三維地形模擬與可視化課件

1、第七章 三維地形模型及其可視化 三維地形模型的應(yīng)用？ 三維地形的表達(dá)？第七章 三維地形模型及其可視化 三維地形模型的應(yīng)用？ 第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維第七章 三維地形模型

2、與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維景觀模擬景觀模擬選擇線路選擇線路工程選址工程選址三峽大壩規(guī)劃工程規(guī)劃三峽大壩規(guī)劃工程規(guī)劃防災(zāi)賑災(zāi)防災(zāi)賑災(zāi)工程施工工程施工土地利用規(guī)劃土地利用規(guī)劃三維地形顯示的基本步

3、驟（1）數(shù)字高程模型生成和細(xì)分（2）確定光照角度、觀察角度、色彩構(gòu)成等輔助數(shù)據(jù)（3）投影變換，將要顯示的內(nèi)容投影到觀察面上（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(shí)現(xiàn)光照處理，使顯示的三維地形具有明暗效果（6）確定繪圖顏色，進(jìn)行圖形的繪制三維地形顯示的基本步驟（1）數(shù)字高程模型生成和細(xì)分第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8

4、 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.1 地形的表達(dá) 三維地形模擬與可視化第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為

5、GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.2 DTM與DEM1956年，Chairs.L.Miller 教授提出數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM ）：利用坐標(biāo)場(chǎng)中大量已知的X、Y、Z的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面的統(tǒng)計(jì)表示。其他相關(guān)術(shù)語：DHM，DGM，DTEM，DEM定義：Kp=fK（xp,yp），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。DTM是GIS軟件的重要組成模塊。包括：數(shù)據(jù)獲取、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、管理、處理、建模、應(yīng)用等。與傳統(tǒng)地形圖比，DTM的特點(diǎn)：精確、形象、直觀、生動(dòng)、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化等等。常用的

6、DTM：GRID，TIN。7.2.2 DTM與DEM1956年，Chairs.L.Mi7.2.2 DTM與DEM數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是DTM的一個(gè)子集。核心思想：描述地面特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)及對(duì)其操作的一系列算法。7.2.2 DTM與DEM數(shù)字高程模型（Digital El第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.

7、2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.3 DTM的測(cè)制過程基本原理：從離散數(shù)據(jù)構(gòu)造出相互聯(lián)接的格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以此作為地形的數(shù)字模型基礎(chǔ)。具體：（1）測(cè)出控制點(diǎn)與特征點(diǎn)（2）以控制點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)框架，在其中內(nèi)插高程點(diǎn)。（3）以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法來構(gòu)建DTM7.2.3 DTM的測(cè)制過程基本原理：從離散數(shù)據(jù)構(gòu)造出相互聯(lián)第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 D

8、TM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取DTM數(shù)據(jù)獲?。壕褪翘崛〔y(cè)定地形的特征點(diǎn)，即將連續(xù)的地形表面轉(zhuǎn)化成一個(gè)以一定數(shù)量的離散點(diǎn)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。（2）從攝影測(cè)量立體模型上采取。（3）野外實(shí)地測(cè)量。（4）由遙感系統(tǒng)直接測(cè)得。如航空和航天飛行器搭載雷達(dá)和激光測(cè)高儀

9、獲得的數(shù)據(jù)。7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取DTM數(shù)據(jù)獲?。壕褪翘崛〔y(cè)定地第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.5 DTM的應(yīng)用繪制等高線、坡度圖、坡向圖、立體透視圖、立體景觀

10、圖、制作正射影象圖、立體匹配等。作為國(guó)家基礎(chǔ)地理信息土木、景觀建筑與礦山工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)軍事目的土地現(xiàn)狀分析、城市規(guī)劃交通線路規(guī)劃流域、地貌分析三維顯示輔助遙感解譯虛擬現(xiàn)實(shí)等7.2.5 DTM的應(yīng)用繪制等高線、坡度圖、坡向圖、立體透視第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRI

11、D7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.6 DTM的建模通用多項(xiàng)式函數(shù)基于格網(wǎng)基于三角形混合表面7.2.6 DTM的建模通用多項(xiàng)式函數(shù)規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)GRID簡(jiǎn)介規(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。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，適合于大規(guī)模使用與管理，容易用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。容易進(jìn)行某些地學(xué)分析與計(jì)算不能精確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)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；在不改變格網(wǎng)大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變現(xiàn)象；GRID簡(jiǎn)介規(guī)則網(wǎng)格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)不規(guī)則格網(wǎng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則格

12、網(wǎng)結(jié)構(gòu)TIN的簡(jiǎn)介生成三角網(wǎng)，再加三維信息既可應(yīng)用于規(guī)則分布數(shù)據(jù)，也可應(yīng)用于不規(guī)則分布數(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(shí)間更精確地表示更加復(fù)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)表面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與操作復(fù)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更適合于地形顯示，采樣數(shù)據(jù)少時(shí)，TIN的質(zhì)量明顯好于GRID，采樣密度增加時(shí)，二者差別越來越小。TIN的簡(jiǎn)介生成三角網(wǎng)，再加三維信息第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7

