一種基于面向?qū)ο蠛蚔RML的地理實(shí)體三維建模方法

陳俊任，李景文，傅毓，蘇子雍

(1.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林理工大學(xué))，廣西桂林 541004； 3.武警廣西總隊(duì)，廣西南寧 530022)

一種基于面向?qū)ο蠛蚔RML的地理實(shí)體三維建模方法

陳俊任1，2?，李景文1，2，傅毓1，2，蘇子雍3

(1.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(桂林理工大學(xué))，廣西桂林 541004； 3.武警廣西總隊(duì)，廣西南寧 530022)

在分析現(xiàn)有三維空間對(duì)象的幾何表示方法和面向?qū)ο蠓椒ǖ幕A(chǔ)上，從三維空間的角度去理解和表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中的地物、地理現(xiàn)象及其空間關(guān)系。提出一種基于面向?qū)ο蠛蚔RML的地理實(shí)體三維建模方法，以三維建筑物模型構(gòu)建為例的驗(yàn)證結(jié)果顯示，該方法可以快速地進(jìn)行三維重建，為不規(guī)則、非對(duì)稱性地理實(shí)體三維建模及地理實(shí)體的面向?qū)ο笕S可視化的實(shí)現(xiàn)提供了新方法和新思路。

面向?qū)ο螅籚RML；地理實(shí)體；三維建模

1 引 言

世界的本身是在三維空間中存在的，目前2DGIS在描述真三維實(shí)體存在局限性，如何完整地描述三維地理現(xiàn)象再現(xiàn)三維世界，其中涉及的一個(gè)核心問(wèn)題是如何進(jìn)行三維空間對(duì)象的幾何表示[1]。近年來(lái)眾多學(xué)者研究了結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何CSG、邊界表示法BR、八叉樹(shù)、四面體格網(wǎng)以及八叉樹(shù)和不規(guī)則四面體等混合數(shù)據(jù)模型來(lái)表示三維空間實(shí)體[2，3]。然而，現(xiàn)有的三維建模很少對(duì)地理實(shí)體進(jìn)行描述和表達(dá)。地理實(shí)體是為了表達(dá)三維地理世界而抽象出來(lái)一個(gè)具有相對(duì)意義的概念[4]，其抽象程度根據(jù)實(shí)際描述和表達(dá)地理事物特征屬性的需要而定，通常地理實(shí)體分為點(diǎn)狀實(shí)體、線狀實(shí)體、面狀實(shí)體和體狀實(shí)體，復(fù)雜的地理實(shí)體由這些類型的實(shí)體構(gòu)成。文中針對(duì)這些實(shí)體建模的特點(diǎn)，結(jié)合軟件的實(shí)用性及可擴(kuò)展性提出了一種基于面向?qū)ο蠛蚔RML的三維建模方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地理實(shí)體三維建模和可視化仿真。

2 基于面向?qū)ο蠛蚔RML的三維建模思想

2.1 面向?qū)ο?/p>

面向?qū)ο?Object-Oriented)方法不僅是一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)，而且是一種全新的設(shè)計(jì)與構(gòu)造系統(tǒng)的思想和方法[5]。它是以對(duì)象為中心的軟件開(kāi)發(fā)方法，具有高度的抽象性、完整的封裝性、繼承性和多態(tài)性，可以很好地描述現(xiàn)實(shí)世界。

