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。