第8章三维电子地图课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子地图设计,Electronic Map Design,赵卫锋,1,长安大学地测学院,电子地图设计Electronic Map Design赵卫,课程主要内容,第一章 绪论,第二章 电子地图的理论基础,第三章 电子地图的数据模型,第四章 电子地图的结构设计,第五章 电子地图的软件系统,第六章 嵌入式电子地图,第七章 网络电子地图,第八章 三维电子地图,第九章 电子地图研究热点,2,课程主要内容第一章 绪论2,内 容,8.1,三维电子地图概述,8.2,三维电子地图的空间数据模型,8.3,三维电子地图的数据获取,8.4,三维电子地图的地形建模技术,8.5,三维电子地图的地物建模技术,8.6,三维电子地图的场景组织,8.7,三维电子地图的可视化技术,8.8,三维电子地图的应用与发展趋势,3,内 容8.1 三维电子地图概述3,8.1,三维电子地图概述,近几年来，随着计算机技术，特别是计算机图形学、网络、多媒体、虚拟现实（,VR,）、三维仿真技术的快速发展，给电子地图注入了新的活力，电子地图正在向多媒体、网络、三维和时态等方向发展。随之，出现了多媒体电子地图、网络电子地图、三维电子地图和时态电子地图，其中基于三维虚拟场景的三维电子地图是电子地图发展的一个重要方向，也是人们认识和表达空间地理信息的有力工具。,4,8.1 三维电子地图概述 近几年来，随着计,目前迅速发展起来的的三维可视化技术和虚拟现实技术已经被广泛地用于进行各种三维数据的可视化，例如地景仿真、城市景观重建等等，同时也为传统地图学带来一次新的技术革命。,三维电子地图是基于地图学的，因此它的研究重点不是栩栩如生的景观绘制，而是真正意义上的三维空间的地图符号化。,现代地图学理论仍是三维电子地图的理论基础，而电子地图的研究为之提供了有力的技术支持，同时已广泛建立的地图数据库又提供了丰富的数据来源，因此三维电子地图必将成为地图应用的新领域，其研究与开发也将受到极大的关注。,5,目前迅速发展起来的的三维可视化技术和虚拟现实技术已经被广泛地,8.1.1,三维电子地图的定义,三维地图模型,三维地形图,三维电子地图,6,8.1.1 三维电子地图的定义三维地图模型6,三维地图模型,三维地图模型可以被定义为对现实世界或其中的一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述（或综合）。而这些方面主要是地形以及基于地形的其它专题要素。,7,三维地图模型7,三维地形图,We define a topographic 3D-map as a cartographic representation of a landscape section in a perspective view,，,combined with topographic information that is defined in a legend.,8,三维地形图 8,三维电子地图,三维电子地图是基于三维地图模型的可视化产品，它强调的是三维空间的符号化。,9,三维电子地图9,8.1.2,三维地图模型的逻辑组织,从几何模型的角度,点状目标,线状目标,面状目标,体状目标,从地理要素的角度,三维地形,三维模型,三维地物,10,8.1.2 三维地图模型的逻辑组织从几何模型的角度 10,点状目标,点状目标是一个零维空间目标,可以用来表示三维空间中的点状地物,如水井、树或电线杆、交通标志,路灯等。它只有空间位置而无空间扩展。所有的点状实体均包含了三维空间实体的位置信息,即,x,、,y,、,z,坐标。,11,点状目标11,线状目标,线状目标是一个一维空间目标,可以用来表示三维空间中的线状地物,如铁路、公路、桥梁、河道、输电线路及其它管线等。它只能用长度来作为其空间度量。线状实体可以是一个封闭曲线,也可以是具有多个分支的曲线。,12,线状目标12,面状目标,面状目标是一个二维空间目标,可以用来表示三维空间中的面状地物,如部分道路，水域,植被的覆盖区域等。它可以用面积和周长来作为其空间度量,任意一个面状实体均可以剖分成有限多个面（三角面）。,13,面状目标13,体状目标,体状目标是一个三维空间目标,可以用来表示三维空间中的体状体物,如建筑物、立交桥、矿体、丘陵等。它可以用体积和表面积来作为其空间的度量。任意一个体状实体均可以剖分成有限多个沿着其边界进行粘合的面（三角面）。