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基于DEM数据的三维地形建模方法研究与实现.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.40M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    第一章绪论
    §1.1研究背景
    §1.2地形建模概述
    §1.3国内外研究现状
    §1.4本文的研究内容和结构
    第二章DEM数据的组织与处理
    §2.1 DEM数据和DEM数据文件
    §2.2大规模DEM数据文件的处理
    第三章基于DEM数据的三维地形建模方法
    §3.1 RTN建模方法和TRN建模方法
    §3.2 TIN建模方法
    §3.2.1二维任意域内点集的Delaunay三角划分理论
    §3.2.2DT(D，V)的算法及其复杂度
    §3.2.3三维地形的TIN建模方法
    §3.2.4 TIN建模方法中用到的几何算法
    §3.3三种建模方法的比较
    第四章原型系统ReliefMS
    §4.1原型系统的设计
    §4.2原型系统的实现
    §4.3原型系统的应用
    第五章结束语
    §5.1研究工作的总结
    §5.2进一步的工作
    致谢
    参考文献
    国防科学技术大学硕士学位论文基于DEM数据的三维地形建模方法研究与实现姓名：胡少林申请学位级别：硕士专业：管理科学与工程指导教师：吴玲达2002.1.1
    国防科学技术入学研究生院学位论文摘要，L早在二十世纪八十年代，发达国家已着手数字化战场的研究与开发。随着人类进入到二十一世纪，虚拟数字战场环境已成为世界范围内的研究热潮。三维地形环境生成技术是虚拟数字战场环境生成的关键技术州要求地形模型是一种真实、多分辨率的、具备属性查阅功能的几何模型／y本文以国防预研项目为背景，结合虚拟数字战场环境对地形平台的需求，研究建模数据获取和模型生成方法，实现一个原型系统。建模数据的获取是应用建模方法的前提。论文从多个方面探讨数字高程模型(DEM)，设计并实现了DEM数据文件的两种处理方法：文件分割、区块选取。区块选取用于从数据源中灵活方便地获取建模数据。论文重点研究了三维地形生成方法。首先是矩形网格、规则三角形网格两种方法，研究了生成地形模型的各个步骤和相关算法。然后是不规则三角形网格方法，对二维任意域内点集的狄洛尼三角划分理论进行阐述之后，分析狄洛尼三角划分算法；在此基础上把理论和算法与地形模型生成相结合，提出简化的插入算法，融合了DEM点的筛选处理，解决了边界点的获取问题。随后对三种建模方法进行比较，分析各自的优缺点，给出了定性结论。在三种建模方法基础上，论文提出了混合建模方法的新思想，结合了三者的优点，改进了其不足之处。最后，设计实现了一个原型系统ReliefMS，具有文件处理、多种方式建模、模型可视化及操纵等功能。关键词：数字高程模型，文件分割，区块选取，三维地形建模，三角形不规则网格，狄洛尼三角划分，原型系统
    国防科学技术人学研究生院学位论文ABSTRACTIn1980s．thedevelopedcountrieshadbeguntheirresearchanddevelopmentondigitalbattlefield．Thevirtualdigitalbattlefieldenvironmenthasbeenbeingahotshotworldwidesincethe21stcenturyentry．Thetechffiqueof3Dterraingenerationisthekeytechniqueinthevirtualdigitalbattlefieldenvironmentconstruction，wherescenereality，multi—resolutionandattributequeryabilityonterrainmodelaredesired．Inthisdissertation．IdiSCUSSmodeldataobtainmentandmodelgenerationmethods．Ialsoimplementaprototypesysteminthepraetice．TheresearchcomesuDwiththeterrainrequirementofvirtualdigitalbattlefieldenvironmentanditisbasedontheadvanceresearchprojectofnationaldefense．Modeldataobtatnmentisthepreconditionformodelgeneration．Thedissert—ejondiscussesdigitalelevationmodel(DEM)inseveralaspects，besides．