13、.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.7 TIN的生成算法TIN模型要求：惟一性、力求最佳的三角形形狀、由最臨近點(diǎn)構(gòu)成Delaunay三角網(wǎng)：相互鄰接互不重疊，遵循空?qǐng)A法則。Voronoi多邊形： Delaunay三角網(wǎng)的對(duì)偶。泰森多邊形（Thissen）、Dirichlet圖7.2.7 TIN的生成算法TIN模型要求：惟一性、力求最佳邊

14、擴(kuò)展法：空?qǐng)A法則、張角最大準(zhǔn)則、最近距離擴(kuò)展、最小邊長(zhǎng)和擴(kuò)展。數(shù)據(jù)點(diǎn)漸次插入法（動(dòng)態(tài)插入算法）：依據(jù)：局部?jī)?yōu)化的最大化最小角原則，LOP方法：交換凸多邊形的對(duì)角線分而治之的思想（分治算法）：帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)：7.2.7 TIN的生成算法邊擴(kuò)展法：空?qǐng)A法則、張角最大準(zhǔn)則、最近距離擴(kuò)展、最小邊長(zhǎng)和擴(kuò)三角形生長(zhǎng)算法（邊擴(kuò)展）（1）在數(shù)據(jù)中任意取一點(diǎn)，查找距離此點(diǎn)最近的點(diǎn)，相連后作為初始基線；（2）沿基線的固定一側(cè)搜尋第三點(diǎn),生成Delaunay三角形;（3）以三角形的兩條新邊，作為新的基線；（4）重復(fù)（2）、（3）直至所有基線處理完畢。三角形生長(zhǎng)算法（邊擴(kuò)展）（1）在數(shù)據(jù)中任意取一

15、點(diǎn)，查找距離此數(shù)據(jù)點(diǎn)逐次（動(dòng)態(tài)）插入算法（2）從數(shù)據(jù)中取一點(diǎn)P加入到三角網(wǎng)中；（3）搜尋包含點(diǎn)P的三角形，將P與此三角形三個(gè)頂點(diǎn)相連，形成三個(gè)三角形；（4）應(yīng)用Lawson LOP從里到外更新所有生成的三角形；（5）重復(fù)（1）、（2）、（3）直至所有點(diǎn)處理完畢；（1）定義一個(gè)超三角形，使該三角形能包含所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，并把該三角形并作為初始Delaunay 三角形；（6）刪除所有包含一個(gè)或多個(gè)超三角形頂點(diǎn)的三角 形；數(shù)據(jù)點(diǎn)逐次（動(dòng)態(tài)）插入算法（2）從數(shù)據(jù)中取一點(diǎn)P加入到三角網(wǎng)2134213421342134(a)(b)(c)(d)2134213421342134(a)(b)(c)(d)2134(e)

16、2134(e)p向Delaunay三角網(wǎng)中插入新點(diǎn) p向Delaunay三角網(wǎng)中插入新點(diǎn) 約束三角網(wǎng)構(gòu)造示意圖約束三角網(wǎng)構(gòu)造示意圖帶約束的Delaunay三角網(wǎng)在能互相通視的頂點(diǎn)集合中，符合空?qǐng)A法則，此三角形是一個(gè)帶約束的Delaunay三角形。帶約束條件的Delaunay三角網(wǎng)的動(dòng)態(tài)更新原則：在滿足約束條件下，相鄰兩三角形組成的四邊形的最佳對(duì)角線才被選取。也就是滿足通視條件。帶約束的Delaunay三角網(wǎng)在能互相通視的頂點(diǎn)集合中，符合邊擴(kuò)展生成帶約束的三角網(wǎng)在邊擴(kuò)展中考慮通視條件利用邊界局部構(gòu)網(wǎng)邊擴(kuò)展生成帶約束的三角網(wǎng)在邊擴(kuò)展中考慮通視條件bcap向含約束線段的Delaunay三角網(wǎng)中插入新

17、點(diǎn) bcap向含約束線段的Delaunay三角網(wǎng)中插入新點(diǎn) pab向含約束線段的Delaunay三角網(wǎng)中插入新點(diǎn) pab向含約束線段的Delaunay三角網(wǎng)中插入新點(diǎn) 第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1

18、真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織123456e1e2e3e4e5e6e7e8e10e912345參見：圖7-4 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織123456e1e2e3e4e5第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維

19、地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì)區(qū)域中N個(gè)離散點(diǎn)符合歐拉定理邊數(shù)最多為3N-6三角形個(gè)數(shù)最多為2N-57.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì)區(qū)域中N個(gè)離散點(diǎn)第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維可視化7.2 DTM 7.2.1 地形的表達(dá) 7.2.2 DTM與DEM 7.2.3 DTM的測(cè)制過程 7.2.4 DTM的數(shù)據(jù)獲取 7.2.5 DTM的應(yīng)用 7.2.6 DTM的建模 7.2.7 TIN的生成算法 7.2.8 TIN的數(shù)據(jù)組織 7.2.9 TIN的拓?fù)湫再|(zhì) 7.2.10 TIN轉(zhuǎn)換為GRID7.3 TIN等高線的追蹤第七章 三維地形模型與可視化7.1 真實(shí)感圖形技術(shù)與地形三維7.2.11 TIN轉(zhuǎn)換為GRID線性插值最近鄰插值多項(xiàng)式