,14,体状目标14,8.1.3,三维电子地图的特点,1,、具备传统地图的三个基本特性：,可量测性：有严格的数学基础,直观性 ：实施制图综合,一览性 ：使用地图语言,15,8.1.3 三维电子地图的特点1、具备传统地图的三个基本,2,、,A topographic 3D-map inherits some important properties of traditional topographic maps as listed by Hake and Gruenreich (1994):,(1)The geographical position of all elements is defined and can be extracted by the reader.,(2)All mapped elements belong to defined categories.,(3)These categories of map elements differ clearly from each other.,16,2、A topographic 3D-map inherit,3,、,An important difference to traditional topographical maps is the visualization of topographical context. In the orthogonal perspective of a 2D-map, the topography is symbolized by contours, terrain points and shaded relief. In the topographic 3D-map, the topographic context of a map element is visualized directly in the perspective view, as long as the elements are visible. Thus the interpretation of landscape forms becomes much more intuitive.,17,3、An important difference to t,4,、,A three-dimensional interactive topographic map does not know any spatial, thematic and temporal limitations. It offers the user the possibility to choose its virtual position within the map, permitting a more accurate perception and interpretation of the spatial and other related information.,We are convinced that the use of this technology in the domain of cartography domain would significantly improve the quality of cartographic products and open new areas of application.,18,4、A three-dimensional interact,8. 2,三维电子地图的空间数据模型,三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，它反映了现实世界中空间实体及实体间的相互联系。对三维空间数据模型的认识和研究在很大程度上决定着三维系统的发展和应用的成败。很多学者为此进行了大量的探索和研究工作，然而，由于三维空间数据的庞大和复杂多样，至今人们对三维数据模型问题还远远没有达到共识。,19,8. 2 三维电子地图的空间数据模型 三,根据对现实世界提取方式的不同,目前三维空间数据模型主要有,4,种类型,:,基于镶嵌的数据模型,(,Tessellating model,),基于矢量的数据模型,(,Vector model,),混合型数据模型,(,Hybrid model,),分析型数据模型,(,Analytical model,),。,20,根据对现实世界提取方式的不同,目前三维空,21,21,1.,基于镶嵌的数据模型,基于镶嵌的数据模型是将三维空间划分成一系列连通但不重叠的几何元素,它可以看成是二维镶嵌模型的扩展。,三维镶嵌模型常用的方法有,单元分,解法,(,cell decomposition,),、空间枚举法,(,spatial occupancy enumeration,),、四面体格网模型等几大类。,22,1.基于镶嵌的数据模型22,2.,基于矢量的数据模型,目前常见的基于矢量的数据模型主要有线框表示法,(wire frame representation,WFR) ),和边界表示法,(boundary representation,BR),两种 。,23,2.基于矢量的数据模型23,3,分析型数据模型,分析型数据模型采用函数方程,如非均匀有理样条,(NURBS),函数等,来表示构成三维空间实体及其边界的曲线、曲面或平面,并用解低阶方程来确定曲面的交线。该方法能够精确地表达某些空间实体,所需存贮量小,运算速度快,并可以保证空间唯一性和几何不变性,但由于三维目标的形态较二维更复杂,它们难于用统一的数学方程来表达。,24,3分析型数据模型24,4,基于混合结构的数据模型,基于混合结构的数据模型是将两种或两种以上的数据模型加以综合,形成一种具有一体化结构的数据模型。