基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

渠澗濤，陳小潘，趙亞萌，王 鵬，楊偉峰

（1.河南大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100012）

基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

渠澗濤1,2，陳小潘1，趙亞萌2，王 鵬1,2，楊偉峰1,2

（1.河南大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100012）

針對大規(guī)模地形可視化的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)。闡述了虛擬地球、瓦片金字塔結(jié)構(gòu)、數(shù)字高程模型的基本原理及在系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計了基于游戲循環(huán)的可視化框架，實現(xiàn)了自由攝像機、瓦片模型調(diào)度、瓦片模型生成等關(guān)鍵功能。實驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地實現(xiàn)大規(guī)模地形的可視化，具有較高的應(yīng)用價值。

大規(guī)模地形可視化；WPF；游戲循環(huán)；海量地形數(shù)據(jù)；地形瓦片模型

隨著計算機圖形顯示技術(shù)以及圖形硬件處理能力的不斷提高，大規(guī)模地形可視化在地理信息系統(tǒng)、游戲開發(fā)和飛行器輔助設(shè)計等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。目前大規(guī)模地形可視化軟件大多基于國外的平臺軟件開發(fā)[4-6]，如NASA的World Wind，Esri公司的Arc Engine，Skyline公司的Terra Explorer Pro等。也有研究人員嘗試從底層開發(fā)，實現(xiàn)大規(guī)模地形可視化[7-8]，但大多采用OpenGL、DirectX等底層圖形庫來編寫，開發(fā)周期長，維護(hù)困難。WPF是微軟開發(fā)的新一代圖形顯示技術(shù)，其核心是一個與分辨率無關(guān)且基于向量的呈現(xiàn)引擎，能夠充分利用現(xiàn)代圖形硬件的優(yōu)勢[9]，提升可視化展示的效果，對三維開發(fā)常用的3D攝像機、三維模型等內(nèi)容都有很好的封裝，可以有效縮短開發(fā)周期。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠展示指定地理位置真實的地形地貌，還提供了豐富的攝像機操作，支持對三維地形的全方位瀏覽，并能根據(jù)用戶請求動態(tài)、實時地更新三維場景。

1 基本原理

1.1 大規(guī)模地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)能夠表現(xiàn)地球表面的高低起伏狀態(tài)，是具有高程信息的數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)含有豐富的地理環(huán)境信息，是地形數(shù)據(jù)的主要來源。隨著航空航天遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的獲取速度也隨之加快，數(shù)據(jù)精度不斷增加。每提高1倍地形數(shù)據(jù)的分辨率，對應(yīng)的數(shù)據(jù)量就會增加4倍[10]。在這種背景下產(chǎn)生的大規(guī)模地形數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)量大，還具有覆蓋地域廣、數(shù)據(jù)精度高的特點，例如本文所使用的SRTM（shuttle radar topography mission）數(shù)據(jù)，覆蓋了北緯 60°～南緯56°之間80%的陸地地表面積，數(shù)據(jù)總量高達(dá)12 TB[11]，分辨率有30 m和90 m 兩種，本文采用的是90 m分辨率的數(shù)據(jù)。

1.2 虛擬地球模型

傳統(tǒng)的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)大多將地形模型放在一個平面上展示，這種方式不能真實反映地形的地理位置，為海量地形數(shù)據(jù)的存儲、組織及加載增加了難度，不利于大規(guī)模地形的展示，也使可視化場景缺乏真實感，降低了用戶體驗。因此，需要構(gòu)建一個虛擬的地球模型作為大規(guī)模地形可視化的展示平臺。

本文采用經(jīng)緯度網(wǎng)格和WGS84坐標(biāo)系構(gòu)建虛擬地球模型。首先，將WGS84坐標(biāo)系定義的地球參考橢球面按照經(jīng)緯線進(jìn)行剖分，然后計算各個頂點網(wǎng)格的經(jīng)緯度坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)，并將各個頂點的經(jīng)緯度坐標(biāo)按照公式（1）～（3）轉(zhuǎn)換為三維空間直角坐標(biāo)[12]。

式中，λ、φ、h分別代表經(jīng)度、緯度和高程；x、y、z分別是空間坐標(biāo)系X軸、Y軸和Z軸的坐標(biāo)，N=a=6 378 137.0 m（赤道半徑）；b= 6 356 752.314 2 m（極點半徑）；e=8.181 919 084 262 2×102（離心率），利用WPF技術(shù)繪制頂點并添加貼圖，完成虛擬地球模型的構(gòu)建，并基于該虛擬地球模型實現(xiàn)大規(guī)模地形的可視化。

