三维大地形模型的生成与管理方法研究

系统仿真学报Vol. 17 No. 2

JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION Feb. 2005·388·

三维大地形模型的生成与管理方法研究

张恒，张茂军，刘少华

（国防科技大学五院多媒体研发中心, 湖南长沙 410073）

摘要：以虚拟战场环境为背景，针对大地形可视化中的特殊要求，介绍了三维大地形模型的生成

方法和步骤，阐述了地理数据格式的转化方法和人文特征的读取方法与显示途径。实验结果证明该

方法可以有效地应用于三维大地形模型的生成与管理，并为最终建立大范围的虚拟战场环境提供基

础。

关键词：大地形模型; 地形转换; 人文特征显示; 虚拟战场环境

文章编号：1004-731X (2005) 02-0388-04 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A Research on Generating and Managing 3D Large T errain Model

ZHANG Heng, ZHANG Mao-jun, LIU Shao-hua

（Multimedia Research and Development Center, 5th College, NUDT, Changsha Hunan 410073, China）Abstract: It is introduced the methods and steps for generating the large scale terrain models under the context of virtual battlefield environments. And the methods for transforming the geographic data format and reading and presenting the civil feature data are discussed as well. The experimental results show that the methods we presented are efficient to create and manage a 3D large terrain model. So these methods can provide the foundations for constructing the virtual battlefield environments.

Keywords: large scale terrain; terrain conversion; culture feature display; virtual battlefield environment

引言

虚拟战场环境已成为虚拟现实技术的一个重要研究方向。其中三维大地形模型的生成和有效管理是虚拟战场环境的重要基础，并且随着计算机技术、三维图形技术与遥感技术的快速发展，利用数字地面模型（DTM）或数字高程模型（DEM），结合高清晰度卫星或航拍照片生成某区域的三维地形模型的方法，得到用户的充分肯定，已成功应用于战场模拟、地理信息系统、地形分析、铁路公路建设、气象数据可视化等众多领域。

三维大地形模型的生成与管理技术主要涉及到地形多分辨率表示、海量地形数据和纹理数据的分页管理、地形和纹理数据的LOD控制、地形和纹理数据的快速存取和更新等关键技术。尽管前人已做了很多这方面的工作，但真正实用且适合大范围三维地形的构建及其实时渲染的算法还不多。人文特征数据在地理信息系统（GIS）中使用比较广泛，数据也比较丰富，但主要还是集中二维的符号表达方式上，与三维大地形的结合还没有形成一个有效的方法和统一的过程。

另一方面，随着计算机硬件和软件水平的不断提高，人们对三维地形的真实性要求也越来越高。除了利用光照技术

收稿日期：2004-02-24 修回日期：2004-05-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目（69905004）

作者简介：张恒(1979-), 男, 辽宁人, 硕士生, 研究方向为多媒体与虚拟现实；张茂军(1972-), 男, 教授, 博导, 研究方向为虚拟现实系统、虚拟仿真、先进训练系统等; 刘少华(1983-), 男, 河南人, 硕士生, 研究方向为多媒体与虚拟现实。使三维地形有明暗显示外，通常为了提高三维地形的真实性，还可以添加图像纹理(如叠加卫星照片、彩色地形图等)、分形纹理(利用分形产生植被和水系等)和叠加地表地物(道路、河流、建筑物等)。本文着眼于构建真实感虚拟战场环境的需要，以Multigen公司的Creator软件为主要平台，研究了构建三维大地形模型的一般方法与步骤，并结合一个具体的项目，介绍了我们构建其三维大地形模型中选用的一些技术，以及得出的一些成功的经验。

1 构建三维大地形模型的过程

三维大地形模型直接为虚拟战场环境视景仿真服务。然而，仿真的应用目的直接决定三维大地形模型所需的精细程度[9]。“如果仿真应用系统的侧重点在于作战方案评估，则作战模型及其数据的合理性就至关重要，不能有较大的偏差，否则就得不出正确的作战方案结论。但与指挥过程相关的模型可以适当简化。如果仿真应用系统的重点在于训练，则模型及其数据相对合理即可，因为训练的重点在指挥的过程”[9]。不同的训练用途也决定不同的模型精细程度要求。比如：用于训练飞行员的仿真应用系统与用于训练坦克的仿真应用系统相比，对模型的精细程度与侧重点要求都有比较大的差异。为此，我们在构建三维地形模型之前，需要做的第一件事情便是进行仿真目的分析，得出仿真模型的应用需求。并由此选择合适的模型精细程度，以便以最小的代价，最大程度地满足用户的需求。

图1

显示了三维大地形模型构建过程的UML表示，具

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Feb. 2005 张 恒，　等：三维大地形模型的生成与管理方法研究·389·

体过程描述为：

①确定仿真需求：首先要根据应用的场合和目标，来

确定需要采用的硬件和软件，以及预期达到的效果等。

收集数据：收集仿真中需要的数据，包括地形数据、

人文特征数据、纹理数据等。如果数据符合本应用的格式要

求，则直接转入④；若数据不符合要求，则进入③。

③数据转换：对与系统不匹配的数据进行转换，完成

后转入④。

④建立测试地形：要先以高程数据为基础建立一个小

型的测试地形数据库，然后在这个小型地形数据库上对

LOD等一些功能进行测试来检查错误，以及寻找解决方法。

同时最好也要对这个小型地形数据库进行实时运行测试，确

认这个系统是否能够流畅运行，是否有瑕疵和纰漏。若未达

到要求，返回到④，重复执行 的操作，直至达到要求为止。