三维城市建模关键技术

城市是现代文明的中心。迅速加快的城市化进程已经使城市的可持续发展问题显得至关重要。城市空间的管理已不满足现在的分散、单一的模式，需要对城市空间范围内的地上和地下信息进行综合管理。通过建设城市区域三维地理信息系统，对城市的空间信息进行综合管理及服务，可以满足当前城市快速发展所面临的应用需要。 城市区域三维GIS是一个涵盖地表、地上、地下等多维的空间信息的三维地理信息系统。在城市区域三维GIS的支持下，我们可以在一个统一的时空框架下对城市地表以上、地球表面及地下进行整体的真3D可视化表达、管理、更新、查询、分析与操纵。可见，城市区域三维GIS的实质是真三维GIS技术在城市工作中的应用，是综合使用三维GIS技术、遥感技术、空间数据库技术、三维可视化技术及计算机网络技术，实现对城市地物、地表、地质及其相关数据的有效存贮、管理、可视化再现与网络化服务。 在本论文中，作者对针对城市三维空间数据的特点设计城市三维空间数据模型，通过建立三维空问数据库实现了对城市三维空间数据的有效存储和快速检索；在此基础上探讨了基于设计的数据模型的三维实体建模技术，三维场景的快速可视化技术以及三维空间交互与分析处理技术。论文的研究成功的解决了城市区域三维GIS在数据模型、管理、建模、可视化及分析等方面的一系列技术难题。论文所取得的这些研究成果，无论是从理论上还是从实践上都为城市三维GIS研究做了很好的探索与开拓，也为通用城市三维GIs的研发提供借鉴、经验和基础。 在整个研究过程中，本论文主要完成了以下系列的研究工作： 1. 论文的第一章：在分析课题研究的背景以及城市区域三维GIS的建设目标、研究涉及的数据与内容以及应提供的功能和服务基础上，指出城市区域三维GIS应充分利用城市的地上、地下空间数据信息，实现城市三维空间信息数据为城市空间基础设施的建设决策、城市空间的综合利用、城市规划的制定和实施、城市管理功能的组织提供科学依据和服务；论文指出三维及其相关问题是系统研究的主要技术瓶颈，并且论文从模型、建模及可视化三个方面回顾了三维GIS技术在国内外的研究现状，在此基础上确定了论文的主要研究目标、主要研究内容及论文的组织结构。 2. 论文的第二章：基于城市区域三维GIS的建设目标，涉及的三维空间数据内容，论文全面地总结归纳了现有三维空间数据模型的形式及其各自的特点，通过对国内外一些具有代表性的三维空间数据模型进行分析、借鉴并结合对城市地上、地下三维空间数据的特点，论文