1.3 World Wind瓦片組織模型

大規(guī)模地形可視化中所使用的紋理數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)大多是跨度大、分辨率高的地理信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，不能全部存儲在內(nèi)存中[13]。為了提高地形場景的渲染效率，本文依照World Wind瓦片金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的切分。

World Wind瓦片組織模型以地球360°經(jīng)度和180°緯度為標(biāo)準(zhǔn)，以緯度為-90°、經(jīng)度為0°的點為起始點，將整個地球劃分網(wǎng)格[14]。在構(gòu)建瓦片金字塔時，首先將原始數(shù)據(jù)設(shè)置為最高層，之后每降低一個層級就將前一層級2×2個像素點合并成為一個像素點，如此反復(fù)，構(gòu)建出瓦片金字塔[15]，任何一張瓦片都可以用這張瓦片所在的層級、列號、行號唯一確定。World Wind的瓦片組織模型如圖1所示。

圖1 World Wind的瓦片組織模型

切分后的地形數(shù)據(jù)可以按照 “D:Root433_2．a(chǎn)bc” 的形式存儲在本地，該路徑所代表的含義是“磁盤根目錄數(shù)據(jù)根目錄層級行號行號_列號．后綴名”。瓦片的層級、行列號與經(jīng)緯坐標(biāo)存在對應(yīng)關(guān)系。通過計算可以實現(xiàn)瓦片的層級、行列號與經(jīng)緯度區(qū)間的相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換公式如式（4）～（7）所示。

式中，lat和lon分別代表緯度和經(jīng)度；row和col分別代表瓦片所在的行和列，lztd為第0層瓦片的分割度數(shù)（一般為36°）。

2 基于游戲循環(huán)的可視化框架設(shè)計

游戲循環(huán)能夠根據(jù)輸入、AI（artificial intelligence）或其他主觀邏輯來確定游戲下一階段的行為，其任務(wù)是調(diào)用其他邏輯函數(shù)，并核查某種條件是否已滿足[16]。本文設(shè)計了一種基于游戲循環(huán)的框架，框架的基本思想是：將實現(xiàn)可視化的各個函數(shù)放在一個主循環(huán)中，實時監(jiān)聽場景信息的變化，并根據(jù)場景信息的變化動態(tài)更新三維場景。

本文提出的可視化框架主要分為3個模塊：用戶接口、場景更新、場景重構(gòu)。其中，用戶接口用于接收用戶輸入的信息，并根據(jù)輸入信息更改攝像機狀態(tài)、觸發(fā)場景信息的改變，將實時的可視化結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。場景更新用于捕獲改變的場景信息，并根據(jù)最新的場景信息對瓦片模型進(jìn)行調(diào)度，生成新的瓦片模型列表。場景重構(gòu)的主要作用是捕獲模型列表的改變，并根據(jù)模型列表的變化生成新的瓦片模型或者刪除舊的瓦片模型，實現(xiàn)三維場景的重構(gòu)，具體框架如圖2。

圖2 基于游戲循環(huán)的可視化框架

利用該框架能夠?qū)崟r接收用戶輸入的信息，并根據(jù)硬件的性能按照一定的頻率對三維場景進(jìn)行更新，忽略一些不必要的變化細(xì)節(jié)，提升了程序的性能，穩(wěn)定了三維場景的幀數(shù)，提升了展示效果。同時，循環(huán)執(zhí)行的代碼也能提高代碼的重用率，降低代碼的冗余度。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于WPF實現(xiàn)大規(guī)模地形可視化的主要功能包括自由攝像機、瓦片模型調(diào)度、瓦片模型生成。

3.1 自由攝像機

自由攝像機要求三維場景的攝像機能夠根據(jù)用戶鍵盤、鼠標(biāo)輸入的信息完成各種動作，實現(xiàn)對三維場景的自由瀏覽。自由攝像機的動作主要是由平移、縱傾、橫擺、旋轉(zhuǎn)等基本動作組合而成，具體操作如下：

1）平移。平移分為水平平移和豎直平移兩種，水平平移改變視野中心的位置，豎直平移改變攝像機的海拔高度。由于本文的可視化是在虛擬地球上實現(xiàn)的，所以，水平平移實際上是由攝像機分別繞空間直角坐標(biāo)系的X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)組合來實現(xiàn)。當(dāng)用戶進(jìn)行水平平移操作時，假設(shè)平移前后視野中心點的經(jīng)緯度差值分別為Δlon和Δlat，將攝像機位置繞X軸旋轉(zhuǎn)Δlon度、繞Y軸旋轉(zhuǎn)Δlat 度，便實現(xiàn)了攝像機的水平平移，主要代碼如下：

rotateAround=new Point3D(0,0,0)；//旋轉(zhuǎn)中心點為坐標(biāo)原點

Vector3D relaPosition= rotateAround - CameraPosition；//構(gòu)建原始攝像機位置向量

var q1 = new Quaternion(AxisX, Δlat)；//利用四元數(shù)實現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)Δlat度

var q2 = new Quaternion(AxisY, Δlon)；// 利用四元數(shù)實現(xiàn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)Δlon度