現(xiàn)實(shí)地理世界中，地理空間信息是對(duì)地理實(shí)體的具體描述和表達(dá)，地理實(shí)體是地理空間中獨(dú)立的、具有完整地理意義的最小邏輯單元。在地理實(shí)體三維建模中，可以利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)將任何一個(gè)三維實(shí)體抽象為一個(gè)點(diǎn)對(duì)象、線對(duì)象、面對(duì)象、體對(duì)象以及組合對(duì)象，其抽象表達(dá)如圖1所示。這個(gè)對(duì)象封裝了構(gòu)成地理實(shí)體的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的操作等，對(duì)象之間通過(guò)對(duì)象標(biāo)識(shí)建立起聯(lián)系，每個(gè)對(duì)象都具有自己的屬性和任務(wù)，一旦獲取了一個(gè)對(duì)象，那么就獲得了與此對(duì)象相對(duì)應(yīng)地理實(shí)體的全部信息。將三維可視化看做是一些相互作用的對(duì)象組成的集合，集合中的對(duì)象根據(jù)收到的消息來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

圖1 地理實(shí)體的抽象表達(dá)過(guò)程

2.2 VRML

VRML是一種建立真實(shí)世界模型或虛構(gòu)三維世界的場(chǎng)景建模語(yǔ)言，定義了一種把3D圖形和多媒體集成在一起的文件格式，允許描述一個(gè)現(xiàn)有的或者想象的地理事物，并把它放入虛擬的三維環(huán)境中，同時(shí)也是一個(gè)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，其他技術(shù)可以引用VRML或者成為VRML的一部分[6]。VRML語(yǔ)法結(jié)構(gòu)化、層次化，利用VRML三維交互建模算法不僅可以靈活高效地創(chuàng)建三維模型，而且可以控制三維場(chǎng)景的布置、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)編輯等，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)，VRML工作方式如圖2所示。

圖2 VRML的工作方式

3 基于面向?qū)ο蠛蚔RML的地理實(shí)體三維模型構(gòu)建

基于面向?qū)ο蠛蚔RML的地理實(shí)體三維模型是以面向?qū)ο蠛蚔RML建模方法為基礎(chǔ)，將復(fù)雜的地理實(shí)體抽象分解成若干簡(jiǎn)單的子對(duì)象，然后根據(jù)點(diǎn)→點(diǎn)集→線→線集→面→面集的思路，再分別建立各個(gè)子對(duì)象模型，最后把這些簡(jiǎn)單對(duì)象子模型按一定的關(guān)系連接起來(lái)就可以得到整個(gè)地理實(shí)體的復(fù)雜三維模型。

3.1 基于面向?qū)ο蠛蚔RML地理實(shí)體的聯(lián)合表達(dá)

VRML把場(chǎng)景中的物體看成對(duì)象，主要包括節(jié)點(diǎn)、域值、事件、路由、原型以及腳本等要素，其中節(jié)點(diǎn)是對(duì)客觀世界中各種事物、對(duì)象、概念的抽象描述[6]。面向?qū)ο笾饕婕暗囊赜蓄悺?duì)象、消息、接口、屬性等概念，而VRML具有面向?qū)ο蟮奶卣骱蛯哟谓Y(jié)構(gòu)，可以很好地與面向?qū)ο笳Z(yǔ)言相對(duì)應(yīng)[7，8]:VRML節(jié)點(diǎn)/造型對(duì)應(yīng)面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中的對(duì)象、VRML原型對(duì)應(yīng)類、VRML域?qū)?yīng)屬性、VRML出事件與入事件對(duì)應(yīng)消息、VRML路由對(duì)應(yīng)消息的傳遞、VRML腳本對(duì)應(yīng)接口。因此，結(jié)合具體應(yīng)用，考慮模型的通用性、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，各類地理實(shí)體可以通過(guò)面向?qū)ο蠹夹g(shù)和VRML聯(lián)合表達(dá)，其關(guān)系如圖3所示。

3.2 規(guī)則地理幾何實(shí)體基礎(chǔ)類的構(gòu)建方法

地理實(shí)體三維模型由多個(gè)子模型集合而成，每個(gè)子模型是由多個(gè)實(shí)體構(gòu)成，而每個(gè)物體則由若干基本三維幾何體有機(jī)構(gòu)成。VRML中提供多種規(guī)則幾何體結(jié)構(gòu)的造型[6]，包括長(zhǎng)方體、圓柱體、圓錐體、球體等幾何體結(jié)構(gòu)，這些規(guī)則幾何體是構(gòu)建復(fù)雜的三維空間實(shí)體的基礎(chǔ)和前提。為了對(duì)這些不同的幾何形體進(jìn)行統(tǒng)

