3DGIS大地形建模分析

3DGIS大地形建模分析
第24卷第7期计算机仿真2007年7月
文章编号:1006—9348(2007)07—0195-03
3DGIS大地形建模分析
王宏
(空军工程大学导弹学院,陕西三原713800)
摘要:与二维GIS相比,3DGIS对客观世界的表达能给人以更真实的感觉,它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,而
大地形建建模又是3DGIS研究的一项重要内容,所以如果能够很好地解决大地形建模问题,将会使3DGIS的研究更加深入.
在详细分析了地形模型数据库的结构和建模两个方面存在的主要问题之后,以空间数据库查询的优化方法以及开发软件支
持的纹理数据格式要求对大地形建模进行了优化分析,并以一个实例说明了采用上述两方面优化后,对于模型数据量的影
响很大,所建模型相对占用资源较少,且可以满足不同层次显示要求,从而较好地解决了3DGIS研究中大地形模型海量数据
的处理问题.
关键词:地形建模;细节层次;单元分割'夕部引用;三维地理信息系统
中图分类号:TP317.4文献标识码:B
AnalysisofLargeTerrainModelingin3DGIS
W ANGHong
(MissileInstituteofAirForceEngineeringUniversity,SanyuanShanxi,713800,China) ABSTRACT:Comparedwiththe2DGIS,the3DGIScangivepeopleabettersenseabouttheo bjectiveworld,andit showsthegeographicalspacephenomenontothecustomersbythetechnologynamedsolidstr ucture.Becausethelarge terrainmodelingisoneofthemostimportantaspectsinstudyof3DGIS,iftheproblemofterrai
nmodelingcouldbe
solvedverywell,itwilldeepentheresearchin3DGIS,Whenthemainproblemsofthestructure oftheterrainmodel
databaseandthemodelingwereanalyzedcarefully,thelargescaleterrainmodelingWasdiscu ssedwithoptimizedspace dadabasequerymethodsandthetextureformationdemandswhicharesupportedbythedevel opmentsoftware.Andthen withanexampleitcanbeconfirmedthatthedataquantitywasaffectedthoroughlywiththetwo aspectsofmethods,and
thatthemodelconsumeslessresource,whichCansatisfytheshowingdemandfordifferentlev els.
KEYWORDS:Terrainmodeling;Levelofdetail;Cellaegmentation;Externalreference;3D geographicinformation
system
l引言
1998年1月31日美国前副总统戈尔在他题为:"数字地
球:对2l世纪人类星球的认识"的演讲中首次提出了"数字
地球"的概念,指出:"我们需要一个'数字地球',即一种可
以嵌入海量地理数据的,多分辨率的和三维的地球的表示,
可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据."这些
真知灼见无不说明三维地理信息的研究在整个信息领域中
居于十分重要的地位.
数字地球是一个超巨大信息系统,从"数字地球"的描述
中,不难发现它的关键的问题,那就是地球的三维表示.而
地球的三维表示则是三维可视化中的一个重要方面,要很好
地解决三维可视化研究中的动态平滑显示问题,大地形的三
维建模就显得尤其重要,因为三维大地形模型包含海量的数
收稿日期:20o6—05—25修回日期:2006—06—11
据,必须对它的数据结构以及数据处理时的空间信息查询进
行优化组织,才能满足这些要求.本文主要从工程应用的角度对大地形建模进行讨论分析,以提供一种优化的建模方法.
23DGIS大地形建模优化
1)结构优化
①调整结构:由于空间数据库查询一般是按照树状结构
查找的,所以在建立这个庞大的场景模型之前,应该根据虚拟场景中每个实体的几何空间位置,以及模型之间和模型内部的结构关系,确定虚拟场景中所有实体模型的层次结构. 对场景进行层次结构划分后,可以方便场景建模的分工和实体模型的组织和管理,明确模型构建目标,大大减轻建模的工作量.即使是最简单的模型也需要调整模型的层次结构, 来达到优化的目的.例如,可以使用空间结构来组织模型数据库.首先将大地形模型中的所有体节点按照其真实的空一
】95—
间位置进行分组.如图1所示.
2
4
(1】)
图l使用空间结构方式组织模型数据库
使用这种结构进行分组,实时系统可以快速判断出哪
些区域在或不在当前的可视范围内,比如,图1(a)中区域2 和3显然不在可视范围内,根据观测体的裁剪面的具体位置,区域4也有可能不在可视范围内,这样系统就只需要对区域1组节点进行遍历,并判断其子节点是否处于当前可视范围内.由于按空间结构进行分组的方式可以以组节点为单位进行可视性判断,而不用遍历不可见的子节点,也就是
说不用对模型中的所有体节点进行遍历操作,所以实时系统处理的速度就会很快,对于大地形模型而言,这种速度优势会更加明显.
应当注意,由于模型中的某个区域可能横跨两个或几个
空间区域组,如果这部分区域处于可视范围内,系统就必须同时绘制出相应的几个空间区域.对于这种情况,可以采用以下方法处理:就是将模型的几何体进行分割,并将不同的部分放到不同的区域组节点下,但是为了保持区域间平滑地过渡,要采用区域重叠方法处理,如图3所示.
②采用LOD技术:LOD技术最先由Clark提出,它的主
要目的是通过对地形的多尺度表达,达到数据减少与真实感减损之间的平衡.它依据地形模型和视点的距离,选择合适尺度模型表示来进行绘制.如果模型离视点较远,且在屏幕空间的投影区域覆盖较少像素,则纹理像素少且粗糙(点,线和面的数量少)的模型来进行表示;相反,模型离视点较近. 则采用纹理像素多且精细(点,线和面的数量多)的模型来进行表达,如下图2所示.
