基于EPS和VRML技术的水利三维地形生成的研究

杨 波,王文进,马 斌

(西安理工大学,陕西 西安 710048)

0 前 言

景观可视化是20世纪70年代末提出并得到迅速发展的一门新兴技术[1],在国外发达国家,景观可视化已经在各行各业得到广泛应用。我国长期以来对景观的可视化没有引起足够的重视,特别是在地形复杂的水利水电工程三维地形景观的发展上应用更少。目前国内三维地形真实景观大部分都是从已有的各种分辨率DEM中直接获取或是通过高分辨率遥感影像的立体像对产生[2],而对于局部已测离散点如何生成地形景观图研究甚少,本文正是针对这样的问题,基于EPS和VR ML技术来讨论如何用局部离散点生成常用二维等高线地形图以及实现三维水利工程地形景观的可视化。从而实现了水利地形景观图的动态性、交互性,给设计者提供一个全方位视角的观察。

1 DEM的建立

1.1 DEM的数据结构

DEM数字高程模型(Digital Elevation Model,缩写DEM)常用的数据结构是格网结构,分为规则格网和不规则格网[3,4]。规则格网是将离散测点数据,用插值法内插出规则格网的结点坐标,每个结点的坐标有规律地存放在DEM中;不规则格网是以原始数据的坐标位置作为格网的结点,组成不规则格网。本文将采用规则格网来建立DEM。

1.2 利用EPS建立DEM

首先打开EPS(清华山维Snuway survey EPS),下面以八泉峡水利枢纽坝址段局部离散数据为例来说明如何建立等高线地形图以及构建DEM格网。把野外采集测点数据整理后的已知数据保存到TXT文件中,数据格式为:(A1,X,Y,Z)(其中A1代表点号,X,Y,Z分别代表三维坐标)。然后打开数据转换软件,把数据转换成COR格式文件,保存。用EPS调入COR格式数据,把能够表示出真实的地形特征线信息,如山脊线、山谷线、变坡线、陡坎、竣工边坡线等,在建模时,将这些特征线作为三角形的边,这样才能构建正确的DEM。使用EPS中的地模菜单,选择建立三角网,然后把三角网导入库,建立完毕后就能自动生成等高线,在此基础上选择地模菜单中的建立DEM命令,同时还可以对格网进行编辑和删除,从而可以轻松建立正确DEM格网。如图1和图2。

图1 EPS生成的DTM格网

图2 EPS生成的地形图及划分的DEM格网

1.3 DEM的数据提取

在ArcInfo中先将DEM打开,利用Conversion将DEM转换成ASCII形式,TIN数据先转换成 DEM数据,再转换成ASCII。转换成ASCII的目的在于提取Grid数据中的高程信息,分辨率,数据行列数,数据左上角的X,Y值。转换完成的ASCII文件是一个TXT文本[5]。

2 VRML的ElevationGrid节点介绍

VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言。最新版本VRML2.0(ISO/IEC 14772-1:1997)新增加了一个专门提供用高程值的格网DEM数据的区域建立地形表面的节点——ElevationGrid节点[6,7]。ElevationGrid节点表示局部座标系统中在Y=0平面上一个均匀的格状矩形,可以改变其y方向的高度。由一个矩阵描述曲面各个格点在 y方向的高度值来定义这个几何形状。xDimension和zDimension域表示格点的height矩阵在X及Z方向的元素个数。xDimension和zDimension都应大于或等于 0。如果 xDimension或zDimension中有任何一个值的个数少于2,ElevationGrid中将不包含任何四边形。

基于GeoVRML数字地形生成的基本思想:X3D的数字地形的生成方法主要有两种:一种是基于等值线的数字地形的生成;一种是基于Grid数据的数字地形的生成。关于Grid数据生成Geo VRML地形的基本思想是利用Geo VRML中提供的节点Elevation与Grid数据提供的信息相匹配,这样便可生成数字地形。Elevation节点与Grid数据信息匹配条件[7,8]如表1。

3 VRML文件的设计

3.1 文件头

VRML2.0文件头在程序文件的首行,它的格式为:VRML V2.0 utf8[8,9]。它告诉浏览器该文件为VR ML文件,符合VRML2.0版本规范,使用UTF-8字符集。

表1 Elevation节点与Grid数据信息匹配的条件

3.2 光照设置

VRML支持3种类型的光源,每一种均模仿现实世界中光照的特性:点光源、平行光源和聚光光源。在现实世界中,太阳基本上是一个平行光源。地形景观表示的是一个较大区域范围的地表形态。在地形景观环境中,设置一个平行光源,符合虚拟现实世界的真实性。

