应用于空间数据可视化中，同时也探讨怎样从地图学的观点 和方法来促进计算机图形学的发展【14 1 。g i s 研究者开始把计算机图形学的理论 和技术引入，改善、促进g i s 的可视化。二维g i s 的可视化技术目前已经基本 成熟。 可视化是三维g i s ( 3 d g i s ) 的重要研究内容。许多人进行了大量的工作。 主要集中在地形表面的重构、房屋建筑几何模型建立等方面。特别是在地形表 达方面尤为突出。由于受地形大数据量的制约，地形的研究主要集中在多分辨 率模型的生成方面。早期的多分辨率，多采用基于t i n 的层次结构三角剖分来 生成，如文献【1 5 】、【1 6 】但是由于计算量大，不适合于实时交互需要【1 7 。k l e i n 1 8 】 采用一种与视点相关的t i n 数据结构来表示交互中的集合信息。当视点改变时， 采用d e l a u n a y 三角剖分法重构t i n 。这种方法虽然可以精确控制误差，但是 局部的修改会影响到全局，从而影响到整体速度。l u e b k e 19 】等提出了一种基于 顶点数的简化算法，它可以对任意几何模型进行简化。h o p p e 2 0 将他提的渐 进式网格模型也应用到地形当中，并且提供了与视点相关的支持。为了避免三 角剖分给全局带来影响，他在算法中将地形预先分成大小相等的若干块，在块 内进行渐进式网格剖分。由于不能解决拼接问题，块与块没有简化，这在一定 程度上影响了模型简化的效率【2 1 1 。l i n d s t r o m1 2 2 、王璐锦 2 3 】、马东洋1 2 4 等也从 其他方面对多分辨率地形模型进行了研究。 城市建筑是3 d g i s 可视化中的一个主体内容。建筑物的建模基本上分为两 种方法：结构实体法( c s g ) 和边界表示法( b r e p ) 。c s g 方法是采用预定 义的图元来表示模型，如立方体、圆柱等。其特点是模型关系简单，数据量小， 但是由于形体的边界几何元素是隐含的，故显示与绘制需要较长时间伫5 1 ；而 b r e p 方法是用点、线、面和体来精确描述物体的边界。它适合于对物体空间 的分析和操作，但是数据存储量大，计算速度慢。常歌等【2 6 】在城区建筑物3 d 3 d g i s 中大数据量场景的可视化研究 景观建模中试图将两种方法结合起来。h u i i n gz h a o r y o s u k es h i b a s a k i ( 1 9 9 8 ) 利用数字相机与激光扫描仪获取大比例尺建筑物数据。杨必胜等【2 1 则采用分层 组合的办法建立模型，虽然比较灵活，但数据冗余大。孙敏等社8 】提出基于表面 剖分的三维城市模型，将体状实体以其外表面进行表达。a it i n g h u a l ”】等在 城市g i s 中基于地图综合对建筑物的多尺度表达进行了研究，但是它是二维的， 缺乏在三维层次上的多尺度表达。a l e x a n d e rk o n i n g e r a o l 在城市规划中 建立了基于3 d g i s 的可视化环境，其对建筑物模型分成了三个l o d 层次。从 c a d 中直接获取建筑几何数据是一种常用的方式，但g i s 研究者们对于建筑物 不仅关心其外形的描述并且要求知道其几何结构和属性特征，以便能够对其进 行空问分析和属性查询。而二维g i s 在城市空间数据管理方面具有成熟的经验， 因而将二者结合是目前在3 d g i s 中比较流行的方法。 树等地物也是场景中重要的组成部分。树木的三维建模一直是计算机图形 学领域的一个研究热点，大量学者对此进行了深入研究：a o n o 3 l 】等提出了a 一 系统；o p p e n h e i m e r 3 2 提出了基于分形技术的树木建模方法；r e e v e s ”】提出了基 于粒子系统的树木建模方法；r e f f y e f 3 4 j _ 黜了基于蕾变化的忠实于树木真实 结构的建模方法：w e b e r 【3 5 1 等提出了树木的分步生长模拟方法；p r u s i n k i e w i c z l 3 6 1 等提出了基于l 系统的树木生长模拟方法；i l y as h l y a k h t e r 1 3 7 】等则研究了从照 片上重构三维树的模型。