應(yīng)用ArcScene的地形多分辨率實(shí)時(shí)繪制方法

鄒永玲，王萬(wàn)平

（1.長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,陜西西安710021；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安，710021）

應(yīng)用ArcScene的地形多分辨率實(shí)時(shí)繪制方法

鄒永玲1，王萬(wàn)平2

（1.長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,陜西西安710021；2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安，710021）

應(yīng)用VB+AO+OpenGL技術(shù)對(duì)ArcScene進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。采用四叉樹(shù)簡(jiǎn)化模型，經(jīng)過(guò)視域裁剪、節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)、裂縫消除、三角形條帶等一系列優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了ArcScene對(duì)海量地形數(shù)據(jù)的多分辨率實(shí)時(shí)繪制，并通過(guò)實(shí)例證實(shí)了開(kāi)發(fā)的可行性。

三維可視化；多分辨率；ArcScene；四叉樹(shù)

ArcScene是一個(gè)功能強(qiáng)大的3D可視化平臺(tái)，它不但具有多種數(shù)據(jù)格式的三維模型建立及顯示功能，而且還提供了ArcObject二次開(kāi)發(fā)組件庫(kù)，可以根據(jù)用戶(hù)需要定制系統(tǒng)功能。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集量越來(lái)越大，用于描述地形模型的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越多，渲染這些海量數(shù)據(jù)已超出了目前任何圖形設(shè)備所承受的能力，因此，應(yīng)用VB+AO+OpenGL來(lái)完善ArcScene的地形多分辨率實(shí)時(shí)繪制功能是非常必要的。

1 地形幾何模型的簡(jiǎn)化

地形的多分辨率實(shí)時(shí)繪制就是在考慮地形場(chǎng)景本身起伏和視相關(guān)參數(shù)的前提下，動(dòng)態(tài)地選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)集來(lái)形成地形場(chǎng)景的完整覆蓋，從而在地形場(chǎng)景的繪制效率和質(zhì)量間保持一個(gè)良好的平衡。ArcScene中DEM數(shù)據(jù)主要以Grid結(jié)構(gòu)為主，并且提供了TIN轉(zhuǎn)為Grid的功能，所以開(kāi)發(fā)時(shí)采用了以Grid為基礎(chǔ)的四叉樹(shù)簡(jiǎn)化模型，具體流程如圖1所示。

1.1 視域裁剪

在地形的實(shí)時(shí)顯示過(guò)程中，由于地形涉及的范圍一般都十分廣闊，地形模型的數(shù)據(jù)量也很大，往往包含數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的三角形，如對(duì)它們一一進(jìn)行繪制，將給圖形系統(tǒng)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。當(dāng)然，用戶(hù)的視域是有限的，事先剔除用戶(hù)不可見(jiàn)的部分，則可有效地提高地形實(shí)時(shí)繪制的速度。

圖1 開(kāi)發(fā)流程圖

對(duì)于四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，基于層次結(jié)構(gòu)的區(qū)域裁剪方法并不需要對(duì)所有網(wǎng)格進(jìn)行判斷，這樣大大減少了裁剪判斷的次數(shù)，加快了視區(qū)裁剪的速度，因此我們采用這種方法。首先從根節(jié)點(diǎn)0開(kāi)始，先測(cè)試它是否可見(jiàn)，若是，則把根節(jié)點(diǎn)0分成四個(gè)子節(jié)點(diǎn)1,2,3和4；再?gòu)墓?jié)點(diǎn)1開(kāi)始，順序測(cè)試節(jié)點(diǎn)2,3和4，一直遞歸進(jìn)行直到結(jié)束，如圖2所示。

圖2 基于層次的視域裁剪

1.2 節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)測(cè)度

地形的實(shí)時(shí)多分辨率表示是通過(guò)在地形四叉樹(shù)中選擇合適的頂點(diǎn)集來(lái)完成的。節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)測(cè)度是地形多分辨率表示的天平，是度量地形片在動(dòng)態(tài)顯示過(guò)程中應(yīng)該采取的適宜分辨率的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)綜合考慮視距和地形粗糙度的影響，即當(dāng)視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，分辨率降低，而當(dāng)視點(diǎn)接近模型時(shí)，模型的細(xì)節(jié)程度增加；該區(qū)域地形越平坦，采用的分辨率應(yīng)該越低，反之，則要采用較高分辨率。綜合以上兩個(gè)因素，得到最終的節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)公式：

式中，l是節(jié)點(diǎn)中點(diǎn)到視點(diǎn)的距離，d是節(jié)點(diǎn)的寬度，r為節(jié)點(diǎn)被分割和不被分割時(shí)引起的誤差和，C1、C2為常量。對(duì)于四叉樹(shù)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足f＜1時(shí)，則表示該節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)一步細(xì)分，否則把該節(jié)點(diǎn)送入圖形管道進(jìn)行繪制。