它采取一种折衷的方法,减少了镶嵌型和矢量模型的不足,同时,也降低了他们各自的优越性。比较有代表性的方法有几何体素构造法,(constructive solid geometry, CSG),、基于八叉树和四面体格网的混合模型,(octree + TEN),、面向对象的三维空间数据模型、基于多种表示的,CSG + octree,数据模型,;,基于,TIN + octree,的混合型数据模型等。,25,4基于混合结构的数据模型25,8.3,三维电子地图的数据获取,1,、地形数据,（,DEM,）,根据地形图上等高线及高程数据生成,;,直接使用地图数据库中的,DEM,数据,;,通过处理航摄影像生成,;,由机载激光扫描仪直接扫描并经后续处理得到,;,用,SAR/INSAR,(,干涉合成孔径雷达,),获取等。,26,8.3 三维电子地图的数据获取1、地形数据（DEM）26,2,、建筑物的高度数据,在二维地图数据库基础上按层数粗略求算建筑物高度；,用人工或半自动的方式借助软件基于影像获取,(,以建筑物屋顶数据为主,),；,以研究算法为主，从影像中直接提取建筑物高度以及其它信息；,用机载激光扫描仪结合空中影像、经过算法处理提取建筑物高程，,用激光副距扫描仪结合,CCD,相机从地面获取建筑物高度等；,由混合测量系统获取,;,由干涉合成孔径雷达（,INSAR,）获取,27,2、建筑物的高度数据27,3,、建筑物的几何要素数据,根据地形图,/,地籍图数字化得到建筑物投影平面几何数据,;,将数字地图中的建筑物轮廓线与其高度,(,由层数计算或其它方式得到,),结合,用简单几何体表达建筑物外形特征,;,使用航空影像进行交互获取,;,使用航空影像以及地面摄影对建筑物特征线进行自动提取,;,在地面使用激光扫描仪与,GPS,通过测距求算获取,;,使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取,;,由混合测量系统获取,;,由移动测绘系统获取等,28,3、建筑物的几何要素数据28,4,、建筑物及地面的纹理数据,由计算机生成,;,根据航空摄影像片获取,;,根据卫星遥感像片获取,;,根据地面摄影像片直接获取,;,用机载激光扫描仪结合空中影像,经过算法处理提取建筑物顶部纹理,;,用激光测距扫描仪结合相机从地面获取建筑物立面纹理,;,由移动测绘系统获取等。,29,4、建筑物及地面的纹理数据29,5,、其它矢量数据,规划设计图纸、地形图、地籍图等,;,现有地图数据库,;,野外调查与现有数据库的结合,;,计算机简单模拟绘制等,6,、属性数据的获取,属性数据主要用来进行空间查询,其数据类型主要有,:,用来描述建筑物实体的属性数据,如建筑物名称、社会性质、建筑位置等,;,用来描述地形、地物特征的属性数据,如道路长度、道路名称等。,其它多媒体数据为使用户在,3,维场景中具有身临其境的感觉,还必须有一系列多媒体数据,这里主要指声音文件,一般可以通过现场录制的方式获取。,30,5、其它矢量数据30,7,、在,3DCM,中为了增强真实感,人们还需要考虑以下数据的获取,:,植被、大型树木等的相关数据,需要结合野外调查与现有数据库获取或由计算机做简单的模拟绘制,或直接从航空影像中提取,;,各种景观中必要的修饰对象数据,需要通过野外调查或人为确定,如雕塑、大型装饰物、云雾参数等。,另外,由于以下数据的获取及表达存在着相当的困难,所以目前的研究工作尚未涉及或很少考虑,但这些对象往往非常重要,也是人们十分关注的,在,3DCM,中如何较好地表达这些对象是值得人们深入研究的问题,:,道路以及桥梁、过街天桥、人行地道,;,各种大型工业设施,;,各种复杂建构筑物,如露天体育馆、大型雕塑、电视塔等,31,7、在3DCM中为了增强真实感,人们还需要考虑以下数据的获取,8.4,三维电子地图的地形建模技术,1,、,DTM,与,DEM,数字地形模型,(,Digital Terrain Model,，,简称,DTM,),是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。,DTM,的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法。,最基本的,DTM,是由一系列地面点,x, y,位置及其相联系的高程,z,所组成，用数学函数是的表达是：,z = f(x,y) x,yDTM,所在的区域,32,8.4 三维电子地图的地形建模技术1、DTM与DEM32,在一般情况下，地面特性是高程,Z,，它的空间分布由,x,、,y,水平坐标系统来描述，也可用经度,x,，纬度,y,来描述海拔的分布，这种地面特性为高程或海拔高程的,DTM,也称为数字高程模型,(,Digital Elevation Mode,，简称,DEM,),。,其它地面特性可以是地价、土地权属、土壤类型、地貌特征、岩层深度及土地利用等与地形有关的信息。,DTM,可以是每三个坐标值为一组元的散点结构，也可以是由多项式或富里叶级数确定的曲面方程。