基于Java3D的地形可视化及关键技术研究_吕蓬

图 4 实验结果图 Fig． 4 Result of the experiment
3 提高地形显渲染速度的技术
3． 1 使用截平面
当显示的地 形 范 围 相 对 较 大 时，可 以 使 用 截 平 面 对 象（ Clip） 来减少计算机渲染的工作量。使用截平面相当 于在距观察者 一 定 距 离 的 地 方 放 置 一 块 幕 布，幕 布 后 面 的东西都是不可见的，并且不被 Java 3D 渲染，而幕布的 颜色用背景来代替。
…… Point3d［］ps = new Point3d［vertexCount］； ∥创建顶 点序列 Tin． setCoordinates（ 0，ps） ； ∥设置顶点坐标，其中 0 表示从第 0 个点开始直到 ps 数组结尾 …… int［］ indices = new int［indexCount］； ∥ 创 建 索 引 数组； Tin． getCoordinateIndices（ 0，indices） ； ∥设置索引 这样，我们就完成了从数字地面数据模型到 Java 3D 对 象的几何转换，只要设置好画布，贴好纹理和设置好光照， 就可以完成基本地 3 维地形可视化显示了（ 如图 4 所示） 。
2 根据地形数据选择和创建 Java 3D 对象
2． 1 对象的选择
根据地形数据模型的结构特点，Java 3D 中有两种对 象可供选择： 三角面序列和四角面序列。
1） 三角面序列 三角面序 列 包 括 TriangleArray 类 及 其 索 引 形 式 IndexedTriangleArray。TriangleArray 类 是 三 角 面 构 成 的 序 列，在这个类 中 每 三 个 顶 点 构 成 一 个 三 角 形。 它 的 构 造 函数： TriangleArray（ int vertexCount，int vertexFormat） ，用来 构造一个空的三角面序列，前一个参数表示顶点的个数， 后一个指出顶点所包含的要素，如颜色、纹理、法向量等。 IndexedTriangleArray 类是 TriangleArray 类的索引形式，它 先指定所有用到的坐标点，然后，再指定一个三角面坐标 索引的序列，IndexedTriangleArray（ int vertexCount，int vertexFormat，int indexCount） 为其构造函数，最后一个参数为 索引的个数。 2） 四角面序列 四角面序列 中 每 四 个 顶 点 构 成 一 个 四 角 面，它 包 括 QuadArray 及其索引形式 IndexedQuadArray。其参数与三 角面序列相应。 一般来讲，索引形式要比非索引形式消耗的内存小， 在大数据量时 表 现 得 尤 为 明 显，因 为 索 引 方 式 可 以 重 复 利用点、颜色等数据。 纹理图像一 般 采 用 地 面 正 射 影 像 图，它 是 由 航 拍 或 卫星影像通过处理和加工得来的。
图 3 混合模型（ TIN － GRID） Fig． 3 TIN － GRID
2． 2 对象的创建
考虑到地形 模 型 的 数 据 量 较 大，这 里 采 用 三 角 面 序 列的索引形式对象 IndexdeTriangleArray，下面为生成地形 的部分关键代码：
IndexedTriangleArray Tin = new IndexedTriangleArray （ vertexCount，IndexedTriangelArray． COORDINATES indexCount） ∥创建 IndexedTriangleArray 对象，其中 IndexedTriangleArray． COORDINATES 表示包含了顶点坐标
LV Peng，LI Lei，XIE San － de （ Navy Publishing House，Tianjin 300450，China）
Abstract： The 3D terrain visualization is core of scientific computing visualization，computer demonstration and GIS． Java3D is a standard extension of Java，which is a system － independent programming interface on 3D designing． This paper mainly specifies the 3D terrain visualization technology based on Java3D and some key technologies that can optimize rendering and 3D computing work． Key words： 3D terrain visualization； 3DGIS； Java3D； LOD
图 1 不规则三角网（ TIN） Fig． 1 TIN
将地面使用 规 则 的 矩 形 网 格 划 分，具 有 存 储 简 单 的 优点（ 如图 2 所示） 。