这些方法从不同的角度研究了树木的空间形态建模， 更多的具有几何图形学的意义。d a v i dj b u c k l e y 3 8 l 在森林资源评价中采用了将 可视化软件与g i s 集成的方式构建了虚拟森林。但树木构造完全采用几何实体 模型，造成在表达大范围场景时数据量过大，无法实现实时性。r o d n e y h o i i l l 【e s 【3 9 等采用纹理映射的方法构建了单株树木和密集型树木，然而由于缺乏几何空间 信息，从不同视角看到的树木都是同一个方向树的图像，明显没有空间真实感。 由于树木具有分形空间特征，孙敏等【4 0 】提出了将树的分形模型与图像替代模型 相结合的办法，在一定程度上达到了逼真和快速之间的协调。 对于场景的三维可视化表达，目前基本上采用四种技术【”1 ：几何造型 ( g e o m e t r i cm o d e l i n g ) ，是为构建象树木、建筑物、道路等地物的一种几何模型 化技术，将各种地物目标组合起来则可以产生不同视角的场景图。其中几何造 型又分两种类型，一种是直接用简化几何模型来表示，比如树干用圆柱、树冠 墨= 望! i 一 用圆锥的表达方式，这种方法虽然比较简洁，计算量不大，容易实现，但缺乏 真实感，视觉效果差：另一种是用几何实体模型来表示，这种方式能够精细地 表达地物对象，但是数据量过大，不寅过多采用：视频影像( v i d e oi m a g i n g ) ， 即借助数字影像的剪贴来表示景观的变化，通常要利用各种图形软件，它属于 手工密集型，带由操作者主观的艺术创造特征：几何视频影像( g e o m e t r i c v i d e oi m a g i n g ) ，是前两种的综合技术，其技术难点在于精确建立影视图像于 g i s 生成的3 d 透视框架之间的地理基准关系：图像覆盖( i m a g ed r a p i n g ) ， 是一种g i s 图像处理技术，如把一幅数字正射相片或卫星影像覆盖到3 d 透视 图上。 g i s 自身的早期软件产品对三维可视化关注较少，近年来，随着图形学理 论与技术在不同领域的应用与发展，用户对三维g i s 的需求日益增强，三维 g i s 的良好应用前景，吸引了国内外众多g i s 软件公司目光，纷纷投入很大的 力量进行了研发，迅速推出了一批具有三维可视化功能的g i s 软件或模块，如 e s r i 公司的a r c v i e w3 d a n a l y s t 扩展、i n t e r g a r p h 公司的g e o m e d i at e r r a i n 模 块、吉奥公司的c c g l s 等。它们的功能主要集中在地形和建筑的表达、属性 查询、可视化观察、可视化分析、空间量算等方面。在小区域、适当数据量条 件下具有较好的应用效果，但对于大范围、复杂环境及海量数据的逼真、实时 可视化还显得不足。特别是对自然场景( 植被) 的可视化表现力不够，往往采 用简单几何模型代替，缺乏真实感。核心问题在于对景物的真实逼真表达，通 常采用的真实几何模型，其数据量和计算量都很大，加上纹理映射，在常规硬 件条件下，使得实时动态显示难于实现。 1 2 2 存在的问题与困难 从上面分析可以对目前3 d g i s 相关研究中还存在豹问题归纳如下： 缺乏通用的三维数据结构。前已述及，三维数据结构影响着三维可视化中数 据的存取和表达。当前三维数据结构的研究虽然已经获得了一些进展，出现了 许多值得关注的成果，但是仍然缺乏一个通，罨的三维数据结构，它无疑制约着 3 d g i s 及其可视化的发展。 缺乏存储3 d g i s 对象的数据库模型。