,33,在一般情况下，地面特性是高程Z，它的空间分布由x,2,、,DEM,的表示方法,数学方法,用数学方法来表达，可以采用整体拟合法，即根据区域所有的高程点数据，用傅立叶级数和高次多项式方法拟合统一的地面高程曲面。也可用局部拟合方法，将地表复杂表面分成正方形规则区域或面积大致相等的不规则区域进行分块搜索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。,34,2、DEM的表示方法 34,图形方法,-,线模式,等高线是表示地形最常见的形式。其他的地形特征也是表达地面高程的重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。,-,点模式,用离散采样数据点建立,DEM,是常用的方法之一。数据采样可以按规则格网采样，可以是密度一致的或不一致的；可以是不规则采样，如不规则三角网、邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、边界等重要特征点 。,在实际应用中，,DEM,最主要的表示模型是,:,规则格网,(Grid),模型和不规则三角网,(TIN),模型。,35,图形方法35,3,、,DTM,的空间内插方法,DTM,内插按插点分布范围，可分为分块内插、剖分内插和单点移面内插三类。,（,1,）内插方法分类,-,分块内插,-,剖分内插,-,单点移面内插,36,3、DTM的空间内插方法 36,（,2,）空间内插方法,37,（2）空间内插方法37,4,、格网,DEM,及其建立方法,规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分成规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素对应一个高程值。,规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为,DEM,最广泛使用的格式，目前许多国家的,DEM,数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的。,38,4、格网DEM及其建立方法 38,基于地,性,线的,DEM,向矩阵网格转换,1,、地性线数据的矢,/,栅变换,地性线支撑点的栅格化；,沿地性线作高程加密。,2,、其他网格高程的确定（,旋转剖面插值法,）,定义数字剖面,寻找最大坡度剖面,高程插值建立,DEM,（线性插值,/,非线性插值）,基于数字化等高线的,DEM,向矩阵网格转换,等高线的全路径栅格化,DEM,加密,谷地地段与山脊地段的高程插值,基于中轴线的,DEM,生成,39,基于地性线的DEM向矩阵网格转换39,规则格网结构,DEM,的缺点,在地形简单、平坦的地区存在大量冗余数据；,如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区；,对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大；,由于栅格过于粗略，不能精确表达某些重要的地形特征，如山峰、洼坑、山脊、山谷等。,用于非矩形的不规则区域时，边界要做特殊处理。,为了压缩栅格,DTM,的冗余数据，可采用游程编码或四叉树编码方法。,40,规则格网结构DEM的缺点40,4,、不则三角网,TIN,及其建立方法,不规则三角网,(Triangulated Irregular Network,，,TIN),是另外一种表示数字高程模型的方法，是由,Peuker,和他的同事,1978,年设计的一个系统，它是由不规则分布的离散数据点构造出邻接的三角形（三角面）而组成的格网结构。,TIN,模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域内任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。所以,TIN,是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。,41,4、不则三角网TIN及其建立方法 41,不则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点或节点的位置和密度。,TIN,表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点,(,各三角形的顶点,),连接成相互连续的三角面,(,在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等,),。,TIN,是不规则格网中最简单的形态，在等高线追踪、三维显示及其他方面也是最常用、最简单的结构。