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1、2010年 10月 第 5期城? 市? 勘? 测 U rban Geotechnical Investigation ? 2?青岛市勘察测绘研究院, 山东 青岛 266032)摘? 要: 随着网络技术 图形学技术 地理信息技术的不断发展与普及三维 GIS与 webGIS已经成为地理信息系统行业的主流发展方向。但基于成本、 技术等诸多因素的限制, 两者尚未广泛结合运用与 GIS产品中。论文提供一套基于 SHP文件的 2?5维建筑物数据生产方案, 以将低 B/S系统三维可视化的技术难度与生产成本, 填补当前 GIS市场中相关产品的空缺。关键词: 2?5D; 建筑物数据; 瓦片技术? 2?5维图形是
2、将三维立体按照一定投影规则映射到某一平面上, 以展示三维立体效果的二维图形。目前基于 B /S结构的真三维场景发布技术难度大, 成本高, 二维平面地图展现空间数据又有局限性, 并且一般三维场景的透视投影效果使地理空间坐标发生改变,即使打印成图后也不能实现切图发布。故当前在 B /S系统上展示空间数据的三维立体效果, 首先要解决以上问题。本文论述采用平行投影的方法, 将房屋数据通过三维空间地物投影到地平面处理生成房屋模型平面图的方式切图发布, 既保证了空间坐标的一致, 也在一定程度上体现了立体效果, 可以作为各类平台的一种新数据类型。本文将探讨如何将没有拓扑错误 (指面状数据有交集 )的、 属性
3、数据中包含建筑物层数的 shp数据生成新的 2?5维面状 shp数据以展示三维立体效果。其基本步骤包括建筑物各投影面生成、 投影面排序、 投影面渲染等步骤。1? 相关概念1?1? 瓦片技术及影像金字塔模型随着 W ebGIS在各行各业不同程度的推广, 瓦片式技术 ( T ile Cache)已成为电子地图数据访问的关键技术之一。T ile Cache是一个地图瓦片缓存器, 大大提高了访问地图的响应速度, 只有当请求的地图不在 T iles之列的才与 WMS等其他服务交互请求地图, 消耗空间服务器资源。瓦片式地图的缓存效果可以使得 WMS服务的速度加快 10倍 100倍, 甚至更高。利用瓦片式电
4、子地图方案可以较好地解决 WebGIS产品的数据发布和访问速度, 是当前解决该类问题的主要方法。1?2? 投影方式及视锥体目前大多数地理信息系统软件三维空间建模场景采用的投影方式一般采用透视投影方式、 视锥体剔除技术、 距离层次渲染技术来生成三维场景, 视觉效果较为真实。但将以上技术生成 2?5维建筑物模型, 将产生扭曲空间坐标, 并且不能实现大比例尺地图全范围等分辨率显示, 从而不宜数据栅格化发布。图 1? 高程比对遮挡关系图 1为同一模型两种投影产生的线划图, 透视投影较为真实, 但投影后造成坐标变换。透视投影产生的投影映射点是按同一个视点发散出的不同投影向量所得出的, 形成视锥体, 视点
5、 o距三维实体 A越近, 各点投影向量偏差越大, 投影图形的变形就越大, 如图 2所示。图 2? 点投影 (透视 ) ? ? ? ? 图 3? 平行投影平行投影产生的投影映射点是按不同视点发散出的同一投影向量所得出的, 水准面上每个不重合的投第 5期宋珉等 ?2?5维地图制作算法研究与实现影点唯一对应一个视点, 视点相对于投影点位置依靠向量表示为 ( ? m, ? m, m ), 其中 m 为 + ! ,( ? , ?, )为投影向量, 如图 3所示。故作者尝试以 shp文件格式将模拟的全幅大比例尺三维建筑物模型以平行投影方式写入 shp文件保存, 以解决三维可视化后造成的地理坐标扭曲或影像数
6、据矫正后各点分辨率不统一等难题。2? 技术路线2?1? 投影面生成获取某一建筑物基面, 以及该建筑物层数记录, 将基面拆分成点坐标串, 根据层数、 投影规则以及自设定的层数高度逐层计算各层顶面的点坐标串, 后分别获取相邻层的两组点坐标串中对应的相邻两点 (共四点,其中任一点存在另一点与其在三维坐标中横纵坐标相同且垂直距离相差一个楼层高度 ), 将四点构平行四边形面。遍历各层, 最后将最高层顶面点坐标串构顶面。如建筑物基面有 n条边, 层数为 m 层, 则生成后有 n m 个侧面和一个顶面。2?2? 投影面排序根据投影向量方向, 逐层由远及近扫描所有建筑物侧面, 将先扫描到的侧面复制后写入新文件
7、, 然后计算未复制的侧面中是否存在本次写入侧面所构建筑物的其他侧面, 如果没有则复制该建筑物顶面写入新文件后继续扫描; 存在则直接继续扫描, 直至所有面被写入新文件。2?3? 设置投影面明暗度利用 GIS软件根据设定的平行光照射方向, 于所有建筑物投影侧面中, 指定两点连线 (投影面生成过程中属同一点坐标串中的两点连线: 每侧面共存在两条,由于两线平行任一条都可 )所成锐夹角的角度值分级,角度大的侧面亮度高, 角度小的侧面亮度相对较低。顶面明暗度设置灵活性较大, 本文不做赘述。2?4? 数据瓦片栅格化将三维可视化建筑物模型地图按照一定规则格网逐级逐格栅格化, 并依据格网四角地理空间坐标按照一定
8、规则命名, 保存成图片。至此数据制作完毕, 外部程序可按照一定规则调用图片解析其格网所在地理坐标, 拼凑成图。3? 核心算法3?1? 平行投影为保证地平面坐标不改变的前提下实现全幅大比例尺成图, 可以采用平行投影的方式, 以牺牲部分真实感为代价实现。按照设定的三维空间投影向量, 将整个模拟场景中所有实体点投影至高程为零的地平面, 转换为数学问题为空间任一点 ( x, y, z)按向量投影 ( ? , ?, )投影至 z= 0面。易证投影后映射点坐标为 x- ( ? z) / , y- ( ? z) / , 0, 且易证三维空间线的地平面投影线为其两端点投影点连线。面投影同理易证。故将三维实体各
