本文摘要：隨著時代的推進，地形三維可視化技術將會得到越來越廣泛的應用，并在地理信息對于全方位服務社會，包括地形三維流域分析、高程剖面詮釋、三維場景動態建模等相關技術領域更加快捷、方便的處理三維數據信息與屬性信息，并能夠更加精確、全面的應用于城市規劃
隨著時代的推進，地形三維可視化技術將會得到越來越廣泛的應用，并在地理信息對于全方位服務社會，包括地形三維流域分析、高程剖面詮釋、三維場景動態建模等相關技術領域更加快捷、方便的處理三維數據信息與屬性信息，并能夠更加精確、全面的應用于城市規劃、經濟管理、環境監測、檢測交通、災害與文化處理等方面。同時，三維可視化技術中需要完善的相關技術問題也會得到進一步處理并解決。
《地理空間信息》以促進科學技術交流、繁榮測繪學事業、服務測繪工作為宗旨，遵循規范辦刊、特色辦刊的理念，豎立確保刊物質量，走服務、創新道路的思想。作者、讀者群來自國內外測繪業、地理信息產業、地圖科學等院校、科研單位、測繪公司等生產一線單位之中。在由湖北省新聞出版局、湖北期刊協會組織的湖北省優秀期刊評選活動中，連續被評為第五屆、第六屆、第七屆、第八屆“湖北省優秀期刊”。2012年《地理空間信息》雜志被中國測繪學會評為“全國優秀測繪期刊”。2010年、2012年連續被收錄為中國科技論文統計源期刊(中國科技核心期刊)。2012年被湖北省科學技術協會評為“‘科技創新源泉工程’優秀科技期刊獎”。
摘 要：地理信息可視化在研究地學信息和地理信息中起著重要的作用，二維平面地理信息使得空間地物可以轉換為平面柵格圖像和矢量地圖，進而使相關分析研究得到進一步的簡化處理，而三維地形模擬的實現又使地理研究變得更為快捷、方便、精確、全面。本文主要介紹了地形三維可視化實現的基本步驟以及實現過程中需要注意的若干問題。
關鍵字：三維可視化 透視投影 消隱裁剪 符號注記
在某種程度上來講，地形三維可視化與虛擬現實有著異曲同工之處。它們都是將研究區域中的高程值疊加到地形格網或平面紋理貼圖中，用以獲得研究區域的立體圖像從而進行GIS的三維研究，如流域分析、三維緩沖區分析、通透分析和坡度坡向分析以及高程剖面分析等。一般來說，地形三維可視化包括以下幾個基本步驟：DEM三角形分割或紋理貼圖，透視投影變換，光照模型，消隱裁剪、圖形轉繪和存儲以及地物疊加等等。下面對各個方面進行逐一探索：
1.DEM三角形分割或真實感圖形與紋理貼圖
DEM三角形分割即對野外或實驗數據采用一定的建網算法進行方格網或三角網的建立。對于方格網，建網算法一般包括加權平均值、鄰域平均值和最近鄰點法等。如加權平均值是對區域根據數據分布進行分塊(構建方格網)，然后對格網中的各個點進行逐一插值，假定當前插值點為格網起點，首先以當前點為圓心，規定一個初始半徑，判斷區域中哪些數據點落在該圓形區域中，并將落在圓形區域中的點記錄下來，同時計算當前格網點與這些點的距離，并規定距離的倒數為當前點與區域點之間的權，再計算各權值與區域點高程乘積之和，最后與權值之和作比值就內插出了當前格網結點的高程值(應當注意的是，一般情況規定落在圓形區域中的點的數量為4-10個左右，若落在圓形區域內的區域采樣點數目小于4，則應適當擴大搜索半徑，同理，若點數大于10，則應適當減小半徑)。如此循環，將整個格網的格網結點高程值依次內插出來即形成了附帶高程的平面格網圖。對于三角網的構建，可以采用分割合并算法、三角網增長算法或逐點插入算法(初始包容盒算法)，這里不再一一介紹。