一期三维可视化技术主要采用文件系 3 d g i s 中大数据量场最的可视化研究 统方式来存放数据，这种方式虽然可以提供较快的数据存取速度。但是对于更 大数据量的场景，由于其无法将巨大的数据全部加载至内存，而只能将火数据 文件分割成更小的独立的文件，这样各个子文件的分别加载无疑降低了存取效 率和连续性，从而导致各个子场景之i 司不能实现平滑地过渡，而且相互之间难 以实现无缝地查询等空问操作。而另一方面，数据库管理具有许多优点，如数 据共享，事务控制，安全保护等。因此面对大数据量的三维可视化，采用基于 数据库技术的数据存储以及基于此建立可视化系统结构是必然的选择。 2 d g i s 采用的是关系数据模型。关系模型采用e r 模型描述实体关系，使 用s q l 查询语句，侧重点是对象之间属性的聚集。也就是说，实体对象模型描 述的是实体的外在特征的关联，对于空间数据的属性查询，这是非常理想的解 决方案【4 “。对于大多数地理信息系统的应用而言，象维护，更新，空间分析和 快速数据获取等操作，r d b m s 已经能够提供充分的支持，但是，空间数据的 之问的空间关系是它们的内在联系，是由空问地物的地理位置关系决定的，并 且往往是多对多的、错综复杂的关系，特别是3 d g i s 所研究的对象更是具有复 杂的空间结构和关系。在描述这种关系时，由于受关系数据库范式的制约，目 前的关系模型缺乏空间实体数据定义和空间关系查询的能力 4 3 】。为此，许多的 g i s 研究都提出了与s q l 相类似的”空间查询语言”( s p m i a lq u e r yl a n g u a g e ) ，但 目前仍处于不成熟的阶段。显然需要一种更新的数据库模型来代替关系模型。 针对关系数据库模型的缺陷，两种改进的数据库系统被提出。一种是对象 关系数据库系统( o r d b m s ) ，它是在关系数据库的基础上，利用面向对象技 术的建模能力对空间对象进行构造、管理和查询1 。s c h e ka n dw a t e f f e l d 4 s 】， h a r d e rt 4 6 】，g u t i n g 4 7 】，s v e n s s o na n dz h e x u e d 8 1 ，v o r w e r ka n d r a y m o n d l 4 9 】等都 曾对此进行过研究。另一种则是面向对象数据库系统( o o d b s ) 。它采用面向 对象技术就把空间实体的层次结构及复杂对象由一个面向对象的数据模型来描 述，该对象是一个包含了数据集与操作集的实体。面向对象数据模型的个突出 优点是：一一个对象类使用一个相应的数据结构，无论空间实体对象多么复杂、包 含多少对象的嵌套关系，一个对象对应于结构表中的一条已录f 5 0 】。当前虽然已有 些o o d b s 的原型系统出现，如g e 。十十【s l l 、g e 0 0 2 i 5 2 1 、g o d o t l 5 习等，但是在诸多 方丽还不成熟，使之难以得到广泛地采用。相比之下，o r d b m s 将面向对象与关 第一章0 高 系模型结合起来似乎更有实用性，并将在很长一段时期内保持着这种状况，尽 管它对于空间数据管理的效率不高。从长远的观点来看，空间数据的管理仍然 是期待成熟的面向对象数据库的出现，从而高效地管理空间对象。 大范围场景的绘制。当前许多3 d g i s 系统或应用中可视化已经有了很好的表 现力，画面甚至很精致。但是往往可视化所涉及的区域范围却很小，多数都是 针对某一有限区域来进行的。对于更大范围，比如一个大城市、省级行政区域， 乃至一个国家这样大区域范围目前还无法做到实时的可视化。其中重要的原因 就是数据量过大。解决这问题需要从数据的存储、压缩、管理等多方面进行。 优良图形语言的支持。在过去的十几年中，图形硬件已走过一条从v g a 到 2 d ，再到3 d 以至目前的可编程化的道路，使得图形应用的门槛逐步降低。许 多高端的图形技术，如c u b e m a p p i n g ，t & l ( t r a n s f o r m l i g h t i n g ) 等可以迁移到普 通的p c 平台。