,42,不则三角网数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决,43,43,基于,TIN,建立的,DEM,的特点：,TIN,能随地形起伏变化的复杂性而灵活地改变采样点的密度和确定离散采样点的位置因而它克服了因地形起伏不大而产生的高程矩阵中冗余数据的问题；,能按地形特征点和线，如山脊线、沟谷线、地形变换线和其它能按精度要求进行数字化的重要地形特征来获取,DEM,数据，不改变原始数据及其精度，保持原有的关键地形特征；,能较好地处理不规则形状的区域边界；,有足够离散点的情况下效果较好。,44,基于TIN建立的DEM的特点：44,5,、格网,DEM,与,TIN DEM,的相互转换,格网,DEM,转成,TIN,保留重要点法（,VIP, Very Important Point,）,启发丢弃法（,DH, Drop Heuristic,）,TIN,转成格网,DEM,两种方法,将,TIN,看作普通的不规则数据点生成规则格网,DEM,将规则格网覆盖在,TIN,上，计算每个格网点落在哪个,TIN,三角形内（面），根据该三角面格顶点的高程进行线性内插，得到格网点的高程。,45,5、格网DEM与TIN DEM的相互转换 45,8.5,三维电子地图的地物建模技术,三维地图的符号化问题是三维电子地图研究的主要内容。在地图学领域已经定义了许多二维地图符号的准则，但这些准则不能适用于三维地图符号。三维符号化问题是相当复杂的，迄今为止还没有系统的、完整的理论研究成果。它的主要任务是基于原始数据库建立三维地图模型。根据三维地图的逻辑组织，三维地图模型是由基于数字表述的地形模型（,DEM,）和基于,DEM,的其它专题地理要素的三维模型组成的。,46,8.5 三维电子地图的地物建模技术 三维地图的符,一、国内外三维建筑物研究状况,1,、,数字摄影测量学,数字摄影测量学科中,主要研究基于地理空间矢量数据和城市大比例尺数字影像的,3,维城市建模与显示。由于城市,3,维景物主要是人造建筑物,所以,3,维建筑物信息的获取与建模是城市,3,维建模的主要内容。目前这方面的典型研究主要有,:,从城市影像中自动提取建筑物,典型研究如检测,2,维建筑物和,DEM,数据、知觉组合、线条分析、使用阴影、透视几何等辅助信息、直接对建筑物或表面进行建模、基于知识的系统,以及通过影像测量并结合物体的几何知识构模出多面体对象模型的方法等。,结合已有的,2,维地图矢量数据利用航空激光扫描或激光高度计数据。,利用,3,维深度传感器、多,CCD,相机和彩色高分辨率数字相机获取的数据实现建筑物建模。,利用虚拟现实,(VR),技术实现,3,维数据的可视化。其他方法如人机交互下的半自动,3,维建筑物建模等。,47,一、国内外三维建筑物研究状况 47,2,、计算机视觉和计算机图形学,在计算机视觉和计算机图形学中,主要研究既包括,3,维物体的建模和显示,即从外向内看的,3,维建模,又包括,3,维真实场景的建模和显示,即从内向外看的,3,维建模。 目前方法分,2,类,:,基于模型的绘制方法,(MBR),和基于图像的绘制方法,(IBR),。,基于模型的绘制方法中,3,维模型数据的获取通常采用,CAD,的模型生成器或从实际环境中直接获取。,孙敏，陈军：基于几何元素的三维景观实体建模研究，提出三维城市模型,(,Three Dimensional City Model,3DCM,),的概念，较精确地表达了,3DCM,中各类目标及其空间关系。,基于图像的绘制方法是通过一个来自多视点的原始的或合成的图片库来产生任意视点的新的虚拟图片。尽管对于复杂环境建模,IBR,技术优于,MBR,技术,但它能实际处理的,3,维对象范围较小,对于大范围城市建筑物建模目前还不可行,而在采用,MBR,技术时,城市建筑物,3,维数据的自动获取是研究重点,尤其是城市密集区域,3,维数据的全自动获取。,48,2、计算机视觉和计算机图形学 48,二、三维地物的几何建模技术,1,、居民地的,3,维模型,在大比例尺三维电子地图中，房屋模型构造是主要工作之一。对箱体式（,BOX,）房屋的建模来说，建筑物可以看做屋顶面和各个铅直外墙面的组成。房基高程可以从,DEM,内插获得，注意房基的高程在房子轮廓线上的不同点处可能不同，应想办法使之统一。,49,二、三维地物的几何建模技术49,50,50,2,、高程相同的水平要素的建模,对诸如河流、水库等面状水系要素，一般来讲，其特点为有明确的边界条件且范围内高程值几乎没有变化，其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现，保证其法向量向上。,51,2、高程相同的水平要素的建模51,3,、道路要素的建模,一般在地图数据库中道路是一中心线给出的。道路根据道路等级或实际要求不同可以分三类建模：,体状：沿道路中心线向外扩宽，生成两边线，按指定道路高度，分别生成道路侧面和顶面三角网。,面状：沿道路中心线向外扩宽，生成两边线，道路高度为,0,，经过三角剖分生成道路面三角网。同,4,。,线状：通常为单线，将原中心线上的点进行高程值内插得到三维曲线。,52,3、道路要素的建模52,4,、非水平面状目标的建模,这类目标主要如植被，城区内的绿化地，紧贴地表的道路等，它们一般覆盖在起伏的山头上，其模型构造也可通过边界多边形的三角剖分来实现。