designsandachievestwokiridsofprocessingmethodsofDEMdatafiIes，filesegmentationandsectionselect，whichmakesitfaciletoobtaindesireddatafromdatasource．Thedissertationputsemphasesonthestudyandrealizationofthemethodsfor3Dterraingeneration．Firstly，StepsandalgorithmsfortheRTNandTRNmet．hodsarestudied．SecondlY，theTINmethodsarebroughtforward．ThedissertationexpattaresontheDelaunaytriangulariontheoryofapointsetwithina2Darbitrarydomain(denotedasDT(D，V)forshort)andanalysesDT(D。V)algorithms．AfterapplyingDT(D，V)theoryto3Dterrainmodeling，thedissertationresolvestheproblemofboundarypointsandfilteringpotnts．andsimplifiestheinsertionalgorithminpractice．Thirdly，thedissertationcomparestheadvantagesanddisadvantagesofthreemethods，andcometoaqualitativeconclusion．ThedissertationpresentsanewmethodnamedmixingmodelingbasedonRTN，TRNandTINmethods．theadvantagesofwhichareintegratedanddisadvantagesimproved．FinallythedissertationdiScusesaprototypesystem(Re]iefMS)，whichprovidesDEMfileproceeding．terrainmodelingandmodelvisualizationandmanipulation．Keywords：DEM．FiIeSegmentation．SectionSelect．3DTerrainMode{ingTIN．DeIaunayTrianguIation，PrototypeSystem
    国防科学技术人学研究生院学位论文第一章绪论§1．1研究背景地形与人类的生产生活息息相关。军事行动要考虑地形，选择有利于己方的地域作战。地质勘探要分析地形，选择有价值的地区作业。修路筑桥要勘察地形，确定线路和位置。城市规划、资源调查、环境监测、工程选址、洪灾淹没预测等等，都需要地形数据。随着人类进入数字时代，地形与人类更紧密相关。1998年1月，时任美国副总统的戈尔在加利福尼亚科学中心提出了“数字地球”(Digita]Earth)的构想…，即一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式。数字地球的构建不能缺少数字地形，数字地形是数字地球的重要内容。人类的诸多活动离不丌地形，需要有好的方法表达真实地形，供人类的实践活动所应用。以军事活动为例，人类表达地形的方式大致可以分为四种类型。第一种是用符号、线条在介质上标绘地形，这是最早出现的形式。人类所用的介质先后有绢、丝、布、兽皮、纸等。所用的符号多种多样，如用△表示山峰，注上数字表示海拔高；线条的使用比较普遍，如用于连接高程相同的各点，用于表示可行进路线等。在不同的历史时期，符号系统有很大的变化。这种方式广泛被使用，地图、等高线图都是这～方式。这种方式最大的缺点是不直观，缺乏真实感。为了更直观、更形象地表达地形，人们想出了沙盘。地形的面积按比例尺缩小，道路、关隘、山峰、地形的起伏等进行缩微处理。沙盘是真实地形的缩微景象，形象直观。至今，这种方式在一些固定指挥所仍占有市场。沙盘是表达地形的第二种形式。计算机的发明，具有划时代的意义。计算机在各个领域被应用，当然，地质勘探、工程选址、作战指挥也必不可少。伴随而来的问题是：计算机如何处理地形。本世纪八十年代，地图测绘、数据库技术、计算机图形学技术以及计算机技术的成就，为人类在计算机上表达地形提供了充分的可能性，电子地图应运而生。通过GPS、航拍、遥感、大地测量等多种方式获取的地理位置、地形地物信息统一成矢量数据，以数据库的型式组织管理，用计算机图形方式表现并提供漫游。电子地图比介质上符号线条式的地形有显著进步。一是提供了比介质上地形更强大的应用功能，如查找、定位、分层显示等等。二是管理维护比较方便，如地形更新，只要有新的数据，可随时进行。更重要的是它使得相关行业消除了应用计算机的障碍，迈向信息时代。电子地图是表达地形的第三种形式，是对符号线条地形的一种数字化。它继承了符号线条地形的最大缺点：不直观，缺乏真实感。沙盘用实物在三维空问中展示地形，其他两种用符号线条在二维平面上描述地形。三维空间表达地形具有真实感和直观性；二维平面表达地形适合于计算机处理。人们既想应用计算机，又希望得到真实感和直观性。计算机技术的第1页
