第7章 三維地形模擬與可視化

1、第7章 三維地形模擬與可視化 WORD文檔使用說明：第7章 三維地形模擬與可視化 來源于PDF轉(zhuǎn)換成WROD 本W(wǎng)OED文件是采用在線轉(zhuǎn)換功能下載而來，因此在排版和顯示效果方面可能不能滿足您的應用需求。如果需要查看原版WOED文件，請訪問這里第7章 三維地形模擬與可視化 第7章 三維地形模擬與可視化|PDF轉(zhuǎn)換成WROD_PDF閱讀器下載第七章三維地形模型及其可視化三維地形模型的應用？ 三維地形模型的應用？三維地形的表達？ 三維地形的表達？第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DT

2、M的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建

3、模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤景 觀 模 擬選 擇 線 路工 程 選 址三峽大壩規(guī)劃工 程 規(guī) 劃防災賑災工 程 施 工土地利用規(guī)劃三維地形顯示的基本步驟（1）數(shù)字高程模型生成和細分 確定光照角度、觀察角度、 （2）確定光照角度、觀察角度、色彩構成等輔助數(shù)據(jù) 投影變換， （3）投影變換，將要顯示的內(nèi)容投影到觀察面上 選擇消隱算法， （4）選擇消隱算法，小區(qū)三維地形中的不可視部分 （5）選擇光照模型，實現(xiàn)光照處理，使顯示的三

4、維地 選擇光照模型，實現(xiàn)光照處理， 形具有明暗效果 確定繪圖顏色， （6）確定繪圖顏色，進行圖形的繪制第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 地形的表達傅立葉

5、級數(shù) 整體 數(shù)學方法 地 形 的 表 達 方 法 圖形法 水平線 線數(shù)據(jù) 垂直線 典型線 山脊線 谷底線 海岸線 坡度變換線 局部 不規(guī)則數(shù)學分塊 密度一致 規(guī) 則 密度不一致 三角網(wǎng) 點數(shù)據(jù) 不規(guī)則 典型特征 鄰近網(wǎng) 山峰、洼坑 隘口、邊界 高次多項式 規(guī)則數(shù)學分塊第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織

6、 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 DTM與DEM 與? 1956年， 教授提出數(shù)字地面模型 1956年 教授提出數(shù)字地面模型 Model， ）：利用坐標場中 （Digital Terrain Model，DTM ）：利用坐標場中 大量已知的X 的坐標點對連續(xù)地面的統(tǒng)計表示。 大量已知的X、Y、Z的坐標點對連續(xù)地面的統(tǒng)計表示。 ? 其他相關術語：DHM，DGM，DTEM，DEM 其他相關術語：DHM，DGM，DTEM， ? 定義：Kp=fK（xp,yp），是描述地球表面形態(tài)多種信

7、定義： ），是描述地球表面形態(tài)多種信 息空間分布的有序數(shù)字陣列。 息空間分布的有序數(shù)字陣列。 ? DTM是GIS軟件的重要組成模塊。包括：數(shù)據(jù)獲取、 DTM是GIS軟件的重要組成模塊 包括：數(shù)據(jù)獲取、 軟件的重要組成模塊。 轉(zhuǎn)換、存儲、管理、處理、建模、應用等。 轉(zhuǎn)換、存儲、管理、處理、建模、應用等。 ? 與傳統(tǒng)地形圖比，DTM的特點：精確、形象、直觀、 與傳統(tǒng)地形圖比，DTM的特點：精確、形象、直觀、 生動、自動化、實時化等等。 生動、自動化、實時化等等。 ? 常用的DTM：GRID，TIN。 常用的DTM GRID，TIN。 DTM： DTM與DEM 與? 數(shù)字高程模型（Digital E

8、levation Model， 數(shù)字高程模型（ Model， DEM）是DTM的一個子集。 DEM） DTM的一個子集。 的一個子集 ? 核心思想：描述地面特征點的三維坐標及 核心思想： 對其操作的一系列算法。 對其操作的一系列算法。第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性

9、質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 DTM的測制過程 的測制過程? 基本原理：從離散數(shù)據(jù)構造出相互聯(lián)接的格 基本原理： 網(wǎng)結(jié)構，以此作為地形的數(shù)字模型基礎。 網(wǎng)結(jié)構，以此作為地形的數(shù)字模型基礎。 ? 具體： 具體： （1）測出控制點與特征點 以控制點為網(wǎng)絡框架， （2）以控制點為網(wǎng)絡框架，在其中內(nèi)插高程 點。 以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構和算法來構建DTM （3）以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構和算法來構建DTM第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM

10、與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 DTM的數(shù)據(jù)獲取 的數(shù)據(jù)獲取? DTM數(shù)據(jù)獲取：就是提取并測定地形的特征 DTM數(shù)據(jù)獲?。?數(shù)據(jù)獲取 點，即將連續(xù)的地形表面轉(zhuǎn)化成一個以一定 數(shù)量的離散點表示的離散表。 數(shù)量的離散點表示的離散表。 ? DTM的數(shù)據(jù)來源：（1）由現(xiàn)有地形圖上采取。 D

