基于GIS三維可視化仿真技術(shù)的虛擬戰(zhàn)場地形研究 (1)

1、    基于GIS三維可視化仿真技術(shù)的虛擬戰(zhàn)場地形研究 (1)    論文首先討論了GIS的概念及相關(guān)技術(shù)，重點討論了基于GIS三維可視化仿真技術(shù)的虛擬戰(zhàn)場地形的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)過程。包括：基于GIS實現(xiàn)的原理，虛擬戰(zhàn)場地形的建模，可視化的操作和分析。并結(jié)合實例進行了說明。實驗結(jié)果表明用該方法開發(fā)的虛擬戰(zhàn)場三維地形環(huán)境仿真系統(tǒng)具有良好的用戶界面和形象逼真地動態(tài)地形顯示效果。關(guān)鍵詞 GIS技術(shù) 三維可視化 數(shù)字模型 虛擬戰(zhàn)場地形0 引言近年來，隨著GIS和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展，軍事演習(xí)和指揮決策在概念上有了新的飛

2、躍，通過建立虛擬作戰(zhàn)實驗室來進行軍事訓(xùn)練和研究。利用基于GIS三維動態(tài)可視化仿真技術(shù)，場景建模技術(shù)和圖形圖象處理技術(shù)，開發(fā)出關(guān)于某一特定的戰(zhàn)場地形區(qū)域的真實全面的虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境系統(tǒng)，使指揮人員有身臨其境的體驗。1 GIS及其可視化原理11 GIS簡介 地理信息系統(tǒng)（GIS）是一門地學(xué)空間數(shù)據(jù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的新型空間信息技術(shù)。它以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機軟硬件的支持下，對空間數(shù)據(jù)進行采集，管理，操作，分析和顯示，并采用地理模型分析法，適時提供多種空間和動態(tài)地理信息的計算機系統(tǒng)。近幾年來把GIS技術(shù)用到軍事上的戰(zhàn)場地形的研究已經(jīng)取得了不少的進步。 12 基于GIS的圖形表達GIS中的圖形以

3、矢量表示和存儲的。圖形的實質(zhì)就是空間點在三維平面的投影，可以分解為：點，線，面，體等幾種不同的圖形元素。因為矢量化圖形的各個部分可以用數(shù)學(xué)的方法加以描述，可以對其進行任意的變換，放大，縮小，旋轉(zhuǎn)，變形，移位，疊加等，并保持圖形的空間拓撲關(guān)系不變。而且矢量圖形的基本組成是點，線，面，體，可以進行單獨定義，控制，操作，分析，查詢圖形對象的空間信息及其相關(guān)的屬性信息。13 基于GIS的戰(zhàn)場地形信息的組織GIS將空間實體對象用空間數(shù)據(jù)和屬性來共同描述并分別存儲。前者描述實體的數(shù)據(jù)和拓撲關(guān)系等，后者描述實體的屬性和兩者的關(guān)聯(lián)標(biāo)識，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過內(nèi)部代碼和用戶標(biāo)識碼作為公共數(shù)據(jù)項連接起來，使得空間

4、對象的每個圖元與描述圖元的屬性一一對應(yīng)起來（如圖1）。利用GIS特有的混合空間數(shù)據(jù)組織形式為反映戰(zhàn)爭中復(fù)雜的地形環(huán)境提供了條件。戰(zhàn)場數(shù)字建模是把客觀存在的戰(zhàn)場地形環(huán)境實體在計算機中用真實的空間位置來表示，實現(xiàn)了地形空間實體與屬性數(shù)據(jù)一一對應(yīng)（如圖2）。2 三維虛擬戰(zhàn)場地形的可視化數(shù)字建模21 DEM地形數(shù)據(jù)的組織和表達地表數(shù)字地形模型（Digital Terrain model，即DTM）是虛擬戰(zhàn)場地形模型的重組成部分。三維地形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是構(gòu)造虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境的基礎(chǔ)，關(guān)鍵技術(shù)是DEM（數(shù)字高程模型）的表達。對DEM數(shù)據(jù)的組織較多的用不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Ne

