数字城市的三维建模与可视化技术研究.pdf

摘 要 地理信息系统 （Ｇ１Ｓ）正在由二维向三维方向发展，随之产生了一系列问题亟待解决， 如：三维几何目标的数据模型、三维模型数据的管理、可视化等．这些方面的问题一定程 度上阻碍了三维地理信息系统的发展．本论文的研究的核心内容是探讨三维几何对象的数 据模型，三维几何对象的可视化技术、以及大量三维数据模型的快速漫游技术的研究，从 理论上探讨三维几何目标的数据模型以及３ＤＧＩＳ系统与虚拟现实系统 （ＶＲ）集成，从实 践上解决三维数字城市模型中三维几何目标的重建、管理及可视化，从而为城市的规划、 建设、管理等服务．本论文研究的主要内容如下： 本论文首先回顾了地理信息系统的发展趋势，以及三维数据模型的研究进展．针对海 量三维模型数据的实时交互操作和三维快速漫游的需要。回顾了细节层次模型 （ＬＯＤ）的 构造算法的研究进展以及其在三维可视化中的作用，其次对于３ＤＧＩＳ软件系统的研究进 展以及目前３ＤＧＩＳ系统的一些主要应用场所予以了介绍，由于三维数据模型是三维ＧＩＳ 系统的基础，其直接关系到系统建设的成败，本论文对于３ＤＧＩＳ系统中数据模型的特点、 ３Ｄ ＧＩＳ的空间分析功能予以了详细的论述，由于三维可视化是３ＤＧＩＳ系统中不可缺少的 一部分，顾及到三维可视化技术对三维数据模型的特殊要求，以及建设一个３ＤＧＩＳ系统 应解决的问题的基础上提出了三维数字城市模型的技术体系框架结构。 在总结和分析目前三维数据模型研究进展的基础上，把数字城市模型中几何目标在几 何类别上分类为：点、线、面、体四种类别。为了实现上述四类几何目标的三维构造与管 理，本论文提出了面向对象的三维几何实体的数据模型 （００３Ｄ）用于表达和存储三维数 字城市模型中的三维几何目标。设计了００３Ｄ的概念模型和逻辑模型。依据００３Ｄ设计了 点、线、面、体四类几何目标的形式化描述，该数据模型实现了三维模型的几何数据、属 性数据、影像数据的一体化管理，特别适合于几何目标的三维快速重建与可视化的需要。 和目前较先进的ＳＳＭ模型和３ＤＦＤＳ模型相比．该数据模型具有较小的数据存储量和较快 的可视化速度。而且能够方便的和其他商用的三维模型的数据格式相互转换。地形模型也 是三维数字城市模型中不可缺少的一部分．其是其他地物模型空间定位的载体。为了保证 地形模型与地物模型在拓扑关系上的一致性，以地物模型的边界为约束边，使用带约束的 三角网构造算法实现地形模型与地物模型的无缝集成。以上述方法为依据，设计了两者集 成的主要步骤。为了实现地形模型在数据管理方面的高效性．笔者设计了相应的数据结构 用于地形模型的数据管理。结合数字城市模型中空间数据的类型与特点，对数字城市中的 建筑物模型数据、道路模型数据以及相关的纹理数据的管理进行了讨论，建立了数字城市 模型的整体数据结构用于管理、表达、分析数字城市模型中的三维对象的几何数据和属性 数据．为进一步应用系统的开发打下理论基础。 影像数据作为纹理属性在数字城市模型中具有十分重要的作用，其直接影响到三维模 型交互操作和三维漫游的速度以及三维可视化的效果，为了提高三维模型漫游的速度和三 维可视化的效果。克服目前硬件设备在纹理映射时对纹理大小的限制。本论文提出了基于 观察视点的动态多分辨牢纹理模型的数据结构，在对大的纹理影像进行分割的基础上建立 了影像数据的存储结构．阁于大尺寸影像的纹理映射，同时结合视点确定不同区域纹理的 合适分辨率．在上述结构的基础上讨论了视点位置与纹理分辨率的关系，推导了纹理分辨 率与视点位置的几何关系。开发了基于视点位置确定纹理分辨率的算法。基于此机制的纹 理映射首先对大尺寸的图像进行分割，使每个分割单元的太小 长（和宽）都在图形硬件限 制的范围之内。同时确定分割后的单元对应几何区域的位置。在纹理映射时结合观察者的 位置信息．以笔者开发的确定纹理分辨率的算法为依据，确定不同区域的纹理分辨率。基 于上述机制进行纹理映射的结果是距离视点位置较远的位置具有较低的影像分辨率、与视 点位置较近的部分具有较高的数据分辨率，其纹理影射的结果符合视觉特征。为了比较该 机制和普通的纹理映射机制的异同，在相同的纹理图像的情况下，分别基于笔者设计的映 射机制和普通的映射机制对同一区域进行纹理映射，实验结果表明：笔者设计的纹理映射 机制在三维图形的显示效果上具有明显的优点，其次该方法具有较快的纹理映射速度和较 少的内存占用量．该种映射机制的最大优点是能够克服图形硬件对纹理大小的限制的不足 之处． ＬＯＤ模型是提高三维模型漫游和交互操作速