11、TM的數(shù)據(jù)來源： 的數(shù)據(jù)來源 由現(xiàn)有地形圖上采取。 從攝影測量立體模型上采取。（ 。（3 （2）從攝影測量立體模型上采取。（3）野 外實地測量。（ 。（4 由遙感系統(tǒng)直接測得。 外實地測量。（4）由遙感系統(tǒng)直接測得。 如航空和航天飛行器搭載雷達和激光測高儀 獲得的數(shù)據(jù)。 獲得的數(shù)據(jù)。第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法

12、TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 DTM的應用 的應用? 繪制等高線、坡度圖、坡向圖、立體透視圖、 繪制等高線、坡度圖、坡向圖、立體透視圖、 立體景觀圖、制作正射影象圖、立體匹配等。 立體景觀圖、制作正射影象圖、立體匹配等。 ? 作為國家基礎地理信息 ? 土木、景觀建筑與礦山工程的規(guī)劃設計 土木、 ? 軍事目的 ? 土地現(xiàn)狀分析、城市規(guī)劃 土地現(xiàn)狀分析、 ? 交通線路規(guī)劃 ? 流域、地貌分析 流域、 ? 三維顯示 ? 輔助遙感解譯 ? 虛擬現(xiàn)實等第七章 三維地形模

13、型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 DTM的建模 的建模? ? ? ? 通用多項式函數(shù) 基于格網(wǎng) 基于三角形 混合表面規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(a) 矩形格網(wǎng)GRID簡介 簡介? 規(guī)則

14、網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、 規(guī)則網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、 三角形等規(guī)則網(wǎng)格。 三角形等規(guī)則網(wǎng)格。 ? 結(jié)構簡單、操作方便，適合于大規(guī)模使用與 結(jié)構簡單、操作方便， 管理，容易用計算機進行處理。 管理，容易用計算機進行處理。 ? 容易進行某些地學分析與計算 ? 不能精確表示地形的結(jié)構和細部 ? 數(shù)據(jù)量過大 ，需要壓縮 ? 在地形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余； 在地形平坦的地方，存在大量的數(shù)據(jù)冗余； ? 在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達復雜 在不改變格網(wǎng)大小的情況下， 地形的突變現(xiàn)象； 地形的突變現(xiàn)象；不規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構TIN的簡介 的簡介? 生成三角網(wǎng)，再加三維信息 生成三角網(wǎng)

15、， ? 既可應用于規(guī)則分布數(shù)據(jù)，也可應用于不規(guī)則分 既可應用于規(guī)則分布數(shù)據(jù)， 布數(shù)據(jù) ? 能以不同層次的分辨率來描述地形 ? 更少的空間與時間更精確地表示更加復雜的表面 ? 可以內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng)，也可以建立連續(xù)表面 可以內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng)， ? 數(shù)據(jù)存儲與操作復雜 ? 適合于小范圍大比例尺高精度的地形建模 ? 與GRID比較，TIN具有最小的中誤差，TIN更適合 GRID比較 TIN具有最小的中誤差 TIN更適合 比較， 具有最小的中誤差， 于地形顯示，采樣數(shù)據(jù)少時，TIN的質(zhì)量明顯好 于地形顯示，采樣數(shù)據(jù)少時，TIN的質(zhì)量明顯好 GRID，采樣密度增加時，二者差別越來越小。 于GRID，采樣密

16、度增加時，二者差別越來越小。第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 TIN的生成算法 的生成算法? ? ? TIN模型要求：惟一性、力求最佳的三角形形狀、 T

17、IN模型要求：惟一性、力求最佳的三角形形狀、 模型要求 由最臨近點構成 Delaunay三角網(wǎng) 相互鄰接互不重疊， 三角網(wǎng)： Delaunay三角網(wǎng)：相互鄰接互不重疊，遵循空圓 法則。 法則。 Voronoi多邊形 Delaunay三角網(wǎng)的對偶 多邊形： 三角網(wǎng)的對偶。 Voronoi多邊形： Delaunay三角網(wǎng)的對偶。泰森 多邊形（Thissen）、Dirichlet圖 多邊形（Thissen）、Dirichlet圖 ）、Dirichlet TIN的生成算法 的生成算法? 邊擴展法：空圓法則、張角最大準則、最 邊擴展法：空圓法則、張角最大準則、 近距離擴展、最小邊長和擴展。 近距離擴展、

18、最小邊長和擴展。 ? 數(shù)據(jù)點漸次插入法（動態(tài)插入算法）：依 數(shù)據(jù)點漸次插入法（動態(tài)插入算法）： ）：依 局部優(yōu)化的最大化最小角原則，LOP方 據(jù)：局部優(yōu)化的最大化最小角原則，LOP方 法：交換凸多邊形的對角線? 分而治之的思想（分治算法）： 分而治之的思想（分治算法）： ? 帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)： 帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)： Delaunay三角網(wǎng)三角形生長算法（邊擴展） 三角形生長算法（邊擴展）? （1）在數(shù)據(jù)中任意取一點，查找距離此點 在數(shù)據(jù)中任意取一點， 最近的點，相連后作為初始基線； 最近的點，相連后作為初始基線； ? （2）沿基線的固定一側(cè)搜尋第三點,生成 沿