圖3 地理實(shí)體的聯(lián)合表達(dá)

一的分析與保存，類的設(shè)計(jì)如下:建立基類C3DFigure，添加純虛函數(shù)Parse()和glDraw()，分別用于語(yǔ)法分析和三維顯示，然后創(chuàng)建此類的派生類CBox、CCone、CCylinder、CSphere等，再分別重載基類的Parse()和glDraw()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)自身的語(yǔ)法分析和顯示。在此，只描述地理實(shí)體長(zhǎng)方體類(CBox)建模方法，其他幾何體類建模方法可以依此類推。

在VRML中，長(zhǎng)方體的基本幾何參數(shù)長(zhǎng)(Length)、寬(Width)和高(Height)是用Box節(jié)點(diǎn)的size域的域值來(lái)描述。size域的三個(gè)域值分別表示Box在X方向的寬度、Y方向的高度、Z方向的深度。長(zhǎng)方體的原始幾何中心位于局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，因此，在沒(méi)有發(fā)生坐標(biāo)變換之前，可以根據(jù)長(zhǎng)、寬、高基本參數(shù)計(jì)算出幾何體各個(gè)頂點(diǎn)的位置坐標(biāo)。如果坐標(biāo)發(fā)生變換，可以根據(jù)幾何學(xué)中的齊次坐標(biāo)表示法，通過(guò)變換矩陣實(shí)現(xiàn)圖形的基本變換，由此計(jì)算出變換后的頂點(diǎn)坐標(biāo)，最后通過(guò)其坐標(biāo)構(gòu)造出長(zhǎng)方體的各個(gè)點(diǎn)對(duì)象。

地理實(shí)體長(zhǎng)方體類的建模算法規(guī)范如下:

#VRML V2.0 utf8

Shape{

appearance Appearance{

material Material{}

}

CBox//創(chuàng)建長(zhǎng)方體類

{

field SFVec3f size 2.0 2.0 2.0#(0，+∞)

}

3.3 復(fù)雜地理幾何體建模方法

自然界中某些復(fù)雜形體是無(wú)法通過(guò)基本造型的簡(jiǎn)單組合而滿足視覺(jué)需求，此時(shí)應(yīng)考慮如何以立體幾何中最基本的點(diǎn)、線、面方式構(gòu)造空間復(fù)雜造型。在VRML中復(fù)雜的地理幾何體通常由任意形狀、任意數(shù)量的曲線及曲面構(gòu)成，因此，對(duì)于任意復(fù)雜的自然界物體造型，均可使用VRML復(fù)雜造型技術(shù)。在構(gòu)造復(fù)雜地理幾何體之前，可以預(yù)先定義點(diǎn)集(PointSet)、索引面(IndexedFaceSet)、索引線(IndexedLineSet)以及高程格網(wǎng)(ElevationGrid)、拉伸面(Extrusion)等一些高級(jí)造型節(jié)點(diǎn)作為Shape造型節(jié)點(diǎn)geometry域值加以創(chuàng)建。

空間點(diǎn)數(shù)據(jù)是空間定位數(shù)據(jù)庫(kù)的核心，任何空間實(shí)體最終都是通過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)控制的，任何實(shí)體的建模最終是對(duì)空間點(diǎn)的建模。它主要包括點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)、空間三維坐標(biāo)(x，y，z)等字段。三維空間點(diǎn)建模分為兩種方式:一種是控制點(diǎn)，一種是實(shí)體點(diǎn)。對(duì)于控制點(diǎn)用PointSet節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，對(duì)于實(shí)體點(diǎn)通過(guò)Sphere節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，因?yàn)閂RML中的PointSet節(jié)點(diǎn)沒(méi)有大小的顯示特性[5]。控制點(diǎn)建模算法描述如下:

PointSet

{

exposedField SFNode coord NULL//定義空間點(diǎn)的坐標(biāo)exposedField SFNode color NULL//定義空間點(diǎn)的顏色}

在VRML建模中線分為控制線和實(shí)體線兩類，控制線通過(guò)IndexLineSet來(lái)建模，沒(méi)有實(shí)際的粗細(xì)顯示特性，實(shí)體線通過(guò)Extrusion節(jié)點(diǎn)建模。

面是構(gòu)成體的基本元素，同時(shí)某些面可以直接構(gòu)成空間實(shí)體對(duì)象。對(duì)于任意曲面的構(gòu)造，在VRML中可以利用IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)；如果構(gòu)造高效建造管狀對(duì)象和彎曲對(duì)象，可以利用Extrusion節(jié)點(diǎn)；ElevationGrid節(jié)點(diǎn)則通常用于繪制地形圖形狀和建造地形；而利用Coordinate節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建出點(diǎn)、線、面造型的空間參數(shù)，則可以指定PointSet、IndexedFaceSet等節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.4 VRML中幾種地理實(shí)體造型建模比較

VRML中幾種地理實(shí)體造型建模比較 表1

在模型構(gòu)建過(guò)程中，針對(duì)描述和表達(dá)地理事物特征屬性的需要采用不同的造型節(jié)點(diǎn)。對(duì)于一些規(guī)則的簡(jiǎn)單地理幾何造型，可以直接采用VRML中提供的Box等基本節(jié)點(diǎn)造型建模；對(duì)于不規(guī)則的復(fù)雜地理幾何體，不能僅僅由簡(jiǎn)單造型組合構(gòu)成，而是綜合運(yùn)用一些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)造型如ElevationGrid節(jié)點(diǎn)、Extursion節(jié)點(diǎn)、IndxedFdacedset節(jié)點(diǎn)面造型等建模方法，高效地構(gòu)造出具有高真實(shí)感的三維模型。

4 基于面向?qū)ο蠛蚔RML的三維建筑模型構(gòu)建

對(duì)于城市中的建筑物，首先將建筑物分為規(guī)則建筑物和不規(guī)則建筑物，然后將其抽象分解為建筑物構(gòu)件對(duì)象，再利用VRML節(jié)點(diǎn)/造型與構(gòu)件對(duì)象進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)三維建筑模型的構(gòu)建。

4.1 三維建筑模型構(gòu)建過(guò)程

基于面向?qū)ο蠛蚔RML的三維建筑模型是采用面向?qū)ο蟮姆椒▽⒔ㄖ锍橄蠓纸饨ㄖ飿?gòu)件對(duì)象，它主要是通過(guò)墻體對(duì)象組合構(gòu)成建筑物對(duì)象，對(duì)墻體對(duì)象又可以進(jìn)一步分解為左墻體對(duì)象、右墻體對(duì)象、外墻體對(duì)象，這些對(duì)象又可以進(jìn)一步細(xì)分為更小的對(duì)象，直到分解為點(diǎn)、線、面、體四類元對(duì)象，這些對(duì)象與VRML節(jié)點(diǎn)/造型相映射，通過(guò)VRML方式構(gòu)建建筑物的構(gòu)建對(duì)象，再逆向運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行構(gòu)件對(duì)象的組合及運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)三維建筑物的幾何特征、屬性特征和操作方法以對(duì)象的方式進(jìn)行封裝和一體化管理，具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 三維建筑模型構(gòu)建過(guò)程

4.2 三維建筑模型可視化實(shí)現(xiàn)