    国防科学技术人学研究生院学位论文进步，尤其是计算机图形学的发展成熟，计算机处理能力的提高，使人类实现了这一愿望。在计算机上真实直观地表达三维地形，是第四种形式。上述四种形式是军事活动中表达地形的典型类型，也代表了人类在社会实践活动中表达地形的典型型式。‘许多领域、许多行业都需要三维地形平台。如三维GIS，它研究地球表层的若干个要素的空间分布，不能没有三维地形平台。如地质勘探，采集的地质数据都是离散数据，作分析时通常要把这些离散数据可视化，需要有三维地形平台。又如城市规划，图纸上的设计方案是零碎的，缺乏对设计效果的感性表达。如果将方案可视化，无须多的语言描述，就可以一目了然。而规划方案可视化的平台是三维地形。众多领域和行业的现实需求导致了计算机表达三维地形研究课题的形成。该课题既重要，又很热门，吸引了相当多的研究人员投身其中。早在二十世纪八十年代，发达国家已着手数字化战场的研究与丌发。随着入类进入到二十一世纪，虚拟数字战场环境已成为世界范围内的研究热潮。它研究利用场景建模技术以及图形图像处理技术，通过计算机尘成关于某一特定战场区域的真实而全面的虚拟自然环境，并提供敌我双方兵力与念势的真实表现和描述，从而给指挥人员以身临其境的视觉体验以及其他感官体验，为币确的指挥决策提供信息支持。具体地讲，虚拟战场坏境生成方法研究内容包括三维地形环境生成技术、真实感局部战场环境生成技术、多虚拟对象嵌入及操纵技术、三维军标及念势标绘技术、战场信息管理与查询技术、一体化操纵接口技术等内容。三维地形环境生成技术是虚拟数字战场环境生成的关键技术，要求地形模型是一种真实的、多分辨率的、具备属性查阅功能的几何模型。本文以国防预研项目为背景，结合虚拟数字战场环境对地形平台的需求，研究基于DEM数据的三维地形建模方法。§1．2地形建模概述地形建模所追求的目标是真实感。研究人员从两个不同的角度思考这个问题。一些研究者把地形看作是复杂的几何面，还有一些研究者认为人眼视觉中的地形是图像的叠加。第一类人员研究用易于计算机处理的简单几何图形逼近，建立地形的图形网格模型，类似于数学中的微分思想，把它称作图形建模。第二类人员研究用真实图片进行构造，把它称作图像建模。第一类建模方法是基于计算机图形学技术，第二类建模方法是基于计算机图像处理技术。先谈谈图形学的处理方法。1962年，美国麻省理工学院的IvanE．Sutherland在他的博士论文“Sket-chpad：一个人机通信的图形系统”中，首次使用了计算机图形学“ComputerGraphics”这个术语，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。30多年来，计算机图形学迅速发展，目前己进入到成熟时期。现在，对普通的计算机用户来说，计算机图形不再是一个陌生的名词。计算机图形学研究如何从模型出发，把真实的或想象的物体表面描绘出柬。围绕其目的，研究出了丰富而完备的算法。这些算法大致包括：第2页
    国防科学技术人学研究生院学位论文(1)基本图形生成算法。包括线段、三角形、圆、椭圆、区域填充、字符等图元的生成与显示。(2)几何造型。用平面或曲面表示三维物体的形状信息。(3)三维变换。对场景或物体的几何造型进行旋转、平移、缩放等三维变换。(4)三维观察。把三维物体按平行投影或透视投影变换到视平面，并进行适当的裁剪，得到用户所观察的视觉效果。(5)光照模型与渲染算法。要得到真实感的三维场景，需要定义物体表面的光照特性，以及光照渲染算法，如光线跟踪算法。(6)纹理映射。给三维场景或物体表面增加颜色、凸凹细节特征。从上述所列出的算法中可以看出，计算机图形学为我们解决的是模型的计算机可视化问题。就是说，如果我们有了地形的三维模型，三维可视化的工作可以用计算机图形技术来完成。在这个意义上，我们说它是基于计算机图形学的。计算机图形学描述对象的最普通方式是使用一组包围对象表面的多边形，这种方式被称为多面体造型。现实世界中的多面体对象可以用多面体造型精确地描述。对于曲面对象，也可以用多面体近似逼近来表示。图卜l显示了一个图1-1一个圆柱体的线框表示柱面体用多边形网格表示的情况。多边形是多面体造型的基本单元，可以是三角形，可以是四边形。多面体造型的关键是描述多边形表面。一个多边形表面可以用顶点坐标集与相应属性参数来描述。一个多面体出有限个多边形组成，把所有多边形的数据用线性表组织，分为几何表和属性表两类。几何表包括顶图卜2两个相邻多边形的几何表点坐标和用来标识多边形表面方向的参数。属性表包括物体透明度及表面反射度的参数和纹理特征。几何表可以用三张表描述：顶点表、边表和多边形表。每个顶点坐标值存储在顶点表中。含有指向顶点表指针的边表用来为多边形每第3页气、p翘u
