大范围多尺度地形场景实时漫游技术的研究与实现

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1、鬣科磅与自主鹤奢f大范围多尺度地形场景实时漫游技术的研究与实现黄瑞阳成毅陈长林刘汉生解放军信息工程大学测绘学院【摘要】本文从海量数据的组织与管理、建模和三维地形场景的管理与实时调度等关键技术入手，深入研究了大范围多尺度地形场景的实时漫游技术与方法，并基于上述提出的关键技术，构建了河南省三雏地形场景的实时漫游平台，验-i汪-T实时漫游技术的可行性。【关键词】海量数据；金字塔体系；三维地形场景；实时漫游1、引言随着数字地球及数字城市的概念逐步深入到人们生活的各个方面，地理信息的三维可视化正在被越来越多的人所认识。地理信息的三维可视化已经在水利、地矿、交通

2、、城市建设、海洋及军事等方面的规划及部署建设中发挥了重要的作用。三维地理信息的可视化技术，尤其是对地形的三维可视化技术成为了近年来数字地球和数字城市领域的热点研究问题。三维地形可视化技术是以数字高程模型(DEM)作为二维平面图像的基底，根据图形学与计算机视觉中的一系列原理，在屏幕上为用户提供真实感较强的三维立体景观⋯，与传统的二维地图相比，它能更为直观、精确地为用户提供决策支持辅助能力。然而，由于三维地形可视化涉及的往往是多尺度的、海量的数据和复杂的地形场景，而要达到如此大范围地形场景的实时漫游，远远超出了一般的图形系统的实时渲染和内存的管理能力【2

3、】，因此，本文重点从海量数据组织与建模、三维场景的管理与实时调度这二个关键技术着手，深入分析了大范围地形场景实时的渲染与漫游技术，并利用VisualC舟．NET和DirectX9．0c渲染引擎，从底层构建了河南三维地形场景的实时漫游平台。有三维坐标值(X、Y、Z)的DEM数据。通过投影变换和消隐处理，转化为在计算机屏幕上的二维图形，然后可通过设置光源和视点位置，模拟光照效果，并将航空影像或卫星图像数据通过纹理映射技术叠加到DEM表面，产生逼真的地形起伏的景观模型。3、大范围地形场景的实时漫游的关键技术在图2．1中我们看到了地形三维可视化的流式过程，整

4、个流程的实现只需要六个步骤，然而，这些流程步骤只适合对于数据量相对很小的简单的地形进行p一---每==习龟。!竺竺篓!璺．；；I。．堂．竺兰篓．12、地形三维可视化的一般过程地形三维可视化一般过程(如图2．1所示)是：将具图2．1地形三维可视化的流式过程醐咐g毫㈣懈mP。中一一坠军一cGF琨范s强务·2008高校Gls论坛论文集实时的可视化，由于大范围多尺度的复杂地形场景的存储所占用的空间的操作的复杂性都呈指数级的增长，因此，要实现大范围的复杂地形场景的三维可视化。达到更高的真实感，在目前的的计算机软硬件下，必须采取有效的数据组织与管理、复杂的地形建

5、模和大范围的三维场景的管理与实时调度技术。以缩短数据在内存中的绘制时间，并提高地形三维可视化的质量。3．1数据组织与建模3．1．1地形数据的组织与建模数字高程模型(DEM)是指利用一个任意坐标场中大量选择的已知X，Y。Z的坐标点对连续地面的数字表示【3】。DEM按其建模的方法的不同可以分为规则的DEM和不规则的DEM。由于规则的DEM的数据结构相对比较简单，数据的操作比较容易，并且容易实现对DEM数据进行分级分块和插值操作等，所以在大范围地形场景中，一般都采用规则的格网DEM数据。然而如果直接使用原始DEM数据进行地形可视化。其所要渲染的三角形数目，

6、远远超出了当前显卡上集成的GPU(GraphicProcessingUnits，图形处理单元)的计算与处理能力。因此，要实现对大范围地形场景的实时漫游，必须采取一定的策略对DEM数据进行分割细化，构建细节层次模型。根据DEM数据的图幅结构和DEM数据的多尺度的特点，本文利用金字塔体系来构建多尺度的DEM的细节层次模型(LOD)，并采用四又树的方法对金字塔体系的每一层的数据进行编码。第n+2层第n+l层第rl层(1l细节层次模型(LOD)及金字塔体系的建立根据人眼在观察事物时的规律：对较远处的场景人眼能够获得的信息相对较少，而随着距离的拉近，对细节的观

7、察越来越详细，因此对远近不同的场景可以采用不同的“粒度”进行描述，这就是细节层次(LOD)方法的基本原理。当前细节层次模型主要有连续型和离散型的办法【41。对于这两种类型的LOD的分析如下表3．1所示。裔卜＼颦连续型LOB离散型LOD数据单元曲线、曲面平面栅格结构数据结构复杂简单一般(但可处视觉过渡比较光滑理)渲染速率多变(跟地形有关)稳定细节合成效率较低高效表3．1连续型与离散型LOD之间的性能的比较根据表3．1的比较，为了更好地实现大范围的地形场景的三维实时可视化，本文采用金字塔体系。对同一地区的多尺度的地形的数据采用平面栅格结构来构建离散的LO

8、D，即在构建地形金字塔时，把比例尺较大的数据作为金字塔的底层，即第0层，然后越往上一层。比例尺要比其上一层低