如若沒有采樣數據，可對研究區域進行紋理貼圖。將模擬場景的三維描述成二維灰度陣列所得到的計算機圖像是一種連續的灰度曲面，由于這種圖像用面來約束模型，從而彌補了在沒有數據控制點的地方用傳統的線劃圖形表示可能出現的信息缺誤。這種灰度濃淡圖像使得實際地物的各種起伏特征一目了然，這種圖形因具有相片的觀察效果而被稱為真實感圖形或逼真圖形。與線劃圖形不同的是，真是感圖形的計算機合成需要根據光源的位置和顏色、地面的形狀和方位、地面的光譜特性等計算畫面中每一點的顏色灰度。
為了彌補灰度圖像僅能表示地形起伏情況的不足之處，當需要表現地表的各要素特征時，可以通過添加表面細節來完成。表面細節通常有兩種：顏色和紋理。顏色細節應用于光滑表面，但看起來并不改變表面的形狀，而紋理細節則會給出一個具有粗糙表面的外形。當在三維物體表面上加繪細節時指定的不同屬性稱之為紋理貼圖，如凹凸貼圖、透明和顏色貼圖等。
2.透視投影變換
透視投影變換就是將DEM數據坐標系轉換為屏幕坐標的過程，使得平面坐標在添加高程值之后能夠轉換為立體圖像呈現出來，并符合人眼的視覺成像感知效果。透視投影變換的算法很多，這里直接給出一個轉換算法：
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-Xs)*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為DEM格網結點所在坐標系的坐標或附帶高程值的平面圖像所在坐標系的坐標，Xs、Ys、Zs為觀察點(即視點)在格網結點坐標系中的坐標，θ為投影坐標系的X軸與格網結點坐標系X軸之間的夾角，α為投影平面與格網結點坐標平面之間的夾角，xm、ym為通過視點映射地形點到投影平面上的像點坐標。
公式中各個變量所代表的含義已經明確，但有不少人只是客觀的了解其意義，為了便于說明變量的具體應用手段，這里進一步通俗的解釋一下其代表意義：Xm、Ym、Zm為采樣點坐標系中的坐標值，也就是當時野外人工或機器采樣時所選用的坐標系統(也可以使用戶自己定義的坐標系)，采樣完畢后，各個采樣點在該坐標系統中的三維坐標也就確立了;Xs、Ys、Zs就是觀察者視線的根源(觀察點)在該所選用坐標系統中的三維坐標值，對于同一觀察點，選用的坐標系不同，其三維坐標值也不一樣，在運用公式時，Xs、Ys、Zs盡量要在采樣區域范圍內或范圍邊緣，若果離采樣區較遠，可能會影像三維觀察精度，而且Zs要趨近采樣區的平均高程值，隨著Zs增大，從屏幕來看，就是從地面中同一點不同的高度俯瞰地形表面;前面已經說到，θ代表投影坐標系X軸與格網坐標系X軸之間的夾角，更明了的講，θ即投影平面與視點的旋轉角度，即投影平面圍繞觀察點的旋轉角度，不同的θ值代表采樣區圍繞視點旋轉θ角度時從同一視點觀察到的不同地形;α為投影平面與采樣點坐標系平面之間的夾角，即在θ一定時從視點高程處飛越整個地表區域的范圍角度，或者說是從(Xs，Ys，Zs)點向前飛越地表的觀察角;xm、ym為區域采樣點投影在屏幕上的像點坐標。
xm、ym求出后，其大小在屏幕的范圍很小，還需通過公式將其變換到適合屏幕尺寸的大小，變換公式為：
xe=λx*xm+x0;
ye=λy*ym+y0;
λx為像點區域延X軸的放大或縮小倍數，λy為像點區域延Y軸的縮放倍數，x0、y0為像點區域在屏幕中的平移矢量(x0，y0)。
