地形三维可视化基本研究

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1、地形三维可视化基本研究在某种程度上来讲，地形三维可视化与虚拟现实有着异曲同工之处。它们都是将研究区域中的高程值叠加到地形格X或平面纹理贴图中，用以获得研究区域的立体图像从而进行GIS的三维研究，如流域分析、三维缓冲区分析、通透分析和坡度坡向分析以及高程剖面分析等。一般来说，地形三维可视化包括以下几个基本步骤：DEM三角形分割或纹理贴图，透视投影变换，光照模型，消隐裁剪、图形转绘和存储以及地物叠加等等。下面对各个方面进行逐一探索：1.DEM三角形分割或真实感图形与纹理贴图DEM三角形分割即对野外或实验数据采用一定的建X算法进

2、行方格X或三角X的建立。对于方格X，建X算法一般包括加权平均值、邻域平均值和最近邻点法等。如加权平均值是对区域根据数据分布进行分块（构建方格X），然后对格X中的各个点进行逐一插值，假定当前插值点为格X起点，首先以当前点为圆心，规定一个初始半径，判断区域中哪些数据点落在该圆形区域中，并将落在圆形区域中的点记录下来，同时计算当前格X点与这些点的距离，并规定距离的倒数为当前点与区域点之间的权，再计算各权值与区域点高程乘积之和，最后与权值之和作比值就内插出了当前格X结点的高程值（应当注意的是，一般情况规定落在圆形区域中的点的数量为

3、4-10个左右，若落在圆形区域内的区域采样点数目小于4，则应适当扩大搜索半径，同理，若点数大于10，则应适当减小半径）。如此循环，将整个格X的格X结点高程值依次内插出来即形成了附带高程的平面格X图。对于三角X的构建，可以采用分割合并算法、三角X增长算法或逐点插入算法（初始包容盒算法），这里不再一一介绍。如若没有采样数据，可对研究区域进行纹理贴图。将模拟场景的三维描述成二维灰度阵列所得到的计算机图像是一种连续的灰度曲面，由于这种图像用面来约束模型，从而弥补了在没有数据控制点的地方用传统的线划图形表示可能出现的信息缺误。这种灰

4、度浓淡图像使得实际地物的各种起伏特征一目了然，这种图形因具有相片的观察效果而被称为真实感图形或逼真图形。与线划图形不同的是，真是感图形的计算机合成需要根据光源的位置和颜色、地面的形状和方位、地面的光谱特性等计算画面中每一点的颜色灰度。为了弥补灰度图像仅能表示地形起伏情况的不足之处，当需要表现地表的各要素特征时，可以通过添加表面细节来完成。表面细节通常有两种：颜色和纹理。颜色细节应用于光滑表面，但看起来并不改变表面的形状，而纹理细节则会给出一个具有粗糙表面的外形。当在三维物体表面上加绘细节时指定的不同属性称之为纹理贴图，如凹

5、凸贴图、透明和颜色贴图等。2.透视投影变换透视投影变换就是将DEM数据坐标系转换为屏幕坐标的过程，使得平面坐标在添加高程值之后能够转换为立体图像呈现出来，并符合人眼的视觉成像感知效果。透视投影变换的算法很多，这里直接给出一个转换算法：xm=((Xm-Xs)*cos(θ)-(Ym-Ys)*sin(θ))/((Zm-Zs)*cos(α)-(Xm-Xs)*sin(θ)*sin(α)-(Ym-Ys)*cos(θ)*sin(α))；ym=((Xm-X

6、s)*cos(α)*sin(θ)+(Ym-Ys)*cos(θ)*cos(α)+(Zm-Zs)*sin(α))/((Zm-Zs)*cos(α)-(Xm-Xs)*sin(θ)*sin(α)-(Ym-Ys)*cos(θ)*sin(α))；其中，Xm、Ym、Zm为DEM格X结点所在坐标系的坐标或附带高程值的平面图像所在坐标系的坐标，Xs、Ys、Zs为观察点（即视点）在格X结点坐标系中的坐标，θ为投影坐

7、标系的X轴与格X结点坐标系X轴之间的夹角，α为投影平面与格X结点坐标平面之间的夹角，xm、ym为通过视点映射地形点到投影平面上的像点坐标。公式中各个变量所代表的含义已经明确，但有不少人只是客观的了解其意义，为了便于说明变量的具体应用手段，这里进一步通俗的解释一下其代表意义：Xm、Ym、Zm为采样点坐标系中的坐标值，也就是当时野外人工或机器采样时所选用的坐标系统（也可以使用户自己定义的坐标系），采样完毕后，各个采样点在该坐标系统中的三维坐标也就确立了；Xs、Ys、Zs就是观察者视线的根源（观察点）在该所选用坐标系

8、统中的三维坐标值，对于同一观察点，选用的坐标系不同，其三维坐标值也不一样，在运用公式时，Xs、Ys、Zs尽量要在采样区域范围内或范围边缘，若果离采样区较远，可能会影像三维观察精度，而且Zs要趋近采样区的平均高程值，随着Zs增大，从屏幕来看，就是从地面中同一点不同的高度俯瞰地形表面；前面已经说到，&the