3） 混合模型（ TIN － GRID） TIN 模型适用于模拟地形较复杂地区； GRID 模型适 用于模拟地形较平坦地区。为了充分利用两者的优点， 可在地形建模时混合利用这两种模型： 在平坦地区使用 GIRD 模型； 在复杂地区使用 TIN 模型（ 如图 3 所示） 。
LOD 算法的实现主要分为以下两个关键内容。 1） 地形格网的生成 通常采用四叉树的概念来描述一个 LOD 地形，网格中 的每一个正方形为四叉树的一个节点，一般用递归的方法 不断地把地形分割成相等的四个区域，分割的深度越大，则 分率越高，达到精度要求后，就不再进行分割。若一个节点 不再被分割，则该节点为四叉树的叶节点，通过启动遍历整 个四叉树，就实现了地形网格递归生成（ 如图 5 所示） 。 2） 数据存储结构 一般采用 2 维数组来存储地形数据的高度信息，四叉 树节点信息 可 以 通 过 索 引 在 数 组 中 读 取。 同 时，还 要 定 义一个存储各个节点是否还要继续分割的信息的数组， 表示地形数组中每一点是否还有更小的网格。
下面为使用截平面的关键代码： …… Clip myClip = new Clip（ ） ； myClip． setBackDistance （ backDistance） ； ∥ 设 定 截 平面与观察者的相对距离 myClip． setApplicationBounds（ bounds） ； ∥设定截平 面的有效范围 sceneRoot． addChild（ myClip） ； ∥将截平面对象插入 到场景图根节点 ……
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测绘与空间地理信息
2012 年
3． 2 LOD 算法
LOD（ Level of Detail，细节层次） 是实时真实感图形学 技术中应用比 较 多 的 一 个 技 术，通 过 这 种 技 术 可 以 较 好 地简化 3 维地形场景的复杂度，同时，对图形真实度损失 很少，并满足实 时 性 的 要 求，目 前，在 众 多 文 献 所 提 及 的 LOD 算法中，比较常见的就是基于四叉树的 LOD 算法，此 算法基本思想 极 为 简 单，利 用 一 个 距 离 的 阈 值 来 控 制 四 叉树递归运算的深度，当这个阈值比较大时，得到较少的 三角面计算数量，反之则得到较多的三角面片。
收稿日期： 2012 － 01 － 04 作者简介： 吕 蓬（ 1981 － ） ，男，河北邯郸人，工程师，硕士，2008 年毕业于解放军信息工程大学信息工程专业，主要从事电子海图生
产及研究工作。
第 10 期
吕 蓬等： 基于 Java3D 的地形可视化及关键技术研究
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图 2 规则格网（ GRID） Fig． 2 GRID
图 5 用四叉树描述 LOD 地形 Fig． 5 LOD terrain described in the way of Quardtrees
参考文献：
［1］ 杨崇源，张继贤，林宗坚． 虚拟地形场景绘制中的实时 LOD 算法［J］． 测绘学报，2001（ 2） ： 133 － 139．
［2］ 陈刚． 虚拟视景仿真中的 LOD 及 mipmapping 技术［J］． 计算机应用研究，1997，14（ 5） ： 75 － 77．
4 结束语
随着信息时代的来临，特别是构建数字中国、建设数 字城市、大力提升测绘生产服务、应急测绘服务保障能力 的提出，国民经济各部门、社会各界对地理信息的需求急 剧增长。鉴于 卫 星 影 像 超 强 的 数 据 获 取 能 力，利 用 卫 星 影像更新基本地形图已成为当前摄影测量与遥感应用领 域研究的热点问题之一。
［3］ 李志林，朱庆． 数字高程模型［M］． 武汉： 武汉测绘科技 大学出版社，2000．
［4］ 都志辉． Java3D 网络上的三维动画［M］． 北京： 清华大学 出版社，2002．
［5］ 朱虹． 三维计算机图形学［M］． 北京： 科学出版社，2004． ［编辑： 宋丽茹］
（ 上接第 73 页） 5） 数字影像应影像清晰、层次清楚、颜色饱和、色调
4 结束语
本文介绍了利用 Java 3D 技术实现地形数据 3 维可 视化显示的技术，并研究了显示大规模地形数据时如何提
高计算机渲染速度和绘图效率的几项关键技术。别外， Java 程序还具有强大的网络功能，只要充分地利用 Java 提供的丰富的类库就可以开发出高质量的 3 维网络应用 程序，Java 的日益普及和开发包的不断升级，必将推动 3 维地形显示技术向更广更深的领域发展。
1 基于面表示的地形数据模型
模型是人们 对 现 实 世 界 的 一 种 抽 象，数 据 模 型 是 现 实世界向数字世界转换的桥梁。近几年，GIS 学界提出了 各种各样的 3 维数据模型，其中，基于面表示的地形模型 大致可分为以下三类。
1） 不规则三角网（ TIN） 利用三点决 定 平 面 的 性 质，将 地 面 分 成 一 系 列 的 三 角形，对于每个点赋予一个高度值，地面就可以由这些互 相连接的三角形逼近（ 如图 1 所示） 。 2） 规则格网（ GRID）