三维矢量数据在EV-Globe中的绘制方法

王海涛，刘海砚，孙广宇，韩 俊

（1.信息工程大学测绘学院，河南郑州 450052；2.61363部队，陕西西安，710054；3.65015部队，辽宁大连）

三维矢量数据在EV-Globe中的绘制方法

王海涛1，2，刘海砚1，孙广宇3，韩 俊1，2

（1.信息工程大学测绘学院，河南郑州 450052；2.61363部队，陕西西安，710054；3.65015部队，辽宁大连）

以 EV-Globe为基础三维平台，分析了三维栅格数据模型、三维矢量数据模型及混合型模型的优点和不足，设计了基于实体的数据模型，实现了矢量数据在三维环境中符号化显示、分类分级显示。该方法能够满足矢量数据在三维环境中的显示绘制要求。

三维栅格数据模型；三维矢量数据模型；基于实体的数据模型；符号化；分类分级显示

传统的二维GIS采用地图投影和地图符号表示现实的三维世界，不能给人以直观的视觉感受[1]。随着三维图形技术的发展，矢量数据在三维环境中的显示应用成为GIS新的发展方向。长期以来，广大学者对三维地形实时绘制技术进行了深入研究，但对矢量数据在三维地形上的绘制技术却研究较少[2]。本文以EVGlobe为基础三维平台，主要探讨矢量数据在三维环境中的显示绘制方法。EV-Globe是一款由中科院遥感所开发的三维空间信息服务平台，EV-Globe集成了最新的GIS和三维技术。本文主要包括矢量数据在三维GIS中的数据模型设计与构建，空间实体符号化定义与设计，及实体分类分级显示控制等问题。

1 数据模型设计与构建

数据模型通过描述空间实体及实体间的相互关系，实现对客观世界的抽象。空间数据模型为描述空间数据的组织和数据库模式设计提供了基本的方法。三维空间数据模型是关于三维空间数据组织的概念和方法，它反映了客观世界中三维实体之间的相互联系，对三维空间数据模型的研究程度决定着三维GIS系统发展和应用的成败[3]。目前，三维 GIS数据模型主要分为三大类：三维栅格数据模型、三维矢量数据模型和混合结构的三维模型。

1.1 三维栅格数据模型

该模型绘制矢量数据的基本思路是：首先进行预处理，将矢量数据进行栅格化，转化为栅格图像，然后采用绘制纹理的方法进行绘制。这种方法的优点在于：由于绘制的是栅格贴片，线要素和面要素可以定制符号，绘制效果较好。不足之处是：在进行矢量数据的分层多级显示时，需要生成每一层数据对应的栅格图像，对系统内存要求较高；其次，受生成的栅格图像分辨率限制，当显示大比例尺地形时，会出现走样现象[4]；第三，要素不能进行选中操作，不能完成实时点击查询。

1.2 三维矢量数据模型

该模型的基本思路是：根据矢量数据的点位信息与地形进行同步绘制。由于矢量数据相邻两点之间有一定的间隔，如果仅用数据中的顶点坐标进行绘制，则会出现要素穿越地面的情况，如图 1所示；要避免这种情况则需要进行内插，即在原有结点之间插入新结点，从而使数据与地形相匹配，如图 2所示。三维矢量数据模型的优点是：首先，绘制精度较高，显示大比例尺地行时，不会出现走样现象；其次，能够进行选中操作，实现要素的实时查询。不足之处是：第一，矢量数据的实时内插会降低显示的效率[5]；第二，线、面要素没有符号只能用单色绘制，显示效果较差。

图1 矢量数据内插前

图2矢量数据内插后

1.3 混合型数据模型

在实际应用中，一种模型往往不能解决所有的问题：如果单独使用矢量模型，则无法对线、面实体进行符号化；如果单独使用栅格模型，则无法表达空间实体的细节。从空间分析的角度来看，以上两种模型也是各有所长的。栅格模型对图层叠置分析、缓冲区分析等方面有其独到的优势，而在目标查询、对象的合并、交叉等分析方面，矢量模型又有着不可比拟的优势，因此在三维空间数据模型中同时使用两种模型是非常必要的[6]。混合型数据模型即是采用两种数据模型，理论上能够结合两种模型的优点，满足多种应用的需求，但不足之处是在实际中系统开发的难度较大。

