图形建模学习笔记

罗立辉 2006-5-26

一

图形建模系统结构图

1.图形定义系统:提供各种基本的绘图上具，如矩形、圆角矩形、椭圆、直线、箭头、扇形、弦形、多边形、贝塞尔曲线等，供建模人员定义设备图标时使用:

2.设备库管理:将利用图形定义系统建立的各种设备图标集中管理起来，方便用户的访问与使用:

3.资源库管理:协调管理各种资源，包括图形资源与图标资源;

4.设备连接系统:负责处理建模过程中设备图标之间的连接，实现连接线路的拓扑分析与形状自适应等功能;

5.其他:包括对于图形的渲染、缩放、旋转、镜像、层次调整，图片的引入及操作等辅助功能。

地形环境建模流程图

二

地理信息系统是上世纪60年代提出并逐步发展起来的集数据采集、存贮、管理、分析和描述功能于一体的空间信息系统，地理空间数据库是其核心基础。传统的地理信息系统以抽象的二维数据为对象，缺少把地理数据及其分析结果转换成用户能够直接理解的信息的有效手段，因此对地理现象不能进行高度真实的表现。随着计算机图形硬件水平的提高以及图

形可视化算法的发展，Faust在1993年提出了“虚拟现实地理信息系统(VRGIS )”

的概念，指出VRGIS应具有如下特征:

.侧重于空间数据的真实表现(如地形，环境的真实再现):

.可从任意角度观察、沉浸、移动、实时交互;

.具有基于三维空间数据库的基本功能(如查询、空间分析等);

.可视化部分作为用户接口自然而完整的部分。

但这是理想的情况。由于受到计算机技术、虚拟现实技术、GIS技术发展水平的限制，

这几方面不能同时达到。因而提出了虚拟GIS (VGIS)概念。

虚拟GIS只力求虚拟，不强调沉浸的特性，是一种特殊的传统型GIS。它的研究内容是:如何将地形数据生成三维地形场景，模仿真实环境，并在此基础上进行地理信息显示与空间分析。其自身特点表现在:

    .强调数据结构的组织，以提高图形显示的效率;

    .突出传统GIS中的分析功能，特别是基于三维地理数据库的分析查询;

    .不强调仿真中的沉浸特征，对系统硬件的要求不高，大部分功能都是基于桌面的方案。

目前，关于虚拟地理信息系统的讨论仍处于原型阶段，没有完整的产品问世。图1-2给出美国Georgia研究所关于VG工S的一种设计方案。

图1-2 Georgia研究所的VGIS设计方案

三

从系统框架的角度，和传统的二维系统一样，一个三维的地理信息系统也分为三个部分:数据结构部分、空间分析部分和数据显示部分。数据结构是GIS的基础，空间分析是GIS的核心和关键，数据显示是GIS面向用户的结果。它们之间的关系如图1-1

所示。

首先解决的是系统的数据问题。在选择合适的数据源之后，首要的工作是进行地形、地物数据的采集。这一部分系统实现了自动采集和人工修正的交互，其结果是提高了数据采集的时间效率，大大降低手动采集的人工花费，同时能够在相当程度上保证数据的准确可靠。就实践的结果来看，这种方式是可行的并且有益的。

之后的工作是针对采集数据结果的三维建模。这一部分同样将地形、地物分开处理。

地形数据建模的结果主要是地形的DEM网格模型;地物的结果则是根据不同的地物类型，比如房屋、道路、河流和堤坝等等，采用不同的简化模拟形式，实现三维效果，并可以采用表面贴图的方式，来增加地物显示的真实感。

在完成地形、地物的建模之后，各种数据都变成在三维系统直接可以显示的真实三维模型。通过对三维场景的工程组织，将彼此逻辑相关，物理上分散存储的地形、地物模型在同一个场景中，按照现实世界的真实结构进行组合和统一调度。这样就能够使用户看到和现实生活中的真实环境相似程度很高的三维场景的完整显示。

上述过程完成了从抽象的数据存储到具体的场景的再现。有了这样的基础，就能够在所得到的场景中进行各种不同的空间分析计算。这正是三维地理信息系统面向应用开发的开始。

在空间分析模块中，提供了各种基本空间分析功能，其中包括地表两点或多点之间的距离计算、地表选定区域的表面积和海平面为基准的体积计算、填挖土石方的计算和选定点的可视范围和两点间通视的效果分析等等。这一部分在满足基本的应用开发需求的同时，对于用户需求的进一步提出和系统面向专业工程应用的开发将起到很好的启发作用。

系统另一个主要的应用就是三维虚拟场景的漫游功能。在这个模块中提供两种工作模式:给定路线的场景自动漫游模式和用户交互的手动漫游模式。在两种方式下，都能够给用户提供一个与客观真实场景相似程度很高的虚拟场景漫游过程。用户将能根据漫游所得的信息和感受，对工程实践中的具体问题做出决策。

由以上可以看出，我们对于三维地理信息系统的设计开发目标是实现一个包含场景编辑制作、实时浏览与三维空间分析的开放式的三维平台，从而为各个领域的不同层次、不同种类的三维地理信息系统解决方案提供平台软件支持，系统的主要功能:

(1)数据输入:三维地理信息系统涉及到的数据种类繁多，包括空间影像数据、DEM数据、矢量数据和己有的三维模型文件(如3DMAX建模结果)，系统针对不同的数据的用途提供数据输入的接口。

(2)三维建模:利用所输入的二维地理信息使用不同的建模方法生成三维模型，主要包括地形建模和地物建模。

(3)可视化与实时浏览:提供可自行设置效果的电子沙盘与场景漫游两种观察方式。

(4)空间分析:提供地理信息系统常用分析功能，包括空间测算(距离、面积、体积)、两点间通视、截面分析、地形填挖方计算、坡度与坡向分析、水域淹没模拟等。

(5)空间一属性查询:支持指定空间目标的属性数据查询;支持根据属性数据的判断条件定位空间目标。

(6)结果输出:支持生成高分辨率的屏幕图及图形打印:将实时浏览结果输出成AVI和影像序列输出。

(7)平台扩展:提供插件扩展机制，支持使用VB, VC对平台进行二次开发，扩展平台应用。

图1-2提供了目前系统的体系结构化分。