一种实现大规模矢量数据在三维GIS中高效表达的方法.pdf

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1、一种实现大规模矢量数据在三维GIS中高效表达的方法李绍俊1,2，冯振华2（1、中国科学院地理科学与资源研究所；2、北京超图软件股份有限公司）摘要：大规模矢量数据的依地形表达是三维GIS发展过程中面临的重要课题，这一表达在目前主要有真矢量和栅格化两种方法和思路，本文在总结这两种方法在表达效果、性能及其操作上的优缺点的基础上提出了一种新的实时栅格化的方法，这种方法在内存中保存二维矢量数据，以方便选择和编辑等操作；而在显存中，则以实时栅格化了的纹理来进行保存矢量数据渲染后的结果，以方便矢量数据依地形的实时表达。经过实

2、验，该方法实现了更好的显示效果和性能。关键词：地形不规则三角网多分辨率模型实时栅格化1.前言大规模矢量数据在全球三维虚拟地形上的贴地表达，在三维数字地球领域占有很重要的地位。尤其二维的矢量数据，例如国家、省份的边界线、分析结果等等，由于缺少第三维，很多都需要矢量数据可以贴地形在三维球上高效的表达。很长一段时间，我们都在探索一种通过插点来表达的真矢量的贴地方法（Wartell,Z.，Kang,E.，Wasilewski,T.，Ribarsky,W.，Faust,N.，2003），这种方法会随着地形网格选用了LOD

3、（多细节层次）的方法，而相应的有所变化，这样更加大了插值的难度。以矢量线为例：随着地形漫游，地形网格的划分会随着距离视点的远近而发生变化，矢量线的插值也必须每帧做相应的更新，这是一个很耗时的工作，同时，随着矢量线数据的增多，性能也成几何倍数的降低，甚至交互效果都难以达到，更谈不上实时的漫游了。矢量面通过插值来实现贴地表达，更是一个不高效的办法，而且由于有些图形加速卡的深度缓存支持位数的不高，也会导致精度不够，带来闪烁的效果，而且无法避免。还有一种预处理的方法，也就是把矢量数据预先栅格化到影像上，影像按照类似Wo

4、rldWind或Googleearth的方式切割成瓦片（Tile）的方式缓存起来，漫游时，根据分辨率的要求调入相应分辨率的影像块。这种方法，在渲染性能上很高，而且贴地形效果也很好。但是，这种方法耗费大量的预处理时间，而且增加了I/O的负载，在同时加载DEM、影像、矢量生成的影像、模型等数据时，只有很好的调度策略才能保证很好效果。另外更重要的是这种方法，不能进行选择、编辑和分析等。这样，这种方法就带有很大的局限性，只能用来漫游显示。伴随着图形硬件的发展，对一定数量的矢量线面数据进行光栅化处理已经不是太大问题，这是

5、本文采用实时栅格化方法的前提。而且在漫游过程中，空间是连续变化的，也就是我们只需要实时的栅格化最新进入视椎内的矢量影像块即可，所以每帧最多更新的影像块不会很多。这也是我们能够高效地实时栅格化的一个重要方面。2.矢量的实时栅格化方法这种方法是把虚拟地球按照地理坐标系展开到二维空间进行绘制，绘制完成后再应用纹理贴图技术把二维绘制的结果绘制到三维虚拟地球表面。通常，我们的矢量数据是二维的，这样二维就可以自然的过渡到三维。（1）矢量的绘制通常全球的划分是按照经纬度的方式划分的，按照经纬度坐标系划分的影像块（Tile）可

6、以很容易的应用纹理技术贴到虚拟地球上，我们把矢量数据实时的绘制到一张透明的影像块（Tile）上，就可以在虚拟地球上表达矢量数据了。把矢量绘制到一个透明的影像上，可以利用OpenGL的帧缓冲区对象技术（FrameBufferObject，简称FBO），直接把矢量绘制到一张透明的纹理上，这样纹理就可以直接贴地表达，这种技术省去了很多过程，高效，易用。但是由于FBO是新技术，会有一定的风险，有些图形加速卡是不支持的。可以应用另外一种方法，首先把透明的影像块直接绘制到后台的颜色缓存（通常是双缓存的），再在其上面绘制矢量

7、，最后把颜色缓存区内相应区域的像素拷贝到纹理（glCopyTexSubImage2D()可以完成相应工作），这也是一个非常好的方法，只是要占用后台的颜色缓存，可能必须在一帧绘制之前做这个工作，设计上需要考虑到这一点（李志林，朱庆，2003）。为了提高性能，在绘制前，矢量的Bounds（经纬度范围）和影像块的经纬度范围做相交测试，剔除掉不不必绘制的矢量数据。在绘制矢量时，完全是一种二维绘制的做法，可以关闭掉OpenGL颇为耗时的一些状态，例如：深度检测、Alpha检测、灯光、纹理、雾、混合等。这样会提高光栅化的速

8、度，因为我们需要的就是矢量最终光栅化到带经纬度坐标的影像块上的结果。为了提高显示效果，矢量线绘制时建议打开反走样，并且绘制宽度至少有两个像索宽，因为它最终是作为纹理贴图贴到地形上的，贴纹理时是一个采样的过程，也就是说，栅格矢量像素附近的透明像素会参与到采样插值的过程中，这样会导致矢量线有不好的效果，打开反走样，并且设置线宽至少两个像素，会弱化这种间断的效果（DickheiserMike