综上所述，单一的三维数据模型还不能满足应用中的多种需求，同时在处理大量数据时的效率还有待提高。在同一地理区域内，通常分布有大量的空间实体，其跨度范围千差万别。实际应用中线、面实体都要进行符号化，同时需要进行实时点击查询用户当前感兴趣的实体，所以本文提出了基于实体的数据模型。

1.4 基于实体的数据模型

基于实体的数据模型（简称为实体模型）是以实体为最小的数据单元进行数据组织。实体模型绘制矢量数据的基本思路是：首先进行预处理，将矢量数据转化为栅格图像，采用三维栅格数据模型的方法对空间实体进行符号化；与此同时，采用矢量数据模型对空间实体进行点击查询。即当比例尺较小时，采用栅格图像对空间实体进行符号化显示；当比例尺较大或对空间实体进行查询时，用矢量数据进行显示。模型的结构如图3所示。

图3 实体模型结构图

实体模型同时拥有栅格模型和矢量模型的优点，能够实现空间实体的符号化显示和各种空间分析。从本质上讲实体模型是混合型模型的一种，实现的关键是如何提高绘制的效率。

为了提高绘制的效率，本文采用了要素合并的方法，基本思路是:在创建渲染对象时，将同一类线实体、面实体的所有实体合并为一个要素实体，统一创建一个渲染对象。例如所有的“公路段（线要素）”为一个实体，所有的“海湾（面要素）”为一个实体。这样系统的渲染次数会大幅降低，效率会大幅提高。

要素合并的关键在于三维空间数据结构。根据要素合并的思路，本文设计了对应的矢量数据结构，其中主要的多线、多面结构简述如下：

2 符号化控制技术及实现

由于维数的增加以及在虚拟现实表达应用的动态性、交互性等特性，使得三维符号相对于二维地图符号的参数描述略有差异，主要包括形状、尺寸、色彩、亮度、纹理、空间造型等 6个方面的参量[7]。三维地图符号需要在借鉴二维地图符号基础上进行修改以达到在三维环境中的应用需求。

本文采用EV-Globe中的SuperMap风格库，基本步骤如下：

首先，在EV-Globe客户端中将风格库设置为Super-Map；

然后，参考二维地图符号，针对各种要素选择其对应的线、面风格（即符号）；选择过程中对线型、填充样式、透明度等进行编辑修改，使选择的风格符号在形状、尺寸、色彩、亮度、纹理、空间造型等方面较为合适；

第三步，整理EV-Globe的控制文件world.cfg文件中“ShapeFile管理”结点下的各要素的符号控制结点，创建要素符号化控制表。为便于数据的读取及交换，控制表的格式设置为“*.xm l”格式。

第四步，解析符号化控制表，实现实体的符号化显示控制。流程如图4所示。

图4 符号化控制流程图

3 分类分级显示技术及实现

分类分级显示技术即LOD——细节层次技术。其基本思想是：建立地表模型时应充分考虑人的视觉特点，当视点较低比例尺较大时，采用精细的分辨率较高的模型；反之，采用较为粗糙分辨率较低的模型[8]。在实际应用中，通常在视点较高时显示范围跨度较大的实体类型，如国家、海洋等；当视点较低时则显示范围跨度较小的实体类型，如城市、道路等。

在本文中，采用的是影像同步显示法，即将实体的显示级别与影像的显示级别相对应，从而实现要素的分类分级显示。其步骤如下：

首先，设置要素的最大、最小显示级别。设置符号化控制文件中要素的“MaxRenderLevel”、“M inRenderLevel”结点的属性，其取值范围是-4到18之间的整数，即对应着-4到18级的影像。每个级别的影像均对应用着一定范围的视点高度（比例尺）。例如：2级影像对应的视点高度为212Km到106Km等；