,53,4、非水平面状目标的建模53,5,、复杂的,3,维目标的建模,目前，对于复杂,3,维实体模型的构造基本上基于,3DMAX,，,CAD,，,MultiGen,等商业软件，利用其灵活的建模工具创建,3,维模型，并通过,.3ds,.dxf,.x,.dwg,等文件实现数据的交换。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度再通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位。,54,5、复杂的3维目标的建模54,三、三维地图符号的设计与建模,地图内大量分布点状目标，此类目标可以依照二维地图符号库的方法，分别建立符号模型，形成三维符号库，共三维电子地图调用。符号设计的一般原则值得探讨，用上述方法,5,建模。,55,三、三维地图符号的设计与建模55,四、地物模型（含三维符号）与地形模型的匹配,通过,DEM,内插高程值获得地物基点高程或边线上若干点的高程,56,四、地物模型（含三维符号）与地形模型的匹配56,8.6,三维电子地图的场景组织,三维地图的数据模型要求支持三维模型的动态可视化以及交互操作，为此将三维地图模型组织为层次结构的场景体系。在该体系中，每一个数据对象（例如一个三维目标）都体现为一个节点，整个场景都是由众多有序的、具有层次的节点组成的，位于最上面的称为根节点。除根节点以外，在显示场景图形的过程中可以任意增加一个节点，也可以删除一个节点，这样就为当前场景动态地装载或卸载另外的场景提供了极大的方便。,57,8.6 三维电子地图的场景组织三维地图的数据模型要求支持三,1,、三维地图模型的基本要求,精炼的数据量,表现一个具有庞大数据量的三维模型就目前的技术来讲可能存在一些问题，因此必须压缩到最小。这一点对于交互式管理地图模型而言是非常重要的。,矢量数据结构,地图模型必须具备矢量数据结构，与栅格数据相比较而言，矢量数据能更好地描述模型并能更容易地进行数据集的几何分析。,58,1、三维地图模型的基本要求58,2,、细节层次技术（,LOD,）,三维地图内容的表现要能让用户通过人的认知系统进行感知，由于采用透视投影，地图将不再具备确定的比例尺，如果不考虑其分辨率，将会影响三维地图的最后效果（缩小的图像尺寸、压缩的地图内容等等）。,为了解决这一问题，我们采用,LOD,技术,（,Lever of Detail,）,，这意味着三维地图中的各个要素都具备足够的与显示比例有关的图解变量（阴影、方向、颜色等）。距离观察位置越近，该要素就会被表现得越详细。反之则越概略。,细节层次模型是一种由多种精度层次集成而成的模型的表达技术。它允许根据不同的任务要求选择不同精度的模型。,59,2、细节层次技术（LOD）59,3,、空间分区技术,目的,分区的在于对基于大区域、海量数据的地图模型进行动态显示时能很大程度上提高速度。,基本思路,对地图模型进行分区，将各分区中的地图内容定义为众多的细节层次（高、中、低），这样三维地形图系统就可以分别采用合适的细节层来表现各个分区。,在,DEM,的基础上，根据地图覆盖的范围和三维显示时视线的大致角度等因素将,DEM,分成若干个等大的子区域，然后在此基础上建立其它要素的三维模型，按照各要素与,DEM,子区域的相对位置将三维模型（目标）归入到相应的分区内。这样在进行动态显示时就可以根据视点的位置和视线角度来动态地装载相应的分区模型。,需要特别处理毗邻分区之间的过渡区域,以保证不同的分区持续过渡，从而获得较好的地图模型的整体效果。采用的细节层次越细，过渡越自然，但另一方面，存储模型的数据量也会明显地增加，因此必须在两者之间达成一个平衡。,60,3、空间分区技术60,4,、场景层次体系的建立,61,4、场景层次体系的建立61,建立场景的过程中必须实现地图分区之间地形、地物的光滑连续的拼接。,62,建立场景的过程中必须实现地图分区之间地形、地物的光滑连续的拼,整个三维地图场景被组织成为一个树状的结构体系。,三维地图场景是这个体系中的根节点，世界空间是根节点的坐标系统，各个区域场景作为子节点都可以位于其中，并能进行定位和调节大小。 可以随时加入新的节点，也可以删除某个节点。,所有表示场景或目标的节点中所包含的信息是相当丰富的,各类信息又由不同类型的子节点来表达，每一类型的节点都有它自己的作用和功能。例如，几何节点用来存储地理目标的几何体数据（主要包括构成三维目标的三角网及其边界立方体），组节点可用来表达由若干几何体形成的复杂目标，几何变换节点用来对目标进行三维空间的平移、旋转、比例变换等，而另外用一些节点来表达三维目标的外观颜色、是否粘贴纹理、是否运用光或雾等。,可以对该结构树进行遍历以查询得到所需要的节点。,从每个节点可以通过遍历得到其父节点，也可以得到它的众多子节点。此外，每个节点还能容纳用户定义的数据（专题属性数据），这些结构对于实现三维目标的属性查询是相当重要的。场景体系的组织是在三维地图模型建立的过程中同时进行的 。,63,整个三维地图场景被组织成为一个树状的结构体系。