数字地球虚拟现实三维可视化实现研究

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1、数字地球虚拟现实三维可视化实现研究(2010-8-3020:50:37)查看评论()   来源：第三维度(http://www.d3dweb.com)   作者：孙洪君　杜道生　李征航　周勇前   摘　要　利用计算机图形学中的三维可视化理论和开放的OpenGL技术实现了地球形状的三维动态表达。研究和实现了全球数据组织、数据转换、数字地球三维建模、法向量计算以及矩形格网数据向三角网数据的快速转换。   科学可视化(visualizationinscientificcomputing)是80年代后期

2、由美国科学家提出并发展起来的一门新兴边缘技术。所谓可视化，就是对人脑印象构造过程的一种仿真，以支持用户的判断和理解。具体地说，它将科学计算过程中及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。可视化技术成为信息爆炸时代人类分析和驾驭信息的有力工具［6］。　　在计算机环境下，可视化的中心问题是科学家能够快速生成一系列相同或相关信息的图像。计算机屏幕上显示的影像有助于信息处理，从而提高对二维或三维空间关系和空间问题的理解。目前，国内外关于地理信息三维可视化的研究主要集中在数字地面模型

3、(DTM)、数字高程模型(DEM)及城区景观可视化的研究上。这方面的研究现在已取得了很多成果，诸如用数学形态学、分形学、小波变换等新兴理论和方法对三维建模和数据结构的改进和优化［3，4，7，8］；利用先进的计算机可视化技术(AutoCAD、3DMAX、OpenGL等)对实验、实用数据进行可视化实现［3～6］。地球形状及外部重力场一直是大地测量学研究的核心问题［1］，目前，已经有大量的地球重力场数据(如重力异常数据和高程数据等)需要进行三维可视化表达。   1　三维可视化的理论和技术　　真实感图形

4、绘制是计算机图形学的一个重要组成部分，它综合利用数学、物理学、计算机科学和其他科学知识在计算机设备上生成像彩色照片那样的真实感图形［2］。　　用计算机在图形设备上生成连续色调的真实感三维图形必须完成4个基本任务：(1)用数学方法建立所需三维场景的几何描述，并将它们输入计算机。这部分工作可由三维立体造型或曲面造型系统来完成。场景的几何描述直接影响了图形的准确和图形绘制的计算耗费，选择合理有效的数据表示和输入手段极其重要。(2)将三维几何描述转换为二维透视图，这可通过对场景的透视变换来完成。(3)确

5、定场景中的所有可见面，这需要使用隐藏面消除算法将视域之外或被其他物体遮挡的不可见面消去。(4)计算场景中可见面的颜色，严格地说，就是根据基于光学物理的光照明模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成，并将它转换成适合图形设备的颜色值，从而确定投影画面上每一像素的颜色。接着通过明暗处理模型确定画面上每一个面的颜色，最终生成图形。对于三维动态可视化还需要增加一个处理步骤，即三维动画的生成，如图1所示。过程Fig.1　Processof3DVisualization　　OpenGL的主要特点

6、是：①可以在网络上工作，即属于客户机/服务器型；②与硬件无关；③拥有丰富的函数；④操作简单易行。OpenGL的基本造型元素是顶点(vertex)，可以是二维或三维的点，用户就是将这些点用合适的算法进行建模，剩余的一系列变换和处理工作基本都可以由OpenGL处理。本文的三维可视化表达就是使用OpenGL图形库。　　2　基于OpenGL的数字地形可视化建模 　　2.1　三维数字地形　　地形与人类的生存、生活、发展密切相关，用数字的形式描述三维地形，已成为科学研究、工程应用等的通用格式。描述三维数字地

7、形的基本方法是数字地面模型(DTM)［3］，它有广义和狭义之分。广义的DTM是地形表面形态等多种信息的一种数字表示，严格地说，DTM是定义在某区域D上的m维向量的有限序列，即　　　　｛Vi｜i=1,2,…,n｝　　(1)　　其向量Vi=(Vi1,Vi2,…,Vin)的分量可为地形、资源、环境、土地利用、人口分布等多种信息的定量或定性描述。DTM是一个地理信息数据的基本内核，若只考虑DTM的地形分量，就是狭义的数字地面模型，通常称为数字高程模型DEM或DHM(digitalhightmodel)［

8、5］。以下讨论都是针对狭义数字地面模型展开的。　　DTM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法［11］。DTM表示区域D上地形的三维向量有限序列｛Vi=(Xi,Yi,Zi)｜i=1,2,…,n｝，其中(Xi,Yi)∈D是平面坐标，或以地球尺度计量的经纬度；Zi是(Xi,Yi)高程，高程的起算面可以是自定义的一个高程基准面，也可以是大地水准面或者椭球面，此时，Zi分别是相对高程、海拔高程以及大地水准面差距而言。当地形三维向量有限序列中各向量的平面点位呈规则格网排列时，其