③模型单元分割:单元分割(CellSegmentation)是将虚
拟场景模型分割成较小的单元,只有在当前模型中实体才被渲染,因此极大的减少了处理模型的复杂度.这种分割法对于地形模型是非常适用的,因为在人的视野中所见的物体只是整个虚拟环境中的很小的一部分,只处理当前所见的物体大大提高了系统的速度.地形模型分成若干区块,场景调度时可以只输出其中的几个单元区块,而不必导入所有模型.
2)模型优化
一
196—
1×l
LOD2
2×2
LOD1
图2LOD示意图
4×4
LODO
①合理使用纹理:(a)使用简单分量纹理,在取得预想效
果的前提下尽可能使用小面积的纹理.纹理的几何尺寸越
小,文件的数据量也就越小,对于内容比较简单的纹理用
128×128与用16×16象素看起来区别并不明显,但文件大
小却差了几十倍.比如一个128×128的文件是48.5K,同
样的内容保存为64×64则只有12.5K,只有原来的四分之
一
.使用单分量(灰度图)的纹理通常要比使用三分量(红,
绿,蓝)更为有效.因为单分量纹理每一个字节用一个十六
进制值就可以表示了,而一个三分量纹理的像素有红绿蓝三
个成分,需要三个十六进制值来表示.把简单分量纹理与物
体的基本材质颜色综合起来就会产生一种非常真实的表面.
(b)优化纹理格式,MultiGen公司Creator软件提供了多种内
部纹理格式(其中有节省内存多,纹理质量较差的:TX—RGB一
5,X—RGB4;高质量的有:TX—IA一12,X—RGBA一12,X—RGB一12),降低纹理质量可以节省内存.例如对于一个512×512
的RGB纹理,它的文件尺寸为:文件大小=512×512×3位
(RGB三色)=787KB;如果采用MultiGen内部纹理格式TX
—RGB_
5,24位压缩成16位(5位红,5位绿,5位蓝)则文件
大小=512×512×2位(5/8位+5/8位+6/8位=2位)=
525KB,文件大小只有原文件的2/3,纹理所需内存节约了
30%.在实时视景仿真系统中物体的运动部分,远距离场
景,用低质量纹理刚好,但却极大的节约了内存.另外,对于
纹理文件,使用jpeg格式要比rsb格式的文件要小得多.许多渲染的工具除了支持rgb格式的文件外,也支持fpeg格式,如V ega.Fpeg是一种有损压缩,但它可以达到100:1的
压缩率.在使用时,可以根据需要在压缩率和图像质量之间折衷.
②使用外部引用:使外部引用可以让用户直接把其他数
据库引用到当前的数据库中.引用的数据库能在当前数据库中重新定位.这样做的好处就像把图片分割以加快下载速度一样.程序初始装入时,在主文件中如果包含了所有物体,那么就必须把它们全部装入.然而,如果使用外部引用, 则并不立即装入该形体,只有当该形体落人视野内才会画出.通过使用外部引用技术,可以在一个模型系统中设置外部参考节点,在节点下能够调用另一个模型的部分或全部, 并可以重新定义合适的位置和大小.相关文献中只提到使用外部费用的便利性和实时性,却没有考虑到地形要求平滑地显示,那么构成的大地形模型的每个外部引用模型文件中,相邻的地形模型之间要有部分重叠的部分,如下图3所刁o
图中各种阴影部分(椭圆包围的部分)表示的为地形分
图3地形模型区域重叠示意图
割后的模型区域,而由每个矩形包围的区域(如矩形框4包围的区域)为外部引用模型中的要求表现模型区域.
33DGIS大地形建模应用实例
本文以美国加利福尼亚北部的某个半岛地区的地形为
例,以一个已经转换好的DED格式高程文件为基础来说明大地形建模优化效果.
1)所建模型的层次结构图如图4.
该模型的共有25个组节点,每个组节点对应一个外部
引用文件,每个外部引用文件则按照优化的结构,LOD,单元分割以及优化处理的纹理处理.
2)大地模型效果如图5一图7.
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3)数据量分析
结果:
该模型共分为
25个地形块,并按
照空间结构进行了
分组,每块的大小
为5120m×5120m,
地形总大小为
20480m×20480m.
其中有部分地形面
积是为了使地形平
滑的显示而采取了
边缘冗余.模型共
设置了5层LOD,
最高层LOD的
FACES数为6068,
TRIANGLE数为
8737,VERTICES数
为20509,而其最低
层LOD的FACES
数为51,TRIANGLE
数为52,VERTICES
数为154.因此,采
用LOD技术以后,
可以很好地满足不
同的细节层次需
要,节省大量的资
源.
图4模型层次结构图
图5纵览地形全貌图
图6视点很远时的地形模型
图7视点较低时的地形模型
使用外部引用以后,该模型共需要调用25个模型文件,
这25个模型文件共同组成了该大地模型,由于将整个大地模型分成25部分,所以在系统根据可视范围实时调用时,也大大地也减少了资源的消耗.
对于该模型,若贴以0.5m分辨率的影像图,则在一般的
PC机上即可以平滑流畅地显示.
43DGIS大地形建模研究展望
3DGIS是为了表达真实的世界,提供用户与虚拟现实的
模拟环境,认识世界的平台,这是一个数据流经过人脑加工而生产知识的模拟环境.面对地理空间研究和应用中的海
量数据,如何实现真实感强的虚拟环境是一个具有挑战性的问题,这必然会导致对大地建模的深入研究,因为它是
3DGIS研究的一个瓶颈,突破了它,3DGIS才有更大的发展空间.
参考文献:
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[作者简介]
王宏(1976一),男(蒙古族),内蒙古人,在读博
士,研究方向为空军作战装备使用与保障.
.--——
197---——。