三维可视化技术与GIS工程

1、三维可视化技术与 GIS 工程一、前言 目前，科学可视化、计算机动画和虚拟现实技术蓬勃发展， 并成为计算机图形学领域的三大热门研究方向， 它们的核心都是 三维真实感图形 1 ，也就是三维可视化技术。三维可视化技术 是目前计算机技术和图像图形学发展的热点之一， 它是依靠视觉 效果将数据所要表达的信息直观显示出来的一种最好的方法。 传 统的地理信息系统对实物的空间立体感表达就比较抽象， 将三维 可视化技术引入 GIS 领域中可以动态地、形象地、多视角地、多 层次地、 如实逼真地描绘地球科学中的客观现象。 如通常所见的 地形三维可视化、虚拟战场、数字社区和虚拟城市等。本文结合 在 GIS 中的应用介

2、绍三维可视化开发的基本方法。二、三维可视化 GIS 关键技术 三维可视化技术可以简单的分解为三种技术的结合 : 可视 化、三维和GIS。下面分析了可视化技术、虚拟现实、体视化技 术、三维技术等关键技术。1、可视化技术可视化，也称为科学计算可视化 (Visualization in Scientific Computer), 它是指运用计算机图形和图像处理技 术，把科学数据转换成可视的、能帮助科学家理解的信息，并进 行交互处理的理论、方法和技术。GIS可视化技术是目前信息领域中广泛应用的一项技术， 它通过强大的、 有效的地图系统将复 杂的空间和属性数抓以地理的形式进行描述， 具有界面风格人性 化

3、设计，实现了文本、图形和图像信息相结合的定位、查询、检 索模式信息表达形象化、自观化操作简单便利等特点 2 。2、虚拟现实虚拟现实 (Virtual Reality)技术是一个由图像技术、传感器技术、计算机技术、 网络技术以及人机对话技术相结合的产物。 它以计算机技术为基础，利用高性能、高度集成的计算机硬、软 件及各类先进的传感器，去创造一个使参与者处于一个三维视 觉、听觉和触觉的环境，具有完善的交互作用能力、能帮助和启 发进入虚拟境界的参与者的构思的信息环境。 利用计算机系统提 供的人机对话上具， 同虚拟环境中的物体交互操作， 使用户仿佛 置身于现实环境之中， 使参与者足不出户就能身处异景，

4、 如遥远 的太空、海洋深处、甚至是微观世界。3、体视化技术三维体可视化技术是真正的三维。 它是由完全的三维空间体 数据构建模型， 可以对模型切割来获取内部信息。 它是每一个空 间点对应三个方向， x, y, z ，也就是在一个空间坐标上放置每 一个属性点，可以由关系 V = .f (x, y, z)表示， V 表示空间点的属性值， x, y, z 分别表示空间坐标 3 。空间三维实体的可视化， 即体视化主要是处理和分析各种体 数据，并对这些体数据进行变换、操作和显示，其目的是让人们更清楚地认识蕴含于体数据之中的复杂的结构。 体数据可以看成 是在有限空间中的一种或多种物理属性的一组离散采样， 它

5、可以 表示成:ƒ(x) , x Rn； x是n维空间的采样点的集合， 因此也有人把体数据成为数据集。4、三维技术 三维立体显示的出发点是运用三维立体透视技术和计算机 仿真技术， 通过将真实世界的三维坐标变换成计算机坐标， 通过 光学和电子学处理， 模仿真实的世界并显示在屏幕上。 三维技术 广泛应用在资源环境模型、地形模拟、CAD辅助设计、影视特技、 广告设计等方面。它具有可视化程度高、表现形式灵活多样、动 态感和真实感强、资料更新方便等优点。三、三维可视化算法 直接体绘制技术具有能够产生三维数据场的整体图象， 包括 每一细节，并具有图象质量高，便于并行处理等优点，因而成为 当

6、前科学计算可视化中有吸引力的重要研究课题之一。 鉴于直接 体绘制技术的优势， 下面重点介绍了光线投射法， 移动立方体法 以及 Z-Buffer 消隐算法 4 。1、光线投射算法光线投射算法是目前使用最广泛的体绘制方法之一。 对于图 像平面上的每一象素， 从视点投射出一穿过该象素的视线， 该视 线穿过体数据空间， 算法直接利用该视线上的采样值计算该象素 的光强。其过程包括：数据预处理；数据值分类；重新采样；图象合成2、移动立方体法移动立方体法 (Marching Cubes 算法) 是三维数据场等值面 生成的经典算法， 是体素单元内等值面抽取技术的代表。 与光线 投射法不同，移动立方体法属于表面

7、拟合算法之一。移动立方体法基本思想为： 首先逐个体素依次处理， 找出该 等值面经过体素的位置， 求出该体素内的等值面并计算出相关参 数，以便绘制出等值面。等值面的定义如下：(x, y, z)| s (x, y, z) = c0， c0 是常数。其中 s(x, y,z) = a0+a1x+a2y+a3z+a4xy+a5xz+a6yz+a7xyzai (i=0, 1,., 7)为常数，它们由体素的八个角点值唯一决定。该算法中， 体素是一逻辑上的立方体， 由相邻层上的各四个 象素组成立方体上的八个顶点。 算法以扫描线方式逐个处理数据 场中每一立方体体素， 求出每一体素内包含的等值面， 由此生成 整个

