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1、I目目 录录内容摘要ABSTRACT第 1 章 绪 论.11.1 本课题的研究背景 .11.2 本课题的研究意义和目的 .11.3 本文的结构 .2第 2 章 数字地形模型的基本概念和应用.32.1 数字地形模型的概念 .32.2 数字地形模型的应用 .4第 3 章 数字地形模型的建立.63.1 数据采集 .63.2 模型建立 .83.3 模型管理 .10第 4 章 数字地形模型的可视化.124.1 地形数据可视化的原理 .124.2 真实感三维地形模型 .154.3 三维显示的实现与 OpenGL.20第 5 章 编程实现三维地形数据的可视化.225.1 搭建框架 .225.2 数据输入输出
2、 .225.3 绘制三维地形模型 .235.4 成果分析 .24第 6 章 结 论.26参考文献.27内容摘要内容摘要进入 20 世纪中叶后，伴随着计算科学、现代数学和计算机图形学等的发展，人类对空间数据的处理已经从过去的模拟方式转变成今天的数字化方式。与此同时，各种数字的地形表达方式得到了迅猛的发展。与传统地形图比较，数字地面模型作为地形表面的一种数字表达形式,有着多种形式显示地形信息、存储时精度不会损失、容易实现自动化和实时化等特点。近年来，随着空间数据基础设施的建设和“数字地球”战略的实施，更加快了数字地形模型与地理信息系统、遥感等的一体化进程，为数字地形模型的应用开辟了更广阔的天地。数
3、字地面模型的主要生产应用流程包括数据采集、建立模型、可视化表达和空间分析应用等方面。本文主要研究了数字地形模型的数据采集方法、模型表示方法以及地形数据三维可视化的方法和原理，并利用 OpenGL 技术编程实现地形数据的三维可视化。关键词：数字地形模型；地形建模；地形可视化；OpenGLABSTRACTABSTRACTFrom the middle of the 20th century, with the constant progress of compute science,moden mathematics and computer graphics,the way of process
4、ing spacial data changed from analogue to digital.At the same time,many kinds of ditital expression of the earths surface developed rapidly. Compared with topographic map,digital terrain model(DTM for short),which is a discrete ditital expression of terrain,has many advantages such as various ways t
5、o express terrain information,lossless accuracy to storage data,easy to automatization and real-time. In recent years,under the construction of spacial data and the implement of digital earth strategy,the integration of DTM,GIS,Remote sensing opened up a broad avenue for the application of DTM.The m
6、ajor production and application process of DTM consists of data acquisition,model expression, models establish,visualize expression, spacial analysis.This paper mainly studied the data acquisition method and model expression method of DTM，as well as the method and theory of terrain data 3D visualiza