9、顶点投影点以原规则连接, 所得投影即为三维实体投影。可直接作为无误差的三维实体二维框架图。3?2? 层面分割在平行投影法则下所得两投影点如若重叠, 则可认为两点视点相同, 其遮挡关系可根据两点对应三维点距视点距离判定。而易证比较 OA 与 OB的长度等同于比较 OA1与 OB1长度, 即比较 AB两点高程, 如图 4所示。图 4? 高程比对遮挡关系在投影面生成中, 将原坐标串利用 x- ( ? z) /, y- ( ? z) / , 0 公式计算所得的新坐标串构面填充后, 将存在图 5所示情况。图 5? 顶侧面遮挡处理图 5中 A侧面与 B顶面投影后存在遮挡关系, A面中对应三维点的高程不唯一
10、, 其范围取值为 ( 0 , h1)( h1为 A楼高度 ), B顶面所有点高程唯一为 h2 , 且 0 h2 h1 。按照高程遮挡规则, B面应遮挡 A 面中所有高程小于 h2的点, A面中高程大于 h2的点遮挡 B面。故应将 A面按高程 h2拆分两面, 然后按照高程遮挡规则判定三面遮挡关系。所有顶面的高程值为设定的单层楼高 H 的正整105城? 市? 勘? 测2010年 10月数倍, 故投影面生成过程中将侧面按楼层拆分, 每面切割为其楼层数份, 即可按照高层遮挡规则进行排序生成正确的模型图。3?3? 分层扫描( 1)分层排序某建筑物基面存在 M 条边, 其楼层数为 N 层, 则投影面将产生
11、 (M N ) + 1张面, 并且 Shp文件中将弧线的存储为大量点坐标串, 以青岛市崂山区房屋数据为例, 房屋基面总数约为 17万条, 经算法处理将生成417 MB的 2?5维 shp文件, 投影面排序算法效率决定数据处理程序的生成效率。经研究方案根据投影面高程遮挡规则得出高层面必定遮挡底层面。故方案采用分层扫描排序算法, 提高处理效率, 即根据各投影面对应的楼层由低到高分层处理, 各层处理完毕后依层数叠加, 形成完整的正确的三维模型平面图。( 2)同层侧面扫描同层面扫描步骤如下: 按三维投影向量 ( ? , ?, )分解出平面投影向量( ? , ?), 按此向量反方向垂直线遍历扫描单层全范
12、围投影面, 至获取某条投影侧面为止。# 判断该面是否遮挡其他投影侧面。如若遮挡其他侧面, 将指针指向任一其他投影面, 判断递归判断遮挡算法, 至指针指向一未遮挡其他侧面的投影面。 将此面复制写入 shp文件。重复 1- 2步至本楼层全幅无侧面剩余。( 3)顶侧面排序处理由于建筑顶面高程不小于其自身侧面高程, 顶侧面、 顶面之间的遮挡关系都可依据高程遮挡规则判定。故分层排序算法中, 每层侧面排序过后, 将所有该层的顶层面复制写入 shp文件即可。由于基面数据以没有拓扑错误为基本前提, 同层各顶层间不存在叠挡关系,方案可不予考虑。4? 结? 论本论文介绍的解决方案, 产生三维模型平面图栅格化后处理
13、成瓦片数据发布, 保留了地理坐标的一致性, 同时具有成本低、 简洁美观、 易更新的特性, 亦可实现建筑镂空等特殊效果。然而由于方案产生的矢量数据过于庞大以及本论文中所有的数据处理算法尚存在改进空间等诸多原因, 使本项技术的推广尚待进一步研究。但本方案降低了 B /S系统展现三维空间效果的难度与成本, 在地理信息系统尚未全面三维数字化的今天是一种良好的中间过渡产品。图 6? 成图与实景影像对比参考文献 1? 吴信才, 郭玲玲, 白玉琪. W ebGIS开发技术分析于系统实现 J. 计算机工程与应用, 2001( 5): 96 99 2? 毛玉龙. A rc G IS的二次开发 J. 福建电脑,
14、2006( 2) 3? 唐金秀, 申礼宏, 张万军. ARC /I NFO矢量数据转换方法 J. 计算机系统应用, 2004( 7) 4? 索俊锋. 基于 M apG IS 6?X 研究和 A rcGIS 9?0平台的数据格式转换研究 J. 国土资源信息化, 2006( 4)Research and Implementation on Algorithm of 2?5- Dimensional M ap ProducingSong M in1, L iu PengChao2, ZhaoW ei2, Hu ZhenBiao2( 1?LaoShan District ComputerMSG CNT
15、R, Q ingdao 266003, China ;2?Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute , Qingdao 266032 , China)Abstract : W ith the rapid development of network technology 、 graphics technology 、 geographic infor mation technology ,popular three- dm i ensionalGIS andwebGIS has become them
16、ain direction ofGIS industry . However , Due to cost or technolo?gy and many other factors, combination of the two isnotwidely used in GIS products. My paper provides a set of data genera?tion Progra m based on 2?5- dm i ensional structuresS HP file , which can the lower the technical difficulty and production costsof the B / S system three- dm i ensional visualization , fill the vacancies in related products of currentGISmarke. tKey words : 2?5- Di men