19、基線的固定一側(cè)搜尋第三點, Delaunay三角形 三角形; Delaunay三角形; ? （3）以三角形的兩條新邊，作為新的基線； 以三角形的兩條新邊，作為新的基線； ? （4）重復（2）、（3）直至所有基線處理 重復（ ）、（3 完畢。 完畢。數(shù)據(jù)點逐次（動態(tài)） 數(shù)據(jù)點逐次（動態(tài)）插入算法（1）定義一個超三角形，使該三角形能包含所有數(shù) 定義一個超三角形， 據(jù)點，并把該三角形并作為初始Delaunay 三角形； 據(jù)點，并把該三角形并作為初始Delaunay 三角形； （2）從數(shù)據(jù)中取一點P加入到三角網(wǎng)中； 從數(shù)據(jù)中取一點P加入到三角網(wǎng)中； 搜尋包含點P的三角形， （3）搜尋包含點P的三角形，

20、將P與此三角形三個頂 點相連，形成三個三角形； 點相連，形成三個三角形； 應用Lawson LOP從里到外更新所有生成的三角 （4）應用Lawson LOP從里到外更新所有生成的三角 形； 重復（ ）、（2）、（3 （5）重復（1）、（2）、（3）直至所有點處理完 畢； （6）刪除所有包含一個或多個超三角形頂點的三角 形；1 2 (a) 2 (c) 4 3 1 4 3 2 (b) 2 (d)1 4 3 1 4 31 2 (e) 4 3p向Delaunay三角網(wǎng)中插入新點 Delaunay三角網(wǎng)中插入新點約束三角網(wǎng)構造示意圖帶約束的Delaunay三角網(wǎng) 帶約束的 三角網(wǎng)? 在能互相通視的頂點集

21、合中，符合空圓法 在能互相通視的頂點集合中， 此三角形是一個帶約束的Delaunay Delaunay三 則，此三角形是一個帶約束的Delaunay三 角形。 角形。 ? 帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)的動態(tài)更新 帶約束條件的Delaunay Delaunay三角網(wǎng)的動態(tài)更新 原則：在滿足約束條件下， 原則：在滿足約束條件下，相鄰兩三角形 組成的四邊形的最佳對角線才被選取。 組成的四邊形的最佳對角線才被選取。也 就是滿足通視條件。 就是滿足通視條件。邊擴展生成帶約束的三角網(wǎng)? 在邊擴展中考慮通視條件 ? 利用邊界局部構網(wǎng)cab p向含約束 線段的 Delaunay 三角網(wǎng)中 插入新點apb

22、向含約束 線段的 Delaunay 三角網(wǎng)中 插入新點第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 TIN的數(shù)據(jù)組織 的數(shù)據(jù)組織2e1 e2 e31e92 4e83

23、e4 e61e1056e73e554 參見：圖7-4 參見：第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 TIN的拓撲性質(zhì) 的拓撲性質(zhì)? ? ? ? 區(qū)域中N 區(qū)域

24、中N個離散點 符合歐拉定理 邊數(shù)最多為3N 3N邊數(shù)最多為3N-6 三角形個數(shù)最多為2N 2N三角形個數(shù)最多為2N-5第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤

25、TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GRID 轉(zhuǎn)換為? ? ? ? ? ? 線性插值 最近鄰插值 多項式曲面插值（移動曲面擬合法） 多項式曲面插值（移動曲面擬合法） 平均插值 距離加權平均插值 克里金插值第七章 三維地形模型與可視化? 真實感圖形技術與地形三維可視化 ? DTM? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地形的表達 DTM與 DTM與DEM DTM的測制過程 DTM的測制過程 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的數(shù)據(jù)獲取 DTM的應用 DTM的應用 DTM的建模 DTM的建模 TIN的生成算法 TIN的生成算法 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的數(shù)據(jù)組織 TIN的拓撲性質(zhì) TIN的拓撲性質(zhì) TIN轉(zhuǎn)換為 轉(zhuǎn)換為GR

26、ID TIN轉(zhuǎn)換為GRID? TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 TIN等高線的追蹤 等高線的追蹤? 任意平面與TIN切割：求所有三角形與平面的交線。 任意平面與TIN切割：求所有三角形與平面的交線。 TIN切割 先求三角形任兩邊與平面的交點。 先求三角形任兩邊與平面的交點。 ? 基本運算：求三角形邊與平面的交點 基本運算： ? 等高線為特例?X = X1 + (X 2 ? X1) * t ?Y = Y + (Y ? Y ) * t ? 1 2 1 ? ?Z = Z 1 + ( Z 2 ? Z 1 ) * t ?aX + bY + cZ + d = 0 ?1 ?0 ? ?0 ? ?0 0 1 0 0 0 ?e h ? X ? ? ? ?Y ? ? ? 0 ?f