1.3 裂縫消除

在運(yùn)用四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)地形進(jìn)行多分辨率表示時(shí),會(huì)出現(xiàn)天然的“裂縫”現(xiàn)象，給人一種不真實(shí)的感覺(jué)，在地形繪制時(shí)，必須避免這樣的裂縫。本文采用的是在不同分辨率四叉樹(shù)塊的接邊裂縫處增加面來(lái)填補(bǔ)的方法，即在不同分辨率的相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)建三角形網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于細(xì)節(jié)層次比較低的節(jié)點(diǎn)，在公共邊上增加一些三角形來(lái)消除裂縫，雖然會(huì)帶來(lái)很多的小“切面”，但在拼接處的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的分辨率可以相差任意大，如圖3所示。

1.4 三角形條帶的使用

在地形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示中，最終三角網(wǎng)格的繪制速度是關(guān)鍵因素之一，而影響基于三角形模型數(shù)據(jù)的場(chǎng)景繪制速度的是每次向圖形引擎輸送三角形量的多少。我們知道，每個(gè)三角形包含三個(gè)頂點(diǎn)，如果僅僅簡(jiǎn)單地用三個(gè)頂點(diǎn)代表一個(gè)三角形的方式來(lái)傳輸三角形模型會(huì)帶來(lái)大量的數(shù)據(jù)冗余。因此，如果在繪制之前能對(duì)三角形根據(jù)鄰接關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)排序，使得相鄰三角形之間可以共享一條邊。這樣，當(dāng)增加一個(gè)新的三角形時(shí)，只需要在原來(lái)頂點(diǎn)排序的基礎(chǔ)上增加一個(gè)頂點(diǎn)即可，從而用較少的數(shù)據(jù)就可以完成同樣模型的傳輸。

圖3 裂縫消除示意圖

如圖4所示，如果不用三角形串來(lái)表示，需要18個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)描述由6個(gè)三角形組成的四叉樹(shù)結(jié)點(diǎn)，如果使用三角形串，則只需8個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，大大提高了模型的存儲(chǔ)和傳輸效率。

圖4 三角形條帶示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的地形數(shù)據(jù)為鄂爾多斯盆地北部的伊金霍洛旗地區(qū)。圖5是原始數(shù)據(jù)大小為1 025*1 025的情況下，不同誤差控制參數(shù)E（E=C1*C2）所對(duì)應(yīng)的渲染效果和三角形數(shù)目（Count）。

圖5 地形簡(jiǎn)化效果對(duì)比

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用基于A(yíng)rcScene的地形多分辨率實(shí)時(shí)繪制算法，能快速高效地消除結(jié)點(diǎn)間由于分辨率不一致所引起的裂縫效應(yīng)，在對(duì)地形繪制誤差進(jìn)行控制的情況下，可以實(shí)現(xiàn)地形場(chǎng)景從最粗分辨率到最細(xì)分辨率的任意變化；在多分辨率地表紋理的幫助下，能夠在不顯著降低地形場(chǎng)景繪制質(zhì)量的情況下達(dá)到理想的瀏覽效果，即使在普通的PC機(jī)上，也能實(shí)現(xiàn)海量地形數(shù)據(jù)的3D實(shí)時(shí)多分辨率繪制，完善了ArcScene地形三維顯示功能。

[1] 湯國(guó)安，劉學(xué)軍，閭國(guó)年.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2005

[2]李志林，朱慶.數(shù)字高程模型［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2001

[3] 刑偉，孫延奎，唐澤圣.與視點(diǎn)相關(guān)的多分辨率地表模型簡(jiǎn)化算法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（1）：29-33

[4] 唐麗玉，彭國(guó)均，舒娛琴.M ip-map技術(shù)在三維實(shí)時(shí)仿真中的應(yīng)用[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）：22-26

[5] 蘇虎，周美玉.一種大規(guī)模地形的實(shí)時(shí)繪制算法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（3）：81-85

M uti-resolution and Real-time Terrain Disp lay Based on ArcScene

ZOU Yongling1,WANG Wanping2
（1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Changqing Oilfield，Xi'an 710021，China；2.Shanxi College of Communication&Technology，Xi'an 710021，China）

Thepaper developed ArcSceneby VB+AO+OpenGL.Used visual threshold cut,nod eevaluation,crack repair and triangular strip which are allbeyond quadtree model,realized vast date muti-resolution and real-time terrain display, and approved development is available by example.

3D Visualization;Muti-resolution;ArcScene;Quadtree

2008-07-21

P208

B

1672-4623(2010)02-0065-02

鄒永玲，碩士學(xué)位，助理工程師，主要研究方向?yàn)榛A(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與三維地形可視化技術(shù)理論、方法及其應(yīng)用。