利用上述公式，可將三維采樣坐標轉換為屏幕三維坐標，并可以通過改變θ、Zs、α、λx、λy、x0、y0的值來獲得不同角度、方向、距離觀察地形表面的三維圖。
3.光照模型和光線跟蹤
光照模型用于計算確定物體可見表面上每點的亮度。物體表面各點發出的光線是極其復雜的，它既與環境中光源的數目、位置和光譜組成以及光強分布有關，還與物體表面的反射特性和物體表面相對于光源的朝向有關，甚至還與人眼對光線的生理和心理視覺因素有關，把這一切都通過計算機精確地計算出來是不可能的，只能用盡可能精確的數學模型來模擬光和物體的相互作用，近似的計算物體可見表面每一點的亮度和顏色。
物體表面對于光線的反射分為漫反射和鏡面反射。漫反射可以認為是光穿過物體表面并被吸收，而后又重新發射出來的，它向各個方向均勻發出。鏡面反射是在物體表面發生的，鏡面反射光從與入射光相對于鏡面法向量對稱的方向上發出。理想的漫反射只產生漫反射光線，理想的鏡面反射面只在鏡面反射方向上產生鏡面反射光線。常見的光照模型算法有Phong光照模型數學公式、紐厄爾線形透明性算法和光線追蹤算法等。
4.消隱和裁剪
為了保證得到的數字地面模型具有真實感，必須在顯示時消去由于物體自身遮擋或相互遮擋而無法看見的看到的線條即隱藏線。如果物體表面的信息要顯示出來，那么在物體本身的背部或被其它物體遮擋的面或面的一部分應該被消去。由此提出了如何消去隱藏線和隱藏面的問題。目前消隱算法有很多，如Z緩沖算法、掃描線算法、優先度算法和循環細分算法以及曲面算法等等。這些消隱算法可被分為兩大類：物空間消隱算法和像空間消隱算法。物空間消隱算法通過在定義物體的三維空間中對有關集合元素進行計算和比較，確定什么是可見線(面)、什么是隱藏線(面)，然后僅顯示可見線(面)，從而實現消隱。像空間消隱算法則通過把景物看作由幾個多邊形平面組成的集合，對顯示設備的每一像素進行判斷，決定哪個面應該在該像素上顯示，進而實現消隱。
5.圖形轉繪和存儲
圖形轉繪和存儲即依據各種相應的算法和繪制并顯示各種類型的三維地形圖，如需要則需按照標準圖形圖像文件進行存儲。在這一過程中需要考慮地表世界坐標系與大地坐標系和輸出設備的物理坐標系與邏輯坐標系以及顏色模型與顏色空間的相關內容。在設計、描述三維圖形對象時，用戶使用的是對象所在的世界坐標系，而在輸出時，往往使用與設備物理參數有關的設備坐標系。設備坐標系即物理設備的輸入輸出空間坐標系，故又稱其為物理坐標系。每一種圖形設備都有其獨有的坐標系統，因而須將三維地形圖顯示在所需物理設備上并通過二維或三維圖形變換公式以及投影變換公式或其它算法將其按照所需圖形文件的存儲格式存儲在指定圖形圖像文件中。
6.地物疊加
在三維地形圖上，疊加各種地物符號、注記，并進行顏色、亮度、對比度等進行處理。為了便于說明并盡可能多的使讀者一目了然三維地形圖所包含的各種信息，我們在之前的三維圖形基礎上添加了各種地物符號與注記，包括點狀符號如電桿、井口、路燈等，線狀符號包括高壓線、管道線、道路線等，面狀符號包括苗圃、田地、河流等，用這些符號來概括所需區域的各種境況特征在一定程度上更簡捷、全面、準確的向讀者呈現了整個區域地形信息。而對于對地物或地物符號等進行顏色、亮度、對比度的處理則是為了吸引讀圖者的眼球，以便更加明顯、清晰的向使用者呈現不同的地物特征信息和屬性信息。
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