3.3 地形曲面造型、定位

Transform节点编组可以创建相对于以原点为中心的根坐标系的新坐标系,以通过坐标的平移和旋转将造型和造型组放置在空间的任何地方。对地形曲面造型而言,Transform节点中的translation域建立了新旧坐标系之间的平移关系。Children域的值指定在组中包含的子节点列表。典型的children域值包括shape节点和其它Group节点。Shape节点用于创建境界中可绘制出来的对象。所有的VRML造型均使用shape节点创建。

Shape节点语法为:

shape节点有两个域:外观域appearance和几何域geome-tre。Appearance域包含一个Appearance(外观)节点,它指定几何体的视觉属性(如材质和纹理)。Geometry域包含了一个几何节点,此几何节点用指定的外观节点绘制。本文的地形景观使用前面介绍的格网高程ElevationGrid节点绘制。

4 地形景观图VRML文件的生成

下面给出八泉峡水利枢纽坝址段局部地形图的VRML实现文件。地图比例尺为1∶2000,本例由采集的高程点插值建立的格网DEM数据中,设计的格网数为35×46,每格网尺寸为5m×5 m。

三维可视地形图的VR ML实现文件如下:

图3 三维地形实体上游通视效果图

5 应 用

(1)可以对地形表面一定区域的表面积和方量进行计算。计算面积时将由EPS生成的每个格网当作一个平面,计算出每个格网的表面积,然后累加即可。方量计算利用面积乘以格网的高程即可。需要注意的是在确定需要计算的表面积的区域时,要判断格网是否包含在此区域范围内。为水利施工组织的研究和设计(如:施工辅助设施占地面积,基坑的开挖土石方等)提供了可视化的条件。

(2)可以做出任意地形处的断面图,特别是对典型断面的分析具有重要意义,只要确定出中心轴线(如:坝轴线处的地形断面),就可以作出相应断面图。对于水利工程地形分析、设计以及水利工程管理提供了可视化条件。

(3)VRML面向的目标是三维动态的现实世界,同时与Web插件相结合,提供了丰富的交互功能和WWW 功能,而

图4 三维地形实体俯视效果图

此生成文件具有通用性,可嵌入任一3维地形景观的VRML生成系统中,用户只需按要求输入高程值的格网DEM数据,由该模板即可生成相应的三维地形景观。需要说明的是:格网划分的详细程度决定了反映实际地形的粗细,而且要对格网进行删除和整理,把不需要的进行删除。效果如图3和图4。且从空间认知的角度上可以促进用户的探索兴趣,因此提高了空间信息的传输效率以及网络化的全球信息共享性,也增加了为决策支持服务的潜力。由于VRML在创作概念上是一种“组装”的方式,在应用上是一种“感应”的交互方式,与传统地图设计和应用具有显著的不同,因此这不仅提高了空间目标的重用性和工作效率,而且有可能促使地图设计概念发生根本的变化。

6 结 语

本文在分析当前景观可视化发展的前提下,针对我国对景观地形可视化研究的不足,特别是地形复杂的水利工程三维景观可视化研究欠缺等问题,结合EPS介绍了如何利用局部离散测点生成水利工程常用的等高线地形图以及建立DEM格网方法,同时对DEM数据提取步骤的关键技术进行了分析和说明。

在此基础上总结出来一套通用的利用VRML的ElevationGrid节点结合DEM数据生成三维可视的水利地形景观图的方法。此景观图生成文件具有通用性、交互性等功能,同时可以进行水利工程施工的土方开挖、回填计算、典型断面分析等的可视化、动态化的计算与分析。为水利工程的研究和设计提供了一种新的方法和手段。

[1]丁圣彦,卢训令,秦 奋.景观可视化的研究进展[J].河南大学学报(自然科学版),2005,35(4):62-67.

[2]涂 超.基于位图的大规模地形景观生成技术研究[J].郑州大学学报(工学版),2003,24(1):70-72.

[3]唐泽圣,等.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1998:30-186.

[4]阳化冰,等.虚拟现实构造语言VRML[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000:13-153.

[5]何 娟,陈 立,黄荣敏,王 鑫.DWG图形文件直接生成DEM的方法和实现[J].计算机应用研究,2007,24(5):295-297.

[6]王德新,魏 东,黄有群.在VRML文件中实现对数据库信息的访问[J].沈阳工业大学学报,2002,24(5):417-420.

[7]OGAO P J.Visualisation of 3D Spatial Data Using Virtual Reality Modelling Language(VRML)[M].Amstedam:ITC Publication,1997:3-51.

[8]汪兴谦,谢伟军,蒋长泉,等.VRML实例教学系列[M].北京:中国水利水电出版社,2005:10-105.

[9]陈 华,陈福民.基于VRML的虚拟场景的设计与实现[J].计算机工程与应用,2002.38(6):127-129.