摘要：本文主要探讨时空三维地形构建与可视化，在分析时空三维地形表示方法的基础上，指出大规模地形多分辨模型构建，最终构建基于测量数据的时空三维地形可视化系统，分析效果。
关键词：测量数据；DEM；时空三维地形；可视化
在上世纪60年代地理信息系统出现之后，地形可视化概念被提出并进行了大量的探索和研究。作为计算机图形学和测绘的结合体，主要对数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM）进行简化，并且通过这一技术来进行实时测绘。地形可视化技术和三维GIS、三维虚拟仿真等技术相结合，在众多领域得到广泛应用。
1 时空三维地形的表示方法
1.1数字地形模型的定义及表现形式
常见的数字地形包括数字线划图（Digital Line Graph，DLG）、DEM以及TIN三种形式，其中DLG主要应用于二维GIS的地形表示，DEM以及TIN技术主要应用于三维地形构建。
1.1.1 规则格网模型（RSG）
DEM是一种规则格网形式，在进行采样时采用均匀采样方式，沿着X和Y进行均匀间隔采样，得到一系列采样点，点（X，Y）表征采样点的地行为之，Z作为坐标表征高程值。将采集到的三维样点（X，Y，Z）在XOY坐标平面上进行垂直投影则会对应于相应的网格点，因此这种模型由经常被称作是格网模型（Grid Model）.DEM实际是采用二维数组的模型，通过数组元素作为网格出的高程，表征网格点的位置，相结合最终形成三维地形模型，这样模型数据比较规整，而且操作相对简单，因此作为典型的三维地形模型被广泛应用。
1.1.2 不规则三角网模型（TIN）
这一模型是将地形表面进行三角形分割，TIN最终分割为相邻而且无重叠的三角形面片。TIN模型中三角形顶点保存高程数据，该模型中数据复杂，存在拓扑关系。和RSG模型相比，无论是分辨率还是动态更新算法都相对更加复杂。TIN模型和RSG模型相比数据量更多，是RSG模型数据的3-10倍，但在精确的构建三维地形的时候TIN模型需要更少的空间 和时间就可以实现。在实际三维地形构建当中，需要根据实际工程要求来选择合适的模型进行地形构建。
1.2 时空三维地形可视化框架
DEM是一种二维GIS模型，能够对地表进行均匀采样，得到的数据相对规整，这一模型中的网格变化具有一定规律性，在三维地形构建中实现简单。因此在RSG地形可视化中可以通过简单的算法实现，而且相关算法较多，但是RSG在三维地形构建中还存在一些缺陷难以克服。比如面对平坦的地形虽然RSG能够很好采集数据，但仍然有大量的冗余数据给其数据处理带来困难；RSG模型在突变的复杂地形中应用困难，主要原因是其不能够改变网格的大小；RSG模型在矢量信息集合方面具有明显缺陷。
图1 大规模地形建模与绘制框架图
TIN模型具有典型优势，能够实现点、面、线各特征量的插入，而且在数据处理以及采集中还能够保证网格灵活变化，因此在时空三维地形构建可视化中往往采用这一模型进行如图1所示。
基于TIN模型的大规模地形建模与绘制主要分为两个阶段，预处理阶段主要是针对地形通过TIN模型进行多分辨率构造，然后对地形场景进行实施绘制。首先进行采用DEM进行格网数据筛选，在此基础上进行预处理，通过TIN构网，然后进行多分辨率模型生成操作。在两个线程协调工作的基础上进入实时绘制阶段，首先需要对场景进行裁减以及细化，主要通过场景绘制线程实现，在这一过程中还必须结合视点信息；然后将数据申请传递给数据调度线程，由该线程实时装载以及释放地形数据。最后由场景绘制线程进行数据传递，图形绘制管线接受数据之后进行地形绘制。
2 大规模地形多分辨模型构建
对于大规模地形而言，往往包括的数据采样点较多，具有数据量大的特点，给计算机系统数据处理造成极大压力，因此在进行时空三维地形构建与可视化处理的时候必须要进行地形简化，并构建相应的多分辨率模型，在此基础上结合视点位置进行地形层次细节的绘制。
2.1地形数据组织与分块