63,8.7,三维电子地图的可视化技术,一、工具软件及功能介绍,Open GL,（,Open Graphics Library,）介绍,:,由,SGI,公司为其图形工作站开发的可以独立于窗口操作的和硬件环境的图形开发系统。其目的是将用户从具体的硬件和操作系统中解放出来。可以不去理解这些系统的结构和指令系统，只要按规定的格式书写应用程序就可以在任何支持该语言的硬件平台上执行。由于,OpenGL,的高度可重用性，已经有几十家大公司表示接受,OpenGL,作为标准软件接口，目前加入,OpenGL ARB,（,OpenGL,体系结构审查委员会）的成员有,SGI,公司、,HP,公司、,Microsoft,公司、,Intel,公司、,IBM,公司、,SUN,公司、,DEC,公司、,AT&T,公司的,Unix,软件实验室等等。在该组织的努力下,OpenGL,已经成为高性能图形和交互式视景处理的工业标准，能够在,Windows95/98,、,Windows NT,、,Macos,、,Beos,、,OS/2,以及,Unix,上应用。,OpenGL,的实质是作为图形硬件的软件接口，是一组三维的,API,函数。,64,8.7 三维电子地图的可视化技术 一、工具软件及功能介绍6,OpenGL,的主要功能,1,，建模：不但有简单的点线面还提供了复杂的三维物体（球、锥等）以及复杂的曲线曲面（,Bezier,、,Nurbs,等）绘制函数；,2,，变换：主要包括基本变换（平移、旋转等）和投影变换（平行、透视投影等）；,3,，颜色模式设置：,RGBA,模式、,ColorIndex,颜色索引；,4,，光照和材质设置：,OpenGL,光有辐射光、环境光、漫反射光、镜面光；材质是用光反射率来表示的。场景中物体最终反映到人眼的颜色是光的,RGB,分量和材质的,RGB,分量叠加形成的；,5,，纹理映射：主要表达物体表面的细节；,6,，位图显示和图像增强：图像功能除了基本的复制和图像象素读写外，还提供融合（,Blending,）、反走样（,Antialiasing,）、雾柔化（,Fog,）等特殊的图像处理效果；,65,OpenGL的主要功能65,7,，双缓冲（,Double Buffering,）动画：双缓冲即前台缓冲和后台缓冲。后台计算场景、产生画面，前台显示后台已经计算好的画面；,8,，交互技术：主要是提供三种工作模式：绘图模式、选择模式和反馈模式。绘图模式完成场景的绘制，可以借助物体的几何参数及运动控制参数、场景的观察参数、光照参数和材质参数、纹理参数、,OpenGL,函数的众多常量控制参数、时间参数等和,Windows,对话框、菜单、外部设备等构成实时交互的程序系统。在选择模式下，则可以对物体进行命名，选择命名的物体，控制对命名的物体的绘制。而反馈模式则给程序设计提供了程序运行的信息，这些信息也可反馈给用户，告诉用户程序的运行状况和监视程序的运行进程。,9,其它：利用,OpenGL,还能实现深度暗示（,Depth Cue,）、运动模糊（,Motion Blur,）等特殊效果。,66,7，双缓冲（Double Buffering）动画：双缓冲即,OpenGL,的基本原理,OpenGL,是一个硬件发生器的软件接口，其主要目的是将二维、三维物体绘制到一个帧缓冲里，它包括几百个图形函数。开发者主要利用这些函数来建立三维模型和进行三维实时交互。,1,，图元操作和指令,OpenGL,能够从多种可选择的模式画图元，而且一种模式的设置一般不会影响其他模式的设置，无论发生深墨情况，指令总是被顺序处理，也就是说，一个图元必须完全画完之后，后继图元才能影响帧存。,2,，图形控制,OpenGL,提供诸如变换矩阵、光照、反走样方法、像素操作等参数来控制二维和三维图形的绘制。它并不提供一个描述或建立复杂几何物体的手段。,OpenGL,提供的是怎样画复杂物体的机制而非描绘复杂物体本身的面面俱到的工具。即,OpenGL,是过程性的而非描述性的。,3,，执行模式,OpenGL,命令的解释模式是客户,/,服务器模式的，即由客户发布命令，命令由,OpenGL,服务器（解释器）来处理，服务器可以运行在客户在相同的或不同的计算机上，基于这一点，,OpenGL,是网络透明的。,67,OpenGL的基本原理67,OpenGL,的命令语法与状态,基于,OpenGL,标准的开发的微机应用程序必须在,32,位,Windows,平台下，如,Windows 98/NT,环境，运行时所需的动态连接库为,OpenGL32.DLL,、,Glu32.DLL,，,OpenGL,包含,100,多个库函数，这些函数按一定的格式来命名。,1,，核心函数,115,个每个函数以,gl,开头，这些函数是最基本的，可以运行在任何工作平台上。这些函数创建二维和三维几何形体，设置视点，建立视觉体，设置颜色及材质，建立灯光、进行纹理映射，反走样，处理融合，雾化场景等，它们可以接受不同的参数因而可派生,300,多个函数。,2,，,OpenGL,实用库函数以,glu,开头。共,43,个这些函数基于,OpenGL,核心函数，主要提供对辅助函数的支持，并且执行了核心,OpenGL,函数的交互，因而是比核心函数更高一层的函数，也更有通用性。