8、数据场的等值面。3、Z-Buffer 消隐算法从一个视点去观察一个三维物体， 必然只能看到该物体表面 上的部分点、线、面，而其余部分则被这些可见部分遮挡住。如 果观察的是若千个三维物体， 则物体之间还可能彼此遮挡而部分 不可见。因此，如果想有真实感地显示三维物体，必须在视点确 定之后，将对象表面上不可见的点、线、面消去。执行这一功能的算法，称为消隐算法。Z-Buffer算法的步骤如下：(1)初始化，帧缓冲器 CB置成 背景的光强或颜色，Z缓冲器ZB置成最小z值；(2)对多边形P, 计算它在点 (I,j) 处的深度值 zij ； (3) zij>ZB(i,j) ，则 ZB(i,j) =zi

9、j, CB(i,j)二多边形P的颜色；对每个多边形重复(2), 两步，最终在CB中存放的就是消隐后的图形。四、三维可视化GIS实体的表达和三维数据的可视化对于三维地理信息系统的空间数据的表达和二维地理信息 系统有一定的差别， 因此在数据实体的表达上， 也有三维地理实 体的特点。 国内学者李清泉等人提出了以下表达建筑物和地形的 三维信息5:地形被表达为数字高程模型(DEM、数字地形模 型(DTM)；建筑、构筑物等用实体(CSG)和边界表示(B-rep)。每 种不同的表达方式都有各自的特点， 根据不同的口的和不同的要 求而定。在国内，地形数据的表达普遍采用的是DEM和DOME配，生成地形图； 建筑

10、物通常以 2.5 维的形式存在， 之后进行纹理贴 图。DTM是描述地表单元空间位置的和地形属性分布的有序集 合，是定义于二维区域之上的一个有限向的向量系列。 它以离散 分布的平面点来模拟连续分布的地形， 通过存贮在介质上的大量 的地面点空间坐标和地形属性数据，以数字形式来描述地形地 貌。它随用途不同具有不同的数据结构， 但一般均可变换成为规 格点组成的栅格数据形式。DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广 义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表 示。在GIS中，DEM是建立三维地形的基础数据，其他的地形要 素可由DEM直接或间接导出，成为“派生数据”，如坡度、坡向。

11、 DEM主要有三种表示模型:规则格网模型(GRID、等高线模型和不 规则三角网模型 (Triangulated Irregular Network ， TIN) 。由于三维几何表示能提供物体的几何描述， 使空间物体可用 计算机来存贮、处理、显示。物体3D表示可以有多种方法，大致分为基于体表示和基于面表示两大类， 其中，具有代表性的是 结构实体表示 (Constructed Solid Geometry, CSG) 和边界表示 (Boundary representation, B-rep) 方法。CSC方法在计算机辅 助设计(CAD)中应用广泛，它通过预定义的模型单兀来表示空间 物体，这些单元

12、具有规则的形状，如 : 立方体、圆柱体、圆锥体 等，单元间的关系主要是布尔操作。CSC方法的优点是模型关系简单，便于显示和数据更新， 缺点是空间分析难以进行 : 而 B-rep 表示方法，可以通过对构成物体边界的点、线、面和体四种类型 兀素的精确描述， 即能够精确表示物体几何位置以及兀素间的拓 扑关系， 虽然 B-rep 方法适于空间操作和分析， 但存储空间占用 多，计算速度较慢。五、三维可视化在 GIS中的应用目前在社会的各行各业中， 地理信息三维可视化系统都得到 了广泛的应用 6 ：1. 城市：地理信息三维可视化系统应用于城市建设的很多领 域，如大楼的建筑结构和住户管理、空气污染与流动状态

13、监测、 地下水源污染监测、地下管线的规划与管理等。2. 环境：二十一世纪全社会都更加重视环境保护， 地理信息 三维可视化系统可以表达大上、地面、地下多层次的环境状况， 更好地模拟真实三维环境，帮助人们更好的管理与治理环境。3. 地质：地质是资源、矿山、环境等众多学科与工程应用的 基础。 地理信息、 三维可视化系统应用于表达复杂的三维地质构 造形态 （如地层界面、不整合面、断层等不规则的面状构造 ），表 达岩石内部结构 （ 如层理、纹理、走向、孔隙度、孔隙连通方向 等微细的内部构造 ） 以及岩体内部物质的分布状况。4. 矿山：在矿山领域， 地理信息三维可视化系统平台应用于 表现矿体及围岩形态，表达巷道、采矿工作面形态，表达矿井风 流状况、瓦斯浓度、地场应力等三维现象，如果再加上各种知识 库、专家系统，还可支持三维环境下的工程管理与决策。5. 海洋： 二十一世纪是海洋的世纪， 海洋的研究与管理在我 国可持续发展战略中将占据越来越重要的位置。 海洋在不同深度 的含盐量、水温、压力、水流方向都是不同的，地理信息三