5、twork，即TIN）模型或規(guī)則網(wǎng)格（GRID）模型（如圖3）。TIN模型是由分散的地形點按照一定的規(guī)則構(gòu)成的一系列不相交的三角形網(wǎng)組成，所表示的地形表面的真實程度由地形點的密度決定，并能充分表現(xiàn)高程細節(jié)的變化，適合于地形復(fù)雜的地區(qū)。TIN可以利用原始高程點重建地形表面，地形平坦的地方多邊形較少；復(fù)雜的地區(qū)多邊形較多，對地形的描述具有很好的合理性。GRID模型具有較小的存貯量和簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對復(fù)雜的戰(zhàn)場地形的建立一般用TIN。TIN的存貯采用文件集的形式，每個文件存貯網(wǎng)格的節(jié)點坐標(biāo)，高程坐標(biāo)，節(jié)點號，空間索引標(biāo)識，邊界，渲染和文件指針等信息。建立地形實體DTM一般由地形等高線原始數(shù)據(jù)按一定的

6、算法生成TIN。算法包括Delaunay三角形的分治算法，點插入法和三角網(wǎng)生長法。這些算法都遵循以下原則：a)TIN的唯一性。b)使每個三角形盡最大可能接近等邊三角形。c)三角形的邊長總和最小。 對初始的TIN，應(yīng)消除由于等高線數(shù)據(jù)過于密集或采集信息缺少而形成的細小的，狹長的三角形，來提高TIN的精度。根據(jù)GIS地形信息組織的基本原理，對TIN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織，采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，以Visual C 6.0 為開發(fā)語言，設(shè)計了CTinLine三個點的主成員。1 測量點類： Class CsurveyPoint: Public CObject.Float x, y, z; /點x ,y

7、 ,z的三維坐標(biāo)，由數(shù)字勘測系統(tǒng)外業(yè)獲取Int SvyPtID /點的ID號隱含屬性信息CsurvyPoint *Next; /單向鏈表，用于數(shù)據(jù)管理.操作函數(shù).2. 三角形邊類Class CtinLine: Public CObject.CsurvyPoint *P1, *P2; /指向三角形的兩端點int TinLineID; /三角形邊的ID號int left , right; /三角形的左右三角形號CtinLine *Next; /指向下一個節(jié)點索引的指針，形成單向鏈表.3. 三角形CTIN類Class CTin: Public CObject;.CsuryPoint *P1， *P2

8、， *P3；或CtinLine *TL1, *TL2, *TL3; /三角形三個點或三條邊的指針 int Tr1, Tr2, Tr3; /三角形三個相鄰的三角形的索引值Ctin *Next /下一個三角形的索引，形成單向鏈表.所開發(fā)三維地形仿真成圖系統(tǒng)建立的不同的TIN數(shù)目的地形平面模型圖（含高程值）如圖4 圖5所示。22 地形實體的數(shù)字建模用GIS的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)實現(xiàn)地形環(huán)境實體的數(shù)字建模。按照地形對象的屬性，可以將地形對象分為點，線，面，體四類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達。下面給出某山體地形環(huán)境的存貯結(jié)構(gòu)：Struct HillPart int Part_ID; /山體局部標(biāo)識char Part_Co

9、de; /山體局部編號Struct Body *BodyList; /山體局部數(shù)組Attributes_List /山體局部屬性列表    Struct Body int Body_ID; /體標(biāo)識int Part_ID; /包含該體的山體局部標(biāo)號char Patt_Code; /山體局部編號int Body_Type; /體構(gòu)造類型Struct Mesh *MeshList; /構(gòu)成體的面數(shù)組Attributes_List; /體屬性列表Sruct Mesh int Mesh_ID; /面標(biāo)識int Body_ID; /包含該面的體標(biāo)識char Par

10、t_Code; /山體局部編號int Mesh_Type; /面構(gòu)造類型Srucut Line *LineList; /構(gòu)成面的線數(shù)組Attributes_List; /面屬性列表Struct Line int Line_ID; /線標(biāo)識號int Mesh_ID; /包含該線的面標(biāo)識char Part_Code; /山體局部編號char Line_Type; /線構(gòu)造類型            摘 論文首先討論了GIS的概念及相關(guān)技術(shù)，重點討論了基于GIS三維可視化仿真技術(shù)的

