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

鄒永玲，王萬平

（1.長慶油田公司勘探開發(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，王萬平2

（1.長慶油田公司勘探開發(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ArcScene進(jìn)行了二次開發(fā)。采用四叉樹簡化模型，經(jīng)過視域裁剪、節(jié)點(diǎn)評價(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對海量地形數(shù)據(jù)的多分辨率實(shí)時(shí)繪制，并通過實(shí)例證實(shí)了開發(fā)的可行性。

三維可視化；多分辨率；ArcScene；四叉樹

ArcScene是一個(gè)功能強(qiáng)大的3D可視化平臺，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二次開發(fā)組件庫，可以根據(jù)用戶需要定制系統(tǒng)功能。隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集量越來越大，用于描述地形模型的數(shù)據(jù)量也越來越多，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 地形幾何模型的簡化

地形的多分辨率實(shí)時(shí)繪制就是在考慮地形場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)集來形成地形場景的完整覆蓋，從而在地形場景的繪制效率和質(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，所以開發(fā)時(shí)采用了以Grid為基礎(chǔ)的四叉樹簡化模型，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)以百萬計(jì)的三角形，如對它們一一進(jìn)行繪制，將給圖形系統(tǒng)帶來很大的負(fù)擔(dān)。當(dāng)然，用戶的視域是有限的，事先剔除用戶不可見的部分，則可有效地提高地形實(shí)時(shí)繪制的速度。

圖1 開發(fā)流程圖

對于四叉樹結(jié)構(gòu)來說，基于層次結(jié)構(gòu)的區(qū)域裁剪方法并不需要對所有網(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開始，先測試它是否可見，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；再從節(jié)點(diǎn)1開始，順序測試節(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)評價(jià)測度

地形的實(shí)時(shí)多分辨率表示是通過在地形四叉樹中選擇合適的頂點(diǎn)集來完成的。節(jié)點(diǎn)評價(jià)測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。對于四叉樹的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)滿足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)用四叉樹結(jié)構(gòu)對地形進(jìn)行多分辨率表示時(shí),會出現(xiàn)天然的“裂縫”現(xiàn)象，給人一種不真實(shí)的感覺，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塊的接邊裂縫處增加面來填補(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消除裂縫，雖然會帶來很多的小“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)，如果僅僅簡單地用三個(gè)頂點(diǎn)代表一個(gè)三角形的方式來傳輸三角形模型會帶來大量的數(shù)據(jù)冗余。因此，如果在繪制之前能對三角形根據(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表示，需要18個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)來描述由6個(gè)三角形組成的四叉樹結(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）所對應(yīng)的渲染效果和三角形數(shù)目（Count）。

圖5 地形簡化效果對比

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用基于ArcScene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)，在對地形繪制誤差進(jìn)行控制的情況下，可以實(shí)現(xiàn)地形場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。

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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)庫的建立與三維地形可視化技術(shù)理論、方法及其應(yīng)用。