对于大规模地形而言，对于地形数据进行分块能最大限度的降低数据预处理阶段的数据量，降低计算机系统的数据处理压力；同时对于绘制阶段的场景裁减而言，数据分块能够为其提供有效辅助，通过数据分块极大的提高时空三维地形构建与绘制的效率。在进行数据分块的时候还必须充分考虑场景裁减以及CPU性能等因素，选择合适分块大小，保证有利于场景裁减的基础上尽可能发挥CPU性能。在进行数据分块的基础上构建数据金字塔结构，如图2所示。
图2 地形分块结构与组织图
为提高绘制效率降低绘制计算量，选用静态完全四叉树来地形分块的组织。地形分块层次以及地形分块的编号信息保存在四叉树组织的节点处，而且通过四叉树组织能够实现地形分块数据的动态调入，同时还能够释放内存降低运行压力。四叉树结构能够很好应用于整个场景绘制过程中，因此对于绘制效率的提高具有重要作用。
2.2 规则格网DEM数据特征点选取
一般可以通过两种方法实现由DEM构建TIN，第一种DEM构建TIN的方法是直接利用DEM获得的规格格网数据来构造规则三角网，在规则三角网的基础上进行简化，最终能够得到不规则三角网；第二章方式是建立一定法则，在此基础上筛选地形特征点，通过地形特征点实现构网。一般大规模地形涉及数据量较大，因此若选用第一种方式会导致内存占用过多问题，时间浪费现象严重。实际在进行时空三维地形构建以及可视化处理中，只要选择其中的地形特征点就可以实现，主要是峰点、鞍点以及谷点、脊点等地形特征点，确定好这些地形特征点之后地形的形状也基本可以确定。
3 时空三维地形可视化实现
3.1 系统总体设计
图3 框架设计图
在前面理论分析的基础上最终确定如图3所示的框架设计图。首先通过DEM规格网格获得时空三维地形的高程数据，通过地形数据接口来进行时空三维地形相关数据的载入以及预处理，然后在地形显示引擎中建立四叉树索引进行地形数据的处理。在地形绘制中进行网格生成，并且通过地形绘制模块实现数据简化；在地形更新中主要针对地形数据进行实时监控更新，同时能够更新视角点位置数据，为实时可视化提供数据基础；控制接口主要方工作人员进行时空三维地形的构建以及可视化操作，接入鼠标以及键盘方便操作。为实现时空三维地形构建以及可视化还需要通过OpenGL图形编程库工具进行代码实现，最终构建时空三维地形构建与可视化系统。
图4 系统实现流程图
通过系统对地形高程数据进行采样，结合DEM以及TIN使用不同间距网格生成地形四叉树结构。从根节点开始出发对叶子节点进行处理，数据分块实现区域四等分，对于视角之外的网格进行简化、裁减以及剔除处理，同时结合阈值过滤，对误差进行控制和判断，最终形成实时LOD模型。
3.2 地形纹理映射
纹理映射作为重要的计算机图形学应用技术，对于场景渲染绘制具有很好的效果。在时空三维地形可视化系统中可以构造纹理四叉树，通过此数据结构实现对纹理数据的管理。在实时时空三维地形构建渲染以及绘制过程中，对于观察者的位置不同需要选取不同的纹理图像进行映射处理。在时空三维地形可视化处理中将地形数据分割成多个数据子块，针对每一个子块匹配一个纹理对地形进行映射，在此基础上融合原始纹理与地形颜色，根据不同的地形高度设置不同的颜色。最终得到的可视化时空三维地
形图形和真实图形十分接近，能够最大程度的反映出真是的三维地形，但是纹理映射中还存在纹理切换过于频繁的问题。
图5 三维时空地形可视化纹理效果图
结论
在时空三维地形构建的过程中，往往将DEM和数字正射影技术结合起来，同时结合虚拟现实技术，利用高分辨率的卫星影像在PC端大规模展示三维地形环境，而其中的基础是构建时空三维数字地形，最终根据DOM和DEM数据形成生动逼真的可视化三维地形场景，目前技术相对成熟，在未来发展中还有很长的路要走。
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论文作者:聂月霞,孙宝
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/3
标签：地形论文; 数据论文; 模型论文; 时空论文; 纹理论文; 网格论文; 基础上论文; 《基层建设》2019年第9期论文;