三維建筑構(gòu)件對(duì)象主要是通過(guò)VRML中的兩種方式進(jìn)行構(gòu)建:一種是直接通過(guò)VRML中的節(jié)點(diǎn)/造型進(jìn)行構(gòu)建，該方法主要構(gòu)建簡(jiǎn)單的對(duì)象；另一種方式是先通過(guò)VRML原型構(gòu)建新的節(jié)點(diǎn)類型，然后再通過(guò)第一種方式生成對(duì)象，該方法主要構(gòu)建復(fù)雜的對(duì)象特別是重用性比較高的對(duì)象。對(duì)每一類對(duì)象通過(guò)VRML建模都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后綴為wrl的文件，每一個(gè)文件對(duì)應(yīng)這一個(gè)對(duì)象，對(duì)這些對(duì)象可以通過(guò)Transform節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)的域進(jìn)行模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等空間變換操作，組合成更高一層的對(duì)象，直至構(gòu)成建筑物對(duì)象。其部分主要代碼如下:

Transform{

childrenTransform{

childrenInline{

url"build＼MAINLEFT.wrl" #構(gòu)建的左墻體對(duì)象

}

}

}

Transform{

childrenTransform{ childrenInline{

url"build＼MAINOUT.wrl" #構(gòu)建的外墻體對(duì)象

}

}

……

構(gòu)建的建筑物三維模型如圖5所示。

圖5 建筑物三維模型圖

本示例中的建筑物基本屬于規(guī)則建筑物對(duì)象，其幾何形體大多呈現(xiàn)圓柱體、長(zhǎng)方體、三棱體等組合外形，因此可定義圓柱體、長(zhǎng)方體、三棱體等幾何形體為基本體對(duì)規(guī)則建筑體對(duì)象進(jìn)行表達(dá)，實(shí)現(xiàn)較為規(guī)則的空間目標(biāo)對(duì)象的三維重建，但對(duì)于不規(guī)則建筑物對(duì)象則要借助3ds Max進(jìn)行三維構(gòu)建，最后導(dǎo)出為VRML文件。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于面向?qū)ο蠛蚔RML的地理實(shí)體三維建模方法，該方法采用面向?qū)ο笏枷雽⑷S空間地理事物抽象為點(diǎn)、線、面、體等空間對(duì)象，利用VRML提供的基本造型和高級(jí)造型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維建模，使得場(chǎng)景、模型的設(shè)計(jì)和編輯更加簡(jiǎn)單、靈活。這很好地解決了針對(duì)于不同的應(yīng)用需要進(jìn)行大量重復(fù)建模工作的問(wèn)題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法有效地提高了三維物體建模效率，但對(duì)于不規(guī)則復(fù)雜實(shí)體需借助其他建模軟件，最后導(dǎo)出為VRML文件。

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A Object-oriented and VRM L M ethod for Geographic Entity 3D M odeling

Chen Junren1，2，LiJingwen1，2，F(xiàn)u Yu1，2，Su Ziyong3
(1.College of Geomatics and Geoinformation，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics，Guilin 541004，China；3.Armed Police Corps in Guangxi，Nanning 530022，China)

Based on analyzing the geometric representationmethod of the existing 3D spatial objects and object-oriented method，this paper aim to understand and express the objects，geographic phenomena and their spatial relationships in the realworld from the 3D space perspective，and presenta object-oriented-based and VRML 3Dmodelingmethod for geographical entity.By taking the 3D buildingmodeling as a example，the results suggests that themethod can complete the 3D reconstruction quickly，and provide a new method and new thinking to construct the 3Dmodel and realize the object-oriented 3D visualization for irregular and asymmetric geographic entity.

object-oriented；VRML；geographic entity；3D modeling

1672-8262(2013)04-25-04

P208.2

A

2012—12—02

陳俊任(1985—)，男，碩士研究生，從事GIS理論和應(yīng)用方面的研究。

廣西自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(桂科自2011GXNSFD018003)；廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金項(xiàng)目(桂科能1103108-03)