本科第七部分地图数据的可视化三维表示

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1、单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 1 第六章 地图数据的可视化 三维显示 地图数据的三维表示 l专题属性用第三维来表示 地图数据三维表示的应用 三维地理信息系统三维地理信息系统 三维城市模型三维城市模型 三维空间信息系统三维空间信息系统三维景观模型三维景观模型 三维虚拟地理信息系统三维虚拟地理信息系统 三维地球科学信息系统三维地球科学信息系统 三维城市地图三维城市地图 三维景观重构三维景观重构 三维城市地理信息系统三维城市地理信息系统 三维数字城市三维数字城市 地图数据三维表示的应用示例 地图数据的三维表示 l地图要素的三维表 示可分为三个步骤 如图6 44 首先 制图目标

2、转入 适当的观察空间 然后将三维影像投影 到一个视觉平面上 最后将表面被遮掩的 部分移去 三维解析几何基础 l三维制图的坐标系 统 右手坐标系统 图6 45a 从Z轴正方向到 X轴正方向的转动方 向是逆时针方向的 在左手坐标系统中却 是顺时针方向 图6 45b 三维解析几何基础 l点p表示 x y z 坐标 其各项值就是p在各自坐标轴上的投影 l经过两点的直线的参数的形式 l三维表面 用多边形面片来表示 三维解析几何基础 l过三点 p x1 y1 z1 q x2 y2 z2 和 r x3 y3 z3 的平面参数 D是相应坐标组成矩阵的行列式值 q 点的顺序对于确定平面的方向很 重要 l一个平面

3、把一个三维空间分成两 部分 三维解析几何基础 l一个平面把一个三维空间分成两 部分 如果点p q r是按照顺时针方向给定 的 图6 46a 如果 则点s x y z 就位于平面的顺时 针半空间中 否则就位于其逆时针半空间中 如果点的顺序是逆时针的 这些关 系就相反 图6 46b 这个原理用来确定表面上的哪个多 边形面片位于朝向光线的那一面 三维解析几何基础 l一个平面的法向量N 定义为 与平面上任意一条直线相垂 直的矢量 图6 47 l点s x y z 与平面的垂直 距离d 三维几何变换 l平移变换的矩阵 l缩放变换的矩阵 三维几何变换 l旋转变换的矩阵 关于Z轴逆时针旋转 关于X轴的旋转变换

4、 关于Y轴的旋转变换 视觉投影 l通过视觉投影 将表面投影到一个二维 空间上之 就可以把 它看作一个虚拟的显示 终端 或通过绘图仪绘制 l视觉投影参数 视平面 观察基准点 观察基准点位于拟投影 的表面上 视平面的法向量 观察点到视平面的距离 目标到视平面的距离 视线 视觉投影 l平行投影 平行投影中从平面上不同的点 散发出的视线彼此互相平行 正射平行投影中 视线还同视 平面的法向量平行 图6 50 平行投影中 无论目标距离视 平面远近 如果大小近似的话 它们在视平面上的投影也大 小相近 视觉投影 l透视投影 视线聚集于一点 这点 叫做投影中心 图6 51 近大远小 离视平面较 远的目标与大小差

5、不多 但离视平面较近的目标 相比 看起来要小些 地球科学领域的三维问题 三维地质模型 涉及的专业范围很广 其中 主要有岩石 构造 物探 测量 数学地质 矿产普查 水文地质 工程地质及环 境地质 钻探 采矿等 且 不同的专业一般需要不同的 三维地质模型 油气藏三维地质模型图 三维地震解释 是用于地质勘探中的一种非 常重要的方法 也是除钻孔 外 能获取三维地质模型的 另一项重要技术 点 线 面结合的三度空 间的立体可视化解释 地球科学领域的三维问题 大气与海洋三维问题 q在污染模型中研究者 所关注的是污染粒子的 化学物理性质及其扩散 受空气流动 气温 气 压 湿度等各类气象因 子等的影响 q空间数