Quaternion q = q1 * q2；//將兩個旋轉(zhuǎn)操作組合起來

var m = new Matrix3D()；

m.Rotate(q)；//利用組合后的四元數(shù)構(gòu)建一個旋轉(zhuǎn)矩陣Vector3D

newRelaPosition = m.Transform(relaPosition)；//利用旋轉(zhuǎn)矩陣對原始攝像機位置向量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，得到平移后，最新的攝像機位置為（newRelaPosition.X, newRelaPosition.Y, newRelaPosition.Y）

豎直平移時，由于可視化過程是在虛擬地球上進(jìn)行的，所以豎直方向從攝像機的位置出發(fā)指向地心。假設(shè)攝像機在豎直方向上的位移為d，豎直平移后最新攝像機的位置可以根據(jù)公式（8）計算出來：

式中，X、Y、Z為攝像機原始位置空間坐標(biāo)值；X1、Y1、Z1為攝像機最新位置，Dx、Dy、Dz為豎直方向上的位移在空間坐標(biāo)軸3個方向上的分量。

2）縱傾橫擺?？v傾與橫擺通過更改LookDirection向量的終點來實現(xiàn)，當(dāng)終點在X軸上移動時能夠?qū)崿F(xiàn)橫擺動作，當(dāng)終點在Y軸上移動時便實現(xiàn)了縱傾動作。

3）旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)動作主要是根據(jù)用戶輸入將攝像機的UpDirection繞LookDirection旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度為Δlat ，則根據(jù)以下代碼執(zhí)行：

用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等外設(shè)輸入來控制攝像機完成以上3種基本動作，對這3種基本動作進(jìn)行組合就能夠?qū)崿F(xiàn)對攝像機的各種控制。

3.2 瓦片模型調(diào)度

在大規(guī)模地形可視化展示中，場景信息的變化會改變屏幕所能觀察到的經(jīng)緯度區(qū)域。為顯示該區(qū)域，可以通過建立同屏幕視域等大的邊界盒（bounding box，BBOX）來對瓦片模型進(jìn)行調(diào)度，主要步驟如下：

1）確定場景范圍。根據(jù)邊界盒的最大經(jīng)度、最大緯度以及最小經(jīng)度、最小緯度，得出邊界盒的右上角坐標(biāo)和左下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用公式（4）、（5）求出邊界盒的右上角和左下角在World Wind的瓦片組織系統(tǒng)中的編號。并據(jù)此計算出包圍盒內(nèi)所有瓦片的編號，生成當(dāng)前場景范圍內(nèi)所有瓦片的編號列表。

2）確定待加載/待刪除瓦片列表。遍歷步驟1中得到的當(dāng)前場景范圍內(nèi)所有瓦片編號列表的副本，與上一場景所有瓦片編號列表作匹配，如果當(dāng)前的瓦片在兩個列表中都存在則兩個列表都刪除這個瓦片。遍歷完畢后，副本列表中剩余的瓦片即為當(dāng)前場景待加載的瓦片，這個副本列表即為新的待加載瓦片列表，上一場景瓦片編號列表中剩余的瓦片列表即為待刪除瓦片，這個列表即為待刪除瓦片列表。

3.3 瓦片模型生成

生成瓦片模型的基本思路是：將按照金字塔模型進(jìn)行切分后的影像數(shù)據(jù)與目標(biāo)區(qū)域的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，生成具有地形起伏的三維模型。主要步驟如下：

1）坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化。WPF提供MeshGeometry3D類構(gòu)造三維模型，但該類僅支持傳統(tǒng)的三維空間坐標(biāo)系，而瓦片模型是在虛擬地球上生成的，所以模型中頂點位置和范圍等參數(shù)都是由經(jīng)緯度度量得到。因此，在生成瓦片模型的過程中，需要通過式（1）～（3）將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)。

2）建立頂點索引。在繪制三角形網(wǎng)格時，相鄰的三角形頂點會重復(fù)繪制。為了提高運行效率，減少重復(fù)繪制頂點造成的系統(tǒng)資源浪費，可以利用MeshGeometry3D提供的TriangleIndices屬性為每個頂點指定唯一索引值。為三角形網(wǎng)格的所有頂點指定索引的方法如下：