但是现代的图形语言并未能及时跟上硬件的发展，o p e n g l 和 d i r e c t x 都受到许多方面的限制，尤其是提供对接口可编程化能力，不能充分发 挥硬件的性能1 5 “。虽然许多生产制造商在o p e n g l 的基础上增加了不少的扩充 功能，正是由于这样，不同厂商之间的标准相互不能兼容。尽管厂商之间也做 出了很大的努力，尽量相互之间能够兼容，但是最根本的问题是，这些扩充是 部分依赖于硬件的。所以一种新的独立于硬件的图形语言标准需要制定出来， 从而更好地支持图形硬件资源与性能的利用。 1 3 本论文的研究重点 主要围绕大数据量的3 d 可视化实现，从两个方面的思路进行：一是减少所 需绘制的场景数据；二是加快绘制的速度。当然在具体实现过程中还要涉及众 多的理论和技术，比如数据库理论、计算机图形学技术、图像处理、图形硬件 等。限于条件，我们不可能关注所有方面的问题，只能结合课题的目标，从某 些方面进行改进或深入研究，以期达到有效推动可视化有所发展的目的。具体 地，我们着重从以下几个方面进行研究。 1 ) 研究如何建立可视化对象的多分辨率模型和快速地场景加载。其中主要 探讨地形多分辨率模型的数据结构和形成的评价规则：场景数据的组织策略也 是重点研究的内容。 3 d g i s 中大数据量场景的可视化研究 2 1 研究空间数据搜索算法的改进。可视化场景绘制中，空间对象的选择和 搜索是必不可少的，针对地理空间的对象，如何提高现有算法的效率将对场景 的加速绘制具有重要作用。 3 ) 研究图形硬件资源的充分利用。图形硬件是图形绘制的资源，充分利用 其功能，对于加速绘制是必需的。 4 ) 真实感场景的渲染需要光照因素，利用遥感数据，研究基于b r d f 光照 模型在真实感场景绘制中的应用。 5 ) 研究基于组件的三维可视化核心功能开发，并实现基于分布式数据库的 实验系统，以淄博数字城市为试点。 另外还要考虑实验系统的可视化平台选择。现代的图形应用一般都基于一 定的图形引擎，目前在图形技术领域主要有两大类主流图形引擎：一是m i c r o s o f t 的d i r e c t 技术：二是s g i 的o p e n g l 技术。d i r e e t 3 d 是m i c r o s o f t 多媒体应用软 件d i r e e t x 开发库中的一部分。它在w i n d o w s 平台上具有较好的应用，但是依 赖于平台。o p e n g l 是最早形成的3 d a p i 标准，是由s g i 公司为首，联合了i b m 、 i n t e l 等8 家公司在1 9 9 2 年共同制定的。它是一套独立于操作系统的三维图 形库，具有良好的跨平台移植能力。o p e n g l 提供了十分清晰明了的图形函数， 功能底层，程序的编制十分灵活，可控性强。考虑可移植性和灵活性，我们选 择了o p e n g l 作为可视化的图形引擎平台。 1 4 论文结构 基于选择的研究重点，本研究论文的章节安排如下： 第一章引言。提出论文研究的目标和意义，通过对3 d g i s 中的可视化研究发 展现状的回顾，指出可视化面临的困难。最后提出研究的重点内容和采 用技术。 第二章大数据量场景数据的简化与组织。研究可视化对象的模型简化，特别是 地形和树木。同时对场景数据的组织管理进行研究。 第三章基于r 树的空间数据索引算法的改进。研究基于r 树的空间数据快速 索引问题。重点在于改造原有数掘结构，创造新的算法以提高效率。 第四章场景绘制中的硬件加速。研究如何充分利用硬件资源，以实现场景绘制 第一章引言 加速。 第五章场景中b r d f 光照模型的应用。比较真实感场景绘制中不同的光照模 型，主要研究b r d f 光照模型的应用对于真实感场景表现的作用。 第六章可视化应用实例以数字淄博为实例。研究的三维可视化技术在数字 淄博中的应用与实现，最终形成数字淄博可视化实验系统。 第七章总