6、据如扩散范围 在很大程度上取决于模 型计算的结果 q应用领域 虚拟海洋 环境 三维海洋化学循 环 三维海洋紊流模型 三维海洋溢油预测等 地球科学领域的三维问题 U S cities height extruded based on population in 1990 地球科学领域的三维问题 数字地形的建模与可视化 DEM已经应用到测绘 土木工程 地质 城市规划等诸多领域 测绘方面基于DEM的应用有 地形分析 生成等高线 剖面图 晕渲图 分层 设色图 立体景观图等 数字高程模型 DEM 数据的获 取 机载激光扫描仪 InSAR技术 野外测量 摄影测量 基于数字化等高线 高程点信息 数字地形的建

7、模与可视化 DEM 表面可以用以下的数 学表达式进行描述 Z f X Y f X Y 为一多项式 数字高程模型建模四种主 要的方法 基于点的建模 Zi Hi v Zi表示i点周围一定范 围内水平面的高程 Zi 为i点的高程值 基于三角形的建模 基于格网的建模 混合建模 数字地形的建模与可视化 基于三角形的建模 在多项式f X Y 中 如果我们只取一次项 和常数项 便可得到简化后的DEM数学表 达式 求解简化后的DEM表达式 需要至少三个 点 这三个点可以生成一个平面三角形 如果每个三角形只代表它所覆盖的区域 那么整个DEM区域便可以由一系列相互连 续的相邻三角形组成 这就是我们所提到 的基于三

8、角形的DEM建模 由于三角形的大小和形状有很大的灵活性 它可以很容易的融合断裂线 生成线等 所以在测绘领域 它成为了主要建模的 主要方法之一 常规TIN 包括Delauny三角形 基于规整网格的三角网 数字地形的建模与可视化 基于格网的建模 如果将通用多项式的前三项和a3XY组 合成另一个多项式 则至少需要四个 点才能确定一个表面 理论上任意形状的四边形都可用作 DEM建模的基础 但是考虑到实际使 用 正方形格网为最佳选择 基于格网的建模 平缓区域建模 在显示DEM的过程中 实际上是将格 网再细分成若干个三角形来显示的 如图6 64所示 混合建模 简洁的表示地形 同时又要求尽量准 确的表示地形

9、 利用地性线 基于DEM的计算机自动晕渲 彩色晕渲图的生成步骤 1 数据准备 2 依据DTM或DEM建立 地形模型 3 建立视模型与光照 模型 4 彩色晕渲图的形成 彩色晕渲图的生产系统 基于DEM的计算机自动晕渲 依据DEM建立地形模型 利用前面讲述的方法建 立地形几何模型 数字地形模型DEM 由M N个格网组成 基于DEM的计算机自动晕渲 计算各单元面的法向量N 以一个三角形为单元面 计算各 单元面的法向量N 如图3所示 图中PWV为一三角面 其中 V0 V P W0 W P 则该面的法向量为 N V0 xW0 基于DEM的计算机自动晕渲 计算每个格网点的法向量 在三维地形模型建模过程中

10、为使光照 着色效果更好 还需要计算每个格 网点的法向量 格网点的法向量为其相邻八个小片面的法向量的平均值 N0 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 8 经过法向量计算 则每个格网点的法向量可知 于是利用OpenGL图形函数 glNormal3fv N0 glVertex3fv V0 建立三维地形模型 需要单独处理边缘各格网点点的法向量 基于DEM的计算机自动晕渲 建立视模型与光照模型 对前一过程生成的地形几何模型进行纹理映射 光照 颜色设置 通过设置投影模式为GL PROJECTION 我们就可得到透视投影 用gluPerspective可以创建视景体 给定空间坐标后 OpenGL

11、会自动为我 们处理透视投影 建立视模型后 就要处理光影效果 有了阴影 立体效果才明显增强 处理光照模型的前提是必须知道面片的法向量 光照模型 漫反射光模型 镜面反射光模型 Phong光照模型 v GLfloat light diffuse1 0 6f 0 6f 0 6f 1 0f v GLfloat light ambient1 0 1f 0 1f 0 1f 1 0f v GLfloat light specular1 0 9f 0 9f 0 9f 1 0f v GLfloat light position 50 0f 300 0f 0 0f v glLightfv GL LIGHT0 GL