7、tion.Finally I wrote a program to realize terrain data 3D visualization with OpenGL.Key words: DTM,Terrain modeling,Terrain visualization,OpenGL1第 1 章 绪绪 论论1.1 本课题的研究背景人类生活在地球上，时时处处与地表发生关系。千百年来，人们一直在努力寻找一种方法，能方便、准确地描述地表形状。从早期的绘画、文字描述，到地形图的使用，再到现代的数字地形模型，地形表达方式随着时代的发展不断发生着变化。人类在很早以前就开始想方设法来描述自己所熟悉的各种
8、地表现象，地图作为一种古老而有效的精确表达方式被一直沿用至今。在各种地图中，用来准确描述地貌形态的是等高线地形图。用等高线来表达地形表面起伏可以追溯到 18 世纪，它的方便性和直观性使得人们认为在制图学的历史上等高线是一项最重要的发明。等高线地形图用一系列的符号来表示相应的地物，地物高度和地形起伏的信息则有选择地用等高线进行表达，其投影方式为正交投影，有十分准确的平面和高程信息。但是由于与人眼的透视投影成像不同且缺乏纹理信息，很难逼真地表达出地表的真实形态。进入 20 世纪中叶后，伴随着计算科学、现代数学和计算机图形学等的发展，各种数字的地形表达方式也得到了迅猛的发展。电子计算机为自然科学的发
9、展提供了能够进行严密计算和快速演绎的工具。使用计算机和计算技术是当今信息时代的一个重要标志，其在测绘方面的应用使得测绘科学逐步向数字化与自动化、实时处理与多用途的方向发展。数字地形表达的方式可以分为两大类，即数学描述和图形描述。使用傅立叶级数和多项式函数来描述地形是常用的数学描述方法。相比数学表述，图形描述则更为常见，规则格网、不规则格网、等高线等都是图形描述。用离散采样数据点建立数字地形模型是常用的方法之一，这些离散点以高程点的形式表现出来。离散数据采样可以按规则格网采样,如标准格网或渐进采样格网；可以是不规则采样,例如有选择性地采集山峰、低谷、盆地、鞍部等可以描述地形变化的重要特征点，组成
10、不规则三角网。在各种数学表述方式中，离散点方式描述的地形信息更适合计算机处理。这是因为计算机采用二进制的方式进行运算和存储数据，连续数据只有离散化后才能被计算机处理。标准格网因规则采样、方便计算机处理等优点被广泛采用。不规则三角网因为可以自适应地形的复杂程度且比较精确的存储地形信息也被越来越多的使用。借助于数字地形表达，现实世界的三维特征能够得到充分而真实的再现。1.2 本课题的研究意义和目的进入 90 年代，随着地理信息系统(GIS)的发展，数字地形模型成为空间信息系2统的一个重要组成部分。是工程建设、战场环境仿真等许多领域最为重要的基础数据之一。因此，系统地建立大区域的数字地形模型是当前的
11、迫切任务。随着数据库和环境遥感技术的迅速发展，数字地形模型开始作为空间数据库的实体，为地理信息系统进行空间分析相辅助决策提供充实而便于操作的数据基础，同时与地理信息系统的结合也愈来愈紧密。近年来，随着空间数据基础设施的建设和“数字地球”战略的实施，更加快了数字地形模型与地理信息系统、遥感等的一体化进程，为其应用开辟了更广阔的天地。本课题主要通过对数字地形模型建立和可视化的现有方法进行分析、比较，找到一种实际应用效果较好的方法，重点研究三维可视化的方法和原理并编程实现地形数据的三维可视化。1.3 本文的结构本文包括 6 个章节。第 2 章详细介绍了数字地形模型的基本概念和应用；第 3章介绍了数字
12、地形模型的数据来源、建模过程和存储管理方法；第 4 章深入阐述了数字地形模型可视化的原理和方法，并介绍了 OpenGL 技术在地形三维可视化中的应用；第 5 章对编程实现数字地形模型建立和三维显示进行了介绍，并进行了三维显示的实验，分析了实验的结果；第 6 章作了总结，并指明了存在的问题和进一步研究的方向。3第 2 章 数字地形模型的基本概念和应用数字地形模型的基本概念和应用2.1 数字地形模型的概念2.1.1 数字地面模型模型是指用来表现其他事物的一个对象或概念，是按比例缩减并转变到我们能够理解的形式的事物本体。数学模型一般是基于数字系统的定量模型。数字地形建模是一个数学模拟的过程，在此过程中形成地形表面的大量采样点将按一定精度进行观测，这时地形表面被一组数字数据所表达。如果需要该数字表面上其他位置的属性，则应用一种内插方法来处理该组观测数据。在内插过程中，数学模型被用来建立基于数字观测数据的地形表面模型，即数字地面模型(Digital Terrain Model，简称 DTM)，从 DTM 便可以得到任何位置处的属性值。DTM 更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用下述二维函数系列取值的有序集合来概括地表示数字地面模型的丰富内容和多样形式:( 2.1 )(,)1,2,3,;1,2,3,pkppKfuvkm pn