其次，建立所有要素LOD控制对象。在该对象中判断当前摄像机的视点高度，根据视点高度判断对应的影像级别；

第三步，查找要素符号化控制表中各类要素的最大、最小显示级别，如果当前影像显示级别在其范围内，则设置要素为可见；否则设置为不可见；

第四步，将要素LOD对象加入到渲染列表中，使要素的是否可见属性能够实时随视口刷新，从而实现要素的分类分级显示控制。流程如图所示。

图5 分类分级显示流程图

4 系统实验及分析

本文以 EV-Globe为基础平台，对“公路”、“河流”、“国家级行政区”、“省级行政区”（其中公路、河流为线状要素，国家、省级行政区为面状要素）四种要素进行了试验。如图6为四种要素符号化效果图，图中要素符号的透明度均为50%，视点高度为132Km。当比例尺不断放大，摄像机的视点高度小于53Km时，“国家级行政区”即不可见，如图7所示；如果继续放大，当视点高度小于27 Km时，省级行政区也变为不可见。图8为要素的实时点击查询效果图。

实验表明，基于实体模型的矢量数据绘制方法能够高效精确地对线状要素、面状要素进行符号化绘制。与基于三维栅格数据模型的绘制方法相比，能够实现要素的实时点击查询，满足了用户的查询需求；与基于三维矢量数据模型的绘制方法相比，能够实现要素的符号化显示，提高了显示的效果。

图6 符号化效果图（视点高度132Km）

图8 实时点击查询效果

5结 语

本文以EV-Globe为基础三维信息平台，以Visual Studio 2008 C#为开发工具，实现了矢量数据在三维环境中的符号化显示、分类分级显示以各类要素的实时点击查询。限于篇幅，具体的实现细节在文中没有赘述。本文提到的相关内容，会在后续的研发工作中进一步的完善。

[1] 熊书敏，郑坤，吴信才.基于实体模型的三维GIS矢量数据管理[J].地理信息世界，2006，4(1)：18-20

[2] 刘昭华，杨靖宇，戴晨光.矢量数据在三维场景中的绘制[J].金属矿山，2008(6)：94-96

[3] 郑坤，刘修国，吴信才，等.顾及拓扑面向实体的三维矢量数据模型[J].吉林大学学报(地球科学版)，2006，36（3）：474-479

[5] Dollner J．Baumam1K．Texturing Techniques for Terrain Visualization[A].Proceedings IEEEVisualization．2000：1-5

[5] ZacharyWartell，Eunjung Kang，TonyWasilewshi，etal．Rendering Vector Data over Global Multi-Resolution 3D Terrain[A]．Joint Eurographies-IEEE FCVGSysmposium oil Visulization．2003：213-222.

[6] 谭仁春.GIS中三维空间数据模型的集成与应用[J].测绘工程，2005，14(1)：63-66

[7] 徐智勇，艾廷华，危拥军，等.三维地图符号视觉参量研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2006，31（6）：557-560

[8] 胡志蕊，祝国瑞，徐智勇.LOD技术与制图综合在多尺度地图适时显示中的应用研究[J].测绘科学，2006，31（5）：78-80

Rendering Method Over3D Vector Data in EV-Globe

by WANGHaitao

The paper,which based on the3D plat roof of EV-Globe,annlysed advantages and disadvantages of 3D vector-data,raster-data and mixsed modals,realized symbolization and LOD display of vectordata in3DGIS.The method satidtied the rendering resquest of vector data in 3DGIS.

3D vector datamodal,3D vector datamodal,modal based on feature, symbolization,LOD （Page:106）

P208

B

1672-4623(2011)02-0106-03

2010-10-15

项目来源：国家863计划资助项目（2007AA12Z206）；国家自然科学基金资助项目（41071297）。

王海涛，博士，主要研究领域是GIS应用开发和数字制图技术。