12、POSITION light position v glLightfv GL LIGHT0 GL POSITION light position v glLightfv GL LIGHT0 GL AMBIENT light ambient1 v glLightfv GL LIGHT0 GL DIFFUSE light diffuse1 v glLightfv GL LIGHT0 GL SPECULAR light specular1 基于 DEM 的计 算机 自动 晕渲 基于DEM的计算机自动晕渲 彩色晕渲的实现 按各点的高程值 设置相应的材质以反射不同的色光 这样得到彩色晕渲是连续的 有立体

13、感得 较普通的晕渲能载负更多的信息 采用的是OpenGL中的GL TRAINGLE FAN 连续填充三角形串 glBegin GL TRIANGLE FAN glColor3fv glColor3fv if abs a 0 0 1 m Ration nodata value 0 1 glVertex3f a 0 0 0 a 0 0 1 a 0 0 2 glColor3fv if abs a 0 0 1 m Ration nodata value 0 1 glVertex3f a 0 0 0 a 0 0 1 a 0 0 2 glEnd 基于 DEM 的计 算机 自动 晕渲 基于DEM的计算机自动

14、晕渲 地貌的彩色晕渲示例 基于DEM的地形要素可视化示例 基于DEM的地形要素可视化示例 基于DEM的地形要素可视化示例 3D perspective view of terrain without and with hillshading 虚拟环境变迁与虚拟飞行 l虚拟环境变迁 地貌侵蚀过程 虚拟环境变迁与虚拟飞行 l虚拟飞行 虚拟环境变迁与虚拟飞行 l虚拟飞行 虚拟环境制作的相关软件 l在建立虚拟现实的过程中 一般使用的软件环境涉及到以下几方面 二维数据采集与处理 为了获得最好的地形模型 需要在二维环境中 通过数据采集软件 将地形的等高线 高程点等信息采集成数字化 形式 并给予一定的高程数

15、据 三维地形数据建模 通过相应的软件将采集的二维数据及其高程信息 计算成格网 形成具有三维高度信息的数字高程模型 DEM 作为 虚拟地理环境的基础数据 三维建模软件在多种虚拟现实处理软件 三维GIS软件中均具备相应的功能模块 图像处理软件 要表现地形景观的真实性 并真实地再现虚拟环境中 地物 就需要通过影像照片 地物实景照片等 对虚拟环境中的地物 和地形进行贴图 显示真实的效果 虚拟环境制作的相关软件 l在建立虚拟现实的过程中 一般使用的软件环境涉及到以下几方面 建筑物三维建模软件 要充分表达虚拟环境中的建筑物模型 就需要 在三维建模软件中 对虚拟环境中的建筑物进行详细的建模和纹理处 理 形成

16、独立的建筑物模型 以快速集成到虚拟环境场景中 常用的 三维建模软件有3DS Max Maya等 可以根据实际需要进行选择 虚拟场景集成与演示系统 是一个可以将建立的各种三维地形要素 虚拟景观地物集成到一起 并提供一个可交互的 用户可以进行实时 控制的场景浏览系统 该系统通常提供了地形生成 建筑物建模 纹 理贴图 矢量数据叠加等场景集成操作 以及一些基本的粒子系统和 光学系统 包括场景光源 雾化效果 天空背景等 虚拟地理场景的制作过程 l制作虚拟地理场景的过程主要包括 1矢量地形数据采集 编辑与转换 2三维地形的建模与贴图 地形影像与地物 照片的处理 3建筑物建模处理 4虚拟地理环境场景的合成 5虚拟地理环境的漫游控制 虚拟地理场景的制作过程 l从MapGIS软件中 输出研究区域的 矢量数据成为 DXF格式 MapGIS中图形数 据输出到DXF 虚拟地理场景的制作过程 l输入DXF文 件到 CorelDraw 软件中 以 进行再次编 辑 虚拟地理场景的制作过程 l输入航空影像数 据到CorelDraw 中 矢量数据与 航空影像叠加 对 数据进行校正 l编辑矢量地形基 础数据 完成地 形数