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大规模地形真三维可视化系统设计和实现 　　摘要:对已有算法进行了综合及改进，对地形绘制中的四叉树剖分控制#65380;DEM分块#65380;纹理自动分块#65380;地形数据的数据库存储#65380;视见体剪裁#65380;误差控制#65380;裂缝拼接等方面进行了深入研究，提出了改进方法，并结合OpenGL立体显示技术，基于微机平台实现了一个简洁#65380;快速的大规模真三维立体地形实时绘制原型系统，达到了很好的效果。实验结果表明，该算法实现简单#65380;内存开销较少#65380;CPU耗费小，具有较低的时间#65380;空间开销，适于大规模地形的真三维实时可视化。 　　关键词:地形可视化;连续细节层次;真三维;实时漫游;视区剪裁 　　中图分类号:TP317.4文献标志码:A 　　文章编号:1001－3695(2008)02－0603－04 　　 　　0引言 　　 　　地形三维可视化技术近年来一直是相关领域的热点研究问题，在三维仿真和虚拟地理环境中占有十分重要的地位。随着遥感技术#65380;卫星技术的发展，获取高分辨率的数字高程数据以及影像纹理数据成为可能，也使地形高程数据和纹理数据异常庞大，超出了一般图形系统的实时渲染和内存管理能力，对地形的实时绘制也提出了更高的要求。因此地形三维可视化技术研究的关键问题就是三维地形模型的管理#65380;调度与实时渲染，以达到提高地形实时显示速度和最大程度提高视觉效果的最佳平衡。国内外在这方面进行了很多研究[1~11]。本文对前人算法进行了深入的研究和比较，提出了一种基于规则网格的#65380;视点相关(view－dependent)的连续LOD地形模型的生成和实时绘制算法。在此算法中，采用地形小块(block)来组织数据，建立了视参数(视点位置#65380;视线方向#65380;地形起伏程度等)相关的误差评价函数，实现了视点相关的连续LOD地形模型的实时生成与绘制，并针对地形LOD算法中的几个关键技术进行了改进，提出的绘制算法在PC上达到了很好的效果。该算法的主要特点包括:a)给出了影像纹理自动分块原则和方法，实现纹理的自动分块，而不是以往研究的手工分块;b)实现了基于Oracle OCI，解决了大规模地形数据(DEM和影像纹理)数据库存储和调度问题，保证了数据的安全性，而不是以往研究的文件管理方式;c)提出的简化扇形视见体剪裁方法，使视见体剪裁计算简单而快速;d)DEM子块单独构建LOD，块内分辨率任意，提出向左向下原则，简化了DEM子块间裂缝拼接方法;e)基于立体透视投影原理，实现了地形真三维(3.0维)可视化，而不是以往研究的伪三维(2.5维)。 　　 　　1基于四叉树动态多分辨率三维地形的实现 　　 　　1.1基于四叉树结构的地形LOD模型算法 　　基于四叉树结构的LOD模型构造算法实质是通过递归的方法对地形进行从顶向下的四叉树划分[9]。在划分过程中实时计算节点误差。如果该节点误差大于限定的阈值，则对该节点所在区域继续进行划分，直到所有节点的误差小于给定的阈值。基于四叉树结构的LOD算法数据结构如图1所示。 　　1.2地形数据的分块 　　目前的计算机内存容量仍然有限，大规模的地形数据不可能一次性地调入内存。为此，笔者提出了一种基于数据分块#65380;部分数据常驻内存#65380;块内分层简化的处理策略。其基本思想是:首先将研究区地形数据划分为大小相同的m行n列，每个子块边长为2n+1，命名为Row??iCol??j( i，j分别为该子块所在的行和列)，左下角为第0行第0列，对于最右侧和最上侧不满足大小相同要求的块，以无效数据(如-9 999)填充，如图2中的灰色线填充部分;然后对每一个数据分块按照四叉树结构进行组织，以二进制格式存储到数据库中。考虑到Intel的CPU内存页大小是4 KB，块的大小取33×33较好，这样在一定程度上提高了存储效率，降低了内存缺页的次数，同时数据调度也不会太频繁。 　　1.3影像纹理的自动分块 　　由于影像数据占用较大的存储空间，而且一般的计算机图形渲染设备限制了单次装载影像的大小，如目前的OpenGL渲染设备支持的单张影像的最大范围为2 048×2 048，而在实际多数情况下地形影像的范围远远大于这个限制数量的大小。需要对大范围的影像纹理进行分块处理，即在平面空间上将影像分割成一系列规则的影像块。 　　影像分块分为规则分块(一个影像块对应一个或多个DEM子块)和不规则分块(一个影像块并不对应整数个DEM子块)。在实际应用效率上，不规则分块将造成大量纹理数据冗余，而且在纹理影像块调度时计算繁琐，因此，这里采用规则分块中的一个影像块对应一个DEM子块，漫游时可立即确定所应调入的纹理影像块。 　　通