圖3 頂點索引

三角形網(wǎng)格是由多個正方形單元格構(gòu)成的，每個正方形單元格的頂點索引如圖3。三角網(wǎng)格t1由索引為index1、index2、index3的點構(gòu)成，三角網(wǎng)格t2由索引為index2、index3、index4的點構(gòu)成，假設(shè)該正方形單元格左上角的點在第row行、第col列,網(wǎng)格的大小為150×150，則index1、index2、index3、 index4的索引分別為然后將構(gòu)成這兩個三角網(wǎng)格的6個頂點索引按三角形構(gòu)成順序存入索引列表TriangleIndices中。最后遍歷所有的行和列，指定整個三角形網(wǎng)格的頂點索引。

3）添加紋理映射。為了使瓦片模型能夠真實地展示地形地貌特征，需要將瓦片所對應(yīng)的瓦片影像數(shù)據(jù)作為紋理“貼”在瓦片模型表面。如果要保證每個網(wǎng)格點對應(yīng)在紋理圖像正確的位置，需要為構(gòu)成瓦片模型的每個點指定紋理映射，對大小為150×150的頂點網(wǎng)格設(shè)圖像的左上角為第0行、第0列，則第x行、第y列的頂點的紋理映射（u，v）為：

4）疊加高程數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)的樣本數(shù)與瓦片的頂點數(shù)通常并不相同，因此需要對高程數(shù)據(jù)進(jìn)行插值（本文采用雙線性插值），生成一個與瓦片頂點一一對應(yīng)的二維數(shù)組。在對頂點進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化時，將這個高程作為公式（1）～（3）中變量h的值代入，便實現(xiàn)了高程數(shù)據(jù)的疊加。

4 結(jié)果分析

系統(tǒng)在Visual Studio 2012環(huán)境下開發(fā)，測試的計算機硬件配置CPU為Intel(R) Core(TM) i7-2600 3．40 GHz(8 PUs)、內(nèi)存為4 G RAM、顯卡為GeForce GT 420，測試數(shù)據(jù)為北京昌平地區(qū)90 m分辨率的SRTM（shuttle radar topography mission）數(shù)據(jù)和相同地區(qū)的Blue Marble影像數(shù)據(jù)，并與目前廣泛采用的World Wind進(jìn)行對比試驗。

4.1 可視化結(jié)果準(zhǔn)確性分析

為了分析可視化結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別在本系統(tǒng)的可視化場景中和World Wind的可視化場景中選擇兩個參照點，如圖4所示。同時記錄下這2個參照點在本系統(tǒng)和World Wind中的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程值，如表1所示。

從表1的對比可以看出，在兩個系統(tǒng)中相同參照點的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程值基本相同；同時觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，二者對目標(biāo)區(qū)域的地形地貌展示結(jié)果完全一致，說明本系統(tǒng)所實現(xiàn)的可視化結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖4 可視化結(jié)果對比

表1 可視化結(jié)果對比

4.2 場景幀數(shù)對比

為了對比三維可視化過程是否流暢，分別使用本系統(tǒng)及World Wind實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的可視化，然后使視點在測試數(shù)據(jù)生成的三維場景中按相同的軌跡勻速移動。依照同樣的時間間隔，分別記錄三維場景每秒的傳輸幀數(shù)（frames per second, FPS），如表2所示。

表2 場景幀數(shù)對比

通過對比可以看出，本系統(tǒng)的FPS與World Wind的FPS相差不大，均超過系統(tǒng)流暢運行所要求的30 幀 /s，說明本系統(tǒng)實時的地形三維可視化運行流暢。

5 結(jié) 語

針對大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)。WPF技術(shù)的運用，使得本系統(tǒng)具有更佳的影像展示效果和友好的用戶界面，且WPF對3D開發(fā)相關(guān)技術(shù)的封裝，使得系統(tǒng)的開發(fā)更加便利，能有效縮短開發(fā)周期。虛擬地球和World Wind瓦片組織系統(tǒng)的應(yīng)用在增加可視化結(jié)果真實性的同時，提升了系統(tǒng)的可擴展性。基于游戲循環(huán)的可視化框架，使用戶通過移動攝像機觸發(fā)場景更新時，減少了不必要的處理過程，有效提升了程序的運行效率。實驗表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實時地對目標(biāo)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，且運行流暢，具有較高的實用價值，為利用WPF實現(xiàn)大規(guī)模地形可視化提供了新的思路。參考文獻(xiàn)

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P208

B

1672-4623（2016）12-0041-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.014

渠澗濤，碩士研究生，研究方向為空間數(shù)據(jù)處理。

2015-08-06。

項目來源：高分重大專項資助項目（Y4D00100GF、Y4D0100038）；中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項資助項目（Y1Y02230XD）。