11、虛擬戰(zhàn)場地形的關(guān)鍵技術(shù)和         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。Struct Point *PointList; /構(gòu)成線的點的有向數(shù)組AttributesList; /線屬性列表Srtuct Point int Point_ID; /點標(biāo)識號int Line_ID; /包含該點的線標(biāo)識char Part_Code; /山體局部編號double x; /

12、x, y, z double y; / 坐標(biāo)double z;AttributesList /點屬性列表 3 三維數(shù)字地形模型的可視化操作與分析31 三維數(shù)字地形的動態(tài)顯示為了達到逼真的顯示效果，在三維幾何模型上疊加實物影象數(shù)據(jù)。地形的紋理的構(gòu)造可由TIN模型中的三角形與山體的正射影象圖的掃描坐標(biāo)匹配，從而取得三角形內(nèi)影象的恢度值或RGB值，然后把數(shù)據(jù)疊加到TIN模型上，由此得到真實光照和表面紋理的顯示效果。為了提高三維地形模型的顯示速度和效果，以及為了降低紋理貼圖時，影響數(shù)據(jù)的量，使用視點相關(guān)的動態(tài)多分辨率紋理模型（View-dependent and Multi-resolution Te

13、xture Model）。距離觀察者遠近不同的區(qū)域其紋理分辨率不同，即影射的距離觀察者較遠的區(qū)域，其紋理具有較低的分辨率，相反具有較高的分辨率，這也符合視覺原理。（具體算法可參照文獻4）觀察者遠距離（在高空中）觀察看到的是粗略的地形；近距離觀察的是細微的地形。在虛擬的戰(zhàn)場地形環(huán)境中表現(xiàn)這一特點，實現(xiàn)地形的動態(tài)地近乎人性化的顯示用了一種叫做視相關(guān)的實時Lod地形模型的多分辨率顯示技術(shù)（View-dependent and real-time LoD model of Multi-resolution terrain Rendering）。 在距離視點較近時用較多的多邊形描述；較遠時用較少的多邊形

14、描述?？梢云胶鈭D形負載，符合場景的真實地表現(xiàn)的特點。（該技術(shù)的詳細介紹可參閱參考文獻5）32 可視化的三維數(shù)字地形查詢實現(xiàn)查詢的前提是數(shù)字模型的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)。問題是二維屏幕顯示的點和三維模型的實際點不是一一對應(yīng)的。這就必須用計算機圖形學(xué)的知識進行二維到三維的轉(zhuǎn)化。若屏幕捕獲到的點對應(yīng)著地形點的坐標(biāo)，到對應(yīng)的真實三維坐標(biāo)。 即 （其中為三維到二維投影的變換矩陣）。若鼠標(biāo)捕捉到對應(yīng)的屬性信息為山體的ID號。則由以下語句可實現(xiàn)山體屬性的查詢。Select ( *, * , from datebase , where ID="*")這樣就實現(xiàn)了數(shù)字地形的空間圖到屬性

15、的查詢。33 三維空間地形數(shù)據(jù)的分析主給出地形剖面繪制及空間距離量測的方法。由鼠標(biāo)在顯示的三維數(shù)字地形DTM上任取兩點由可視點判別法得到對應(yīng)的實際的地形的三維坐標(biāo),。 根據(jù)它們的平面位置和TIN模型存貯的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和所在的TIN模型的三角形編號，由起點和終點的三角形位置和連線，可以得到與該連線相交的三角形的編號，從而求得剖線與一系列三角形相交的點的三維坐標(biāo)把這些點兩兩相連構(gòu)成一條三維曲線。選取合適的比例尺可以繪制出 兩點的地形剖面圖。并由公式：計算出兩點的空間距離（沿地形面的兩點直線距離）。4 結(jié)束語把GIS的三維動態(tài)可視化技術(shù)引進到虛擬戰(zhàn)場地形環(huán)境中去，以數(shù)據(jù)的直觀可視 化為出發(fā)點來形象地描述戰(zhàn)場地形的特征，并能實現(xiàn)查詢 分析 功能，為全面準(zhǔn)確快速掌握戰(zhàn)場的實時地形信息，提供了有力的工具。 6參考文獻：1 鄔倫 劉瑜 馬修軍 韋中亞 田原，地理信息