提出一种适合城市地上、地表及地下的三维空间数据的三维GlS矢量数据模型——顾及拓扑面向实体的三维矢量空间数据模型。 3. 论文的第三章：针对顾及拓扑面向实体的三维矢量空间数据模型，采用面向对象的方法，论文设计了基于该模型的三维空间数据库模型、管理模式、物理存储方式；结合该模型的特点以及三维空间实时显示常用的LOD技术，作者设计并开发出融合Octree、R-Tree并支持实体层次细节数据的数据组织索引技术——LoD-OR树，显著改善了数据检索的性能；此外，在海量数据的快度调度获取方面，论文在简要地说明基本的数据调度策略的基础上，提出了利用空间特性的动态缓存调度与多线程技术相结合的两级调度策略，有效地提高了海量空间数据获取速度。 4. 在论文的第四章：论文详细的阐述城市建模的方法和策略，并针对二维矢量地图数据介绍了城市地物与地形相结合的建模方法；论文基于顾及拓扑面向实体的三维矢量数据模型，研究了如何利用钻孔数据进行三维地质体建模的技术，在此基础上详细介绍了“钻孔-层面模型方法”建模法的算法原理及步骤。对于另一类主要的地质建模数据：地震数据，论文从分析地震数据特点入手，详细介绍了以地震剖面数据为主、钻孔(“虚拟钻孔”)数据为约束并和校正的地质体三维模型的构建方法，并对其中的剖面轮廓拼接问题和如何使用“虚拟钻孔”修正地质体这两个关键问题进行了详细的阐述。 5. 论文的第五章：论文对三维场景绘制方法进行了归纳分析，并给出了常见的加速绘制方法，包括：背向面剔除，视域剔除技术，遮挡剔除，多层次细节模型以及几何数据高效表示等方法。考虑到对大数据量的三维地形实时绘制的需求，论文在分析常见的地形LOD算法基础上，给出了一种实用的地形实时LOD生成算法——基于三维空间距离及最大绘制三角形个数的LOD算法，取得了较好的效果。对于面向三维实体的LOD生成算法，论文给出了基于视点的静态多分辨率模型的选择策略以及多分辨率纹理的组织方式，减少三维场景实时绘制的三角形数量，提高了绘制效率。在实时绘制方面，论文引入GPU计算，提出了基于GPU结合LOD_OR树索引的可见性判断方法。 6. 论文的第六章：论文对城市区域三维GIS中的三维交互与可视化分析进行了三个方面的研究：在三维空间的交互技术方面，通过分析三维交互技术的难点，给出采用鼠标、键盘方式实现三维直接拾取定位的方法，介绍并实现了三维空间模型的无滞后旋转技术——Arcball；论文针对二维线、区矢量数据，引入GPU顶点编程的思想分别在GPU中采用深度偏移和

静态阴影技术有效的解决了线、区数据在三维空间叠加的问题；在三维模型剖切分析方面，论文同过分析剖切原理，给出了一种典型的模型剖切算法——三维矢量体数据的基于OBB树的三角网切割方法。 7. 论文的第七章：对论文的研究工作进行全面总结，并指出下一步的研究方向和问题。本论文的研究特色、工作成果与创新点主要体现在以下几个方面： 1) 提出一种适合城市地上、地表及地下的三维空间数据的三维GIS矢量数据模型——顾及拓扑面向实体的三维矢量空间数据模型。 2) 针对顾及拓扑面向实体的三维矢量空间数据模型，设计了基于该模型的三维空间数据库模型、管理模式、物理存储方式； 3) 结合模型的特点以及三维空间实时显示常用的LOD技术，作者设计并开发出融合 0ctree、R—Tree并支持实体层次细节数据的数据组织索引技术——LOD—OR树； 4) 针对空间信息的特点，采用两级缓冲管理模式并建立空间相关的动态调度机制，并在此基础上结合多线程技术，较好地解决了三维矢量空间数据的实时获取调度问题。 5) 结合城市三维地物的特点，论文给出了基于二维矢量地图数据建立三维地物的方法，并重点给出了房屋及屋顶、道路、河流等空间对象的建模方法。 6) 结合城市三维地质构造建模数据的特点，论文给出了通过顾及拓扑面向实体的三维矢量空间数据模型表达地质体数据模型的方法，并给出了基于该模型利用钻孔数据的“地层一实体”建模方法。 7) 设计了基于地震剖面构建三维地层实体模型的算法，该算法简单、健壮，解决了剖面线间的连接问题，并可结合钻孔数据为约束模型，允许用户通过“虚拟钻孔”修正模型，很好地解决了利用地震平行剖面数据建模的问题。 8) 考虑到大数据量三维场景地形实时绘制的需求，论文在分析常见的地形LOD算法基础上，给出了一种实用的地形实时LOD生成算法──基于三维空间距离及最大绘制三角形个数的LOD算法，取得了较好的效果。 9) 探讨面向三维实体的LOD生成算法，多分辨率纹理的组织；为了减少三维场景实时绘制数量，基于From＿Region的可见性剔除的算法，论文引入GPU计算，给出了基于6PU结合LOD_OR树索引的可见性判断方法。 10)针对三维中经常用的二维叠加分析需求，论文将GPU的顶点编程引入到三维空间叠加二维数据中来，并分别对矢量线数据采用深度偏移的方法，对区采用静态阴影技术卡快速、高效的实现了二维叠加的可视化分析功能。