GIS系统中三维地形的建模与实现

⼀、系统综述

信息产业已经越来越受到⼈们的重视，在这场⾰命中，越来越多的技术领域，包括边缘科学和应⽤技术，正在迅速的崛起。地理信息系统（GIS）作为集成了计算机技术，地理学，测绘遥感学，管

理学等多门科学技术的新兴边缘学科⽽正在崛起。它是通过研究计算机技术和空间地理分布数据的结合，通过⼀系列的空间操作和分析⽅法，为地球科学和企业管理等提供决策管理的有⽤信息，迅速有效的解决问题。

GIS 结合了图形，图象数据，⽐单纯的数据库管理和CAD系统功能更加完善和实⽤，作为管理⾃动

化技术的⼀种，GIS正成为越来越重要的OA⼯具之⼀。GIS主要由以下四个部分组成：①信息获取与输⼊；②数据储存与管理；③数据转换与分析；④成果⽣成与输出。它的实现是通过使⽤数据库平台，图形⽀持系统和卫星通信等多种不同技术的结合，本⽂主要阐述GIS系统中的电⼦沙盘地图的制作及其浏览的实现。

电⼦地图的数据格式有许多种，基本的有栅格模型数据和⽮量模型数据两种。栅格（Raster）空

间模型中地图被分割成有规则的⽹格，⽹格的基本单元通常是固定⼤⼩的正⽅形，空间事物就按其在⽹格中什么⾏，什么列，去什么值来表⽰。因此栅格模型也可以成为⽹格（tessellation）模型。这种模型中基本单元的⼤⼩代表了地图的分辨率。⽮量空间数据模型中的基本要素是坐标点，⼀个点有⼀对坐标（x,y）表⽰，线由⼀串有序点组成，⾯则是线围起来的不规则多边形。⽮量模型的分辨率通常⽐栅格模型⾼的多，但也受到存储的限制。

通常，原始的地图是通过多种⽅法实现的，野外实地测量是传统的⽅法，进年来，航拍已经成为

制作地图的普遍⽅法，⽽遥感测绘也逐渐发展了起来。地图数据的输⼊可以通过数字化仪或扫描输⼊计算机中，其多数采取的过程是： 1) 原始地图扫描转化成栅格⽂件。

2) 栅格数据进⾏⾃动⽮量化转化成⽮量⽂件。

3) 在进⾏了⽮量编辑和⽂件转化后，数据输⼊到GIS数据库中。

本⽂所讨论的电⼦地图的实现是以DEM格式的数据形式为输⼊。以往在描述⾃然地形的起伏变化是

⼀等⾼线为基础，它可以有很⾼的数据精度，但是在进⾏处理是⽐较复杂。⽽DEM（数字⾼程模型）和DTM（数字地⾯模型）能够将三维数据简单化，即给⼆维的点赋以属性：⾼程。

该电⼦地图的实现是在NT 40上，使⽤系统提供的OPEN L图形开发接⼝，开发语⾔是VC 60。下⾯针对电⼦沙盘的制作来阐述其基本⽅法和流程。⼆、⼏何建模

⾸先应该了解OPEN L的基本⼯作过程。OPEN L对⽤户创建的模型进⾏着⾊和⾃动消隐处理，并提

供了多种变换⽅式，并能够添加纹理，逼真的表现场景细节。⽽且，OPEN L使⽤的双缓存技术Double Buffer)可以使三维图形的动画显⽰更加流畅。DEM模型的数据格式中⾼程数据是按矩阵的⽅式存储，相邻的点之间平⾯坐标相差⼀个单位的间隔，因此我们可以将相邻的四个点看作⼀个四边形平⾯，并由此来计算该平⾯的法向量，⽅法如下： 1) 取平⾯上不共线的三点，如三个顶点，Y，2) 求出（-Y）叉乘（Y-）

3) 该叉乘积即为要求的法向量。

⼀般的，对边缘上点的法向量应该将其相邻的平⾯的法向量求出后算术平均，光照效果会较好。调⽤OPEN L的glNormalfv 和glVextexfv 来建⽴点的坐标和法向量。 三、模型的纹理添加与显⽰

在前⼀过程中对模型的基本元素进⾏了定义（空间坐标，法⽮），⽽在模型的形象⽣成中，要

进⾏⼏何模型的光照，颜⾊设置，纹理映射的⼯作，是地图更加形象化。OPEN L提供了较为完备的光照描述，可以指定具备⼀定位置，⽅向，亮度和颜⾊的光源，并且提供了对材质的选择余地。其中，表⾯法向量的计算就显得尤为重要，因为物体表⾯的光照效果是有表⾯的法向量决定的，不同的计算⽅法产⽣的效果会⼤不⼀样。

纹理映射是制作电⼦沙盘的重要部分。它是指将图⽚覆盖到地图的模型上，使显⽰更加逼真。图⽚包括各种⼿段获得的图象资料，如实地拍摄，航拍，或简单的位图等。这样，纹理映射过程如下:1) 由等⾼线数据等⽣成DEM格式数据。2) 建⽴⾼程模型。

3) 准备纹理图⽚，制作纹理的图象。4) 在OPEN L中产⽣模型。

使⽤纹理时应该注意，要根据纹理图象在屏幕上所占的⾯积⼤⼩来选⽤适当的分辨率，多重纹理

中每层纹理的⼤⼩应该是2的幂指数；对于可展开成平⾯的曲⾯，如圆锥，圆柱等，纹理映射不会变形，⽽其他的曲⾯则要产⽣变形，对于球⾯，可以把矩形的纹理映射到θ-φ平⾯上，但是这种映射在接近两极时仍会产⽣严重的变形。 四、电⼦地图的浏览

已经⽣成的电⼦地图在显⽰时可直接通过系统的取景变换，模型变换，投影变换和视见区变换等

由三维模型显⽰到⼆维屏幕上。在产⽣地图的动画式浏览的过程中，可以不断的改变观察点的位置，通过系统提供的扩展函数gluLookAt ，使取景体积在x,y⽅向上对称，不断改变观察点，即可浏览场景；也可以⾃⾏改变投影和取景矩阵，通过模型的空间位置变化来实现浏览。使⽤这种⽅法制作电⼦地图可以充分利⽤系统提供的函数，这些函数可以被硬件显⽰设备直接⽀持，加快图形的显⽰速度。相⽐以前制作电⼦沙盘的⽅式，⾃⾏编制的函数和算法没有统⼀的标准，因此也不可能获得相应硬件的⽀持，所以速度较慢。 ⼀个电⼦地图系统其制作过程可以⽤下图来总结：

在使⽤DEM数据时，应当注意到，由于其⾼程数据是在⼀定距离的格⽹点上记录地⾯的⾼度（如，

50⽶或100⽶精度地图），因此地⾯点的实际⾼度和通过内插⽅法计算出的⾼程值必然有⼀定的差异，这就导致了⾼程数据地图的不精确性，这些误差的引⼊可能有以下⼏个原因：

1) 参考点的误差。它是指地图制作中的误差，地图数字化过程中的误差。对其采取的措施可以有消除纸张变形引起的误差，采⽤⾼精度的数字化仪等。

2) 插值过程中的误差。由于插值算法本⾝也存在降低精度的因素。五、结论

使⽤DEM⾼程数据制作电⼦地图具有⾃⾝的优缺点，以上论述的⼏个问题基本涵盖了电⼦地图制作

过程中可能遇到的主要问题，本⼈认为这种开发过程可以产⽣具有很⾼浏览速度的电⼦地图，并且可以⽤较少的存储空间描述相对较⼤的地理范围。