可以运行在任何,OpenGL,工作平台上。,3,，辅助库函数，共,31,个。以,aux,开头，它们是一类特殊的,OpenGL,函数，是帮助初学者尽快进入,OpenGL,编程而做简单练习用的。因此并不能在所有平台上运行。但,Windows 98/NT,支持它们。,4,，,Windows,专用库函数，以,wgl,开头。主要是连接,OpenGL,和,Windows,窗口系统的用它们可以管理着色描述表及显示列表，扩展功能，管理字体位图等。,5,，,Win32 API,函数，共,6,个，用于处理像素格式及缓冲。,6,，,OpenGL,结构 共四个。,68,OpenGL的命令语法与状态68,OpenGL,图形操作步骤：,步骤,1,，设置像素格式：主要包括建立,OpenGL,绘制风格、颜色模式、颜色位数、深度位数等；,步骤,2,，建立模型：建立三维模型；,步骤,3,，舞台布景：如何把景物放置在三维空间的适当位置，设置三维透视视觉体以观察场景；,步骤,4,，效果处理：设置物体的材质（颜色、光学性能及纹理映射等）加入光照及光照条件；,步骤,5,，光栅化：把景物及其颜色信息转化为可在计算机上显示的像素信息。,69,OpenGL图形操作步骤：69,二、基本图原的显示,顶点,几何坐标,法向坐标,颜色坐标,纹理坐标,线,线的颜色（关闭光照）,面,颜色坐标,法向坐标,70,二、基本图原的显示70,71,71,三、纹理叠加技术,四、雾化技术,象素（,R,、,G,、,B,）叠加,深度技术,五、动态显示技术,非实时：视频,实时,Real time,LOD,（,Lever-of-detai,）,细节层次,DOL,（,Dynamic Object Loading,）,目标动态装载,Culling,场景图形剔除,实例,/,显示列表技术,72,三、纹理叠加技术72,8.8,三维电子地图的应用与发展趋势,三维地图模型可视化系统,多分辨率显示,地貌晕渲技术,图幅分块,分层设色,光照设置,图片存储与拼接,多视图显示,实时可视化,高质量绘图,交互式操作,外部数据的输入与叠置,73,8.8 三维电子地图的应用与发展趋势 三维地图模型可视化系统,3D GIS,、虚拟城市,交互式查询与分析,交通导航,74,3D GIS、虚拟城市74,虚拟现实技术,(VR),1，,全侵式虚拟现实（,Fully Immersive VR,)系统:,主要是指客户（,User,）能够带上头盔（,headsets,)、数据手套(,data-glove,)、数据衣服(data-suits)、操纵杆等外部设备，在全范围360度的视野内感受虚拟环境（,VRE,）。并且能够最大限度的利用外设与VRE进行交互（置身其中,身临其境）。,2，半,全侵式（,Semi-Immersive VR,):,主要是指客户（,User,）能够在不低于60度的视角内、感受VRE。可以是大屏幕监视器+投影仪或者一个多投影系统。（IMAX Theatres 环球荧幕、水幕电影等许多人可以共享这样一个VRE）；,3，非侵,式（,Non-,Immersive VR or DeskTop,):,主要是指客户（,User,）利用计算机的条件下产生虚拟的环境，用鼠标、键盘、,joystick,等与VRE进行交互。（比较流行的,Fish-tank,)。,4,，,在线式（,On-Line VR):which allowes the Distributed User to virtually get together,and interact with a 3D world on the Web.(,例子,：,),75,虚拟现实技术(VR)75,VR在地学中的应用：,虚拟地球，虚拟社区、虚拟数字高程模型、虚拟医学、游戏、模拟、辅助设计,76,VR在地学中的应用：76,未来的三维图形技术,Microsoft,公司作为计算机软件行业里的龙头公司，一直想在,3D,领域建立自己的地位，它的,Direct3D,为继,OpenGL,之后最著名的三维图形库，并且看到未来网络三维图形的重要作用，,Microsoft,公司借助自己强大的实力，独自开发了,Chromeffects,技术。,Chromeffects,技术主要依赖于,XML,语言将三维图形与网页联系在一起，利用,Chromeffects,技术，我们可以将整个网页放在三维形体如一个立方体上面,而且立方体则可以旋转，从而显示更多的网页。,Chromeffects,技术是在,Direct3D 6,多媒体技术的基础上，使得计算机网页能够通过编程，将,2D,、,3D,、声音、图像等媒体组合在一起，与,VRML,技术不同的是，,Chromeffects,在浏览器上运行时不需要插件。,目前,SGI,公司已经与微软公司达成协议：将,OpenGL,与,Direct3D,三维图形库融合在一起，开发下一个世纪的新的三维图形库,Fahrenheit,今后所有的三维图形应用都将建立在,Fahrenheit,三维图形库的基础之上。,77,未来的三维图形技术77,78,78,79,79,80,80,城市规划,81,城市规划81,82,82,83,83,84,84,85,85,