    国防科学技术人学研究生院学僦论文条边标识顶点。多边形表含有指向边表的指针，用来为每个多边形标识边，如图卜2。’除了多面体造型之外，计算机图形学中还有曲面造型。用数学函数或一系列用户指定的数据点定义曲面，用曲面逼近对象。计算机图形学的几何造型方法，可以用来建立地形的三维模型。基于计算机图形学的地形建模包括两个方面的问题。一是顶点数据从何而来?二是多边形网格如何建立?顶点数据目前普遍使用DEM的数据。我国已建立了1：1000000和l：2500oo两种比例尺的全国DEM和1：10000七大江河流域的DEM。有关DEM的一些知识见本文的第二章。地形是三维空间中的对象，如果直接在三维空间中用多边形逼近过于复杂，难于实现。人们使用的方法是根据地形点的位置(x，Y)在二维平面域旱进行处理，得到平面上的多边形网格。地形点与大地水准面”1上的点存在～一映射的关系：地形中的任意一个高程点对应着大地水准面上的唯一一个点，大地水准面上的任意～个点对应着地形中的唯一一个高程点。大地水准面与平面域之间的映射是很好解决的，并且有多种多样的投影方法”1，如高斯一克吕格投影。因此。在二维平面域内的多边形网格再附加上高程值属性可以作为地形的三维模型。这就是基于计算机图形学的地形建模思想。用真实图像构造地形，是从另外一个角度所进行的研究。先简要介绍全光函数的概念。全光函数是Adelson与Bergeb于1991年提出的，用来说明从空间中任意点、在任意时刻、所看到的任意波长的光线的集合，描述观察者在视点处接收到的所有辐射能量。如图卜3，假设存在一个理想化的眼睛，那么在一个动态变化的场景中，它观察到的视景内容取决于以下七个要素：①视点的位置，用(受，知，幺)三维向量定义；②眼睛的观察方向，用方位角参数研口仰角参数妒定义；③光波的波长五：④观察时刻厶全光函数具有如下的参数形式：P=P(o，妒，以，盯，K，旯，r)式1—1全光函数可以被看作给定环境中所有可能样本的集合。如果给定视点(受，郇，g)、观察视角(曰，痧、时问}，观察到的图像可以用一个全光函数在特定波长范围内生成。图卜3全光函数的参数意义基于图像的地形建模遵循上述思想，要作的工作是采样地形图像，用采样所得的图像重建全光函数。事实上它只能是一个可望而不可及的终极目标，目前可行的方法是从多个方面进行简化。一是从视角上简化，是受限范围的图像第4页
    国防科学技术人学研究生院学位论文生成；二是从视点上简化，是视点有跳跃的图像生成。重建全光函数的采样图像来源较多，如遥感图、航拍图、雷达图像，等等。图形建模得到的是近似地形，图像建模得到的是真实地形；表现图形模型要求有较好的显示硬件，表现图像模型对显示硬件要求不高。图形建模所需的数据量要小于图像建模所需的数据量，但图形模型的数据量～般大于图像模型的数据量。目前，图形建模更成熟一些。本文研究的建模方法属于图形建模方法。§1．3国内外研究现状目前，地形生成技术大致可归纳为三类。第一类是基于真实数据的地形生成，它用DEM数据构造多边形面，用多边形网格逼近。下面是几个有代表性的方法。Hoppe提出的累进网格(ProgressiveMeshes，PM)法”1。这种算法通过一系列的边折迭(Edgecollapse)，将原始数据网格简化为一个简单的基网格，这样就可以根据其逆操作边分裂(EdgeSplit)将细节逐渐增加到基网格上。它的优点是可以抽取多个连续的细节层次，支持数据的压缩存储和累进传输，以及几何数据的重建，这对于需要通过网络传输的数据绘制来说是很重要的。对PM算法，还有许多改进方法，如将边折叠／分裂扩展到点分裂／合并”5等处理。．MarkDuchaineau等人提出了“实时优化自适应网格”(Real—TimeOptim—allyAdaptingMeshes，ROAM)算法”’。ROAM算法的基础是三角形二叉树的动念网格表示法。因此可通过定义三角形二叉树和分裂、合并操作，来保证增加或删除顶点时网格的连续性，其中分裂与合并操作用两个优先级队列来控制。这种方法使用一个误差矩阵，通过对矩阵进行优化，产生一个误差约束，即可以直接获取指定的三角形数目。第二类是基于分形技术的地形生成。分形(fractal)几何学的思想…是Mandelbrot于1973年提出的。分形几何关注的是物体的随机性、奇异性和复杂性，试图透过混乱现象和不规则构型揭示隐藏在背后的局部与整体的本质联系和运动规律。分形集合具有细节无限以及统计自相似性的典型特性，它用递归算法使复杂的景物可用简单的规则来生成，在现代的计算机图形学中，分形几何在对自然现象的真实绘制和建模方面起着重要作用””…1。许多分形地景建模都与分数维行朗运动…1(fractionalBrownianmotiOn)数学模型有关。fBm是分数维布朗运动的英文简略表达。fBm是现代非线性时序分析中的重要随机过程，它能有效地表达自然界中许多非线性现象，也是迄今为止能够描述真实地形的最好的随机过程。分形建模大致可归纳为泊松阶跃法(Poissonfaulting)、傅里叶滤波法(Fourierfiltering)、中点位移法(midpointdisplacement)、逐次随机增加法(Successiverandomadditions)和带限噪声累积法(Summingbandlimitednoises)等5类””。泊松阶跃法的最早研究者是Mandelhrot。泊松阶跃法是将泊松分布用于f第5页
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