關于VRML在山區地形模型建立中的運用研究

魏富盛楊 偉

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

關于VRML在山區地形模型建立中的運用研究

魏富盛1楊 偉1

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

運用基于網絡的三維建模語言VRML，以數字測圖的結果為基礎，建立虛擬的山區三維地形模型，通過對測區的三維展示、信息查詢和車輛行駛仿真模擬，提前找到容易引起安全隱患的節點，為山區公路的設計及修改打下基礎。本文得到以下成果:1、基于VRML建立三維地形模型的方法流程2、對生成的地形模型進行后期渲染處理的方法3、將建立的三維地形模型實現與網絡的鏈接和進行虛擬仿真行駛、信息查詢的方法。

VRML ； 地形模型 ； 公路設計 ； 虛擬現實 ； 仿真模擬

0 引言

VRML是英文Virtual Reality Modeling Language——虛擬現實建模語言的縮寫。它具有開發功能突出，場景真實感強等特點，仿真和渲染的實時性可使瀏覽者切身感受虛擬三維環境的變化。山區因為其地形的特殊復雜性，歷來為公路修筑的一大難點，為克服山區地形復雜，選線難度大這一難點，建立虛擬的三維地形模型并對設計公路提前進行仿真行駛成為最好的解決方法。測繪工程、攝影測量與遙感等技術的快速發展為三維地形模型的建立提供了坐標幾何與紋理的數據源。隨著 GIS與可視化技術的進一步發展，三維空間信息可視化已經成為GIS的一個重要研究方向，是目前3DGIS的熱點研究方向。

1 運用VRML創建三維地形模型的方法流程研究

1.1 建模數據的獲取

建立三維地形模型，首先要通過野外實測，直接從地圖上或通過攝影遙感測量等技術獲取高程數據。然后將測區劃分為相應的柵格區域，數據分布在不同柵格的密度是指采樣數據的密集程度，與研究區域的地貌類型和地形復雜程度相關。相鄰兩采樣點之間的距離通常稱為采樣間隔（或采樣距離）。如果采樣間隔隨距離變化，那么就用平均值來代替。

1.2 模型定義

一個通用的VRML文件結構由文件頭、原型、造型和腳本和路由四部分組成，其中唯一必須的是VRML文件頭，一個VRML文件還包括下列條目：注釋、節點域和域值、定義的節點名、使用的節點名。一個VRML模型由幾何形體或屬性構造來定義它的3D結構，使其具有一個基于材質、地形、地貌和顏色的外觀，材料和顏色等又構成它的表面紋理，如土質、石質、沙丘和植被等。在VRML中，這些造型屬性、幾何結構和外觀，都由其相關節點的域值設定。

1.3 造型編組

造型可以被組織在一起來創建更大、更復雜的造型。如樹木和山丘造型可以通過Group節點被組織在一起成為森林。我們也可以將多個小屋造型組織在一起創建一個美麗的莊園造型，并且多個莊園造型組合在一起可以組成一個區域環境等。將建立的造型組織在一起的節點稱為父節點，組成的造型稱為子節點，一個組可以有任意多個子節點，甚至也可以用其他組作為子節點。

1.4 綁定指令和路由

為了使虛擬空間具有動感，方便進行虛擬仿真瀏覽，構造地形模型時可以包含綁定若干指令。VRML綁定包括：在兩個節點間綁定路徑或者路由，一旦在兩個節點之間創建了一個路由，第一個節點可以順著路由傳遞信息給第二個節點。這樣的消息稱為事件，包含一個值，類似于節點內的域值。典型的事件值包括浮點數、顏色值或三維坐標值。當一個節點接受到一個事件時，它將根據節點的特征，運行節點定義的功能。通過綁定多個節點，可以創建復雜的路線，能夠傳遞事件來使虛擬地形環境充滿動感。

2 三維地形模型渲染方法研究

當三維地形模型初步建立好后，還需要通過進一步的渲染和效果設置才具有真實的虛擬仿真效果，后期渲染可以通過材料控制外觀，對海拔柵格著色，映射紋理，設置材料的反光性，背景設置等方式進行。

造型的外部特征通過說明材料的相關屬性來設定。使用Appearance和Material節點，能控制造型的顏色，發光顏色和透明度。也可以用Material節點設置造型的透明性因子，而用Color節點控制造型的顏色。用Material節點以及它的相關域，可以控制顏色來體現造型的層次，構成閃光造型，模擬塑料、金屬以及其他閃光造型等。

采用紋理控制，你可以在一個造型上設置其紋理，并可以擴大、縮小并選擇該紋理，也可以在一個造型的表面上多次放置一個紋理圖像。例如，可以采用一個小磚塊的紋理圖像，并不斷重復該紋理，就可以形成地形表面。

VRML中的背景特征使可以控制三維模型中天空和地面等的顏色，指定一組全景圖像放置在的VRML世界的上下方或四周。從概念上而言，VRML中的天空是一個無限大的球體繞在空間四周。采用Background節點，可以為天空球體指定其他顏色。對于一個簡單地天空，可以將整個天空指定為一種顏色。如果要生成更真實、水平著色的效果，可以對天空球體采用梯度著色。

3基于VRML的三維地形建模示例

3.1 節點示例

創建地形模型常用ElevationGrid來為一個區域建立表面。這個節點可以定義地域柵格的X維和Z維，并且為柵格中的每個柵格點建立Y方向的高度。X和Z方向的柵格點的數量可以分別用xDimension和zDimension域建立，其域值指定了柵格行和列之間的空間。height域的值指定了每一個柵格點的海拔高度。建立海拔柵格的一個方法是，先以一個平坦的柵格作為起始，選擇其中若干個柵格點并且改變它的高度，升高其高度就形成了高山的頂峰，或者降低其高度就形成了海洋或峽谷，繼續這個過程，就可以創建一個崎嶇不平的區域。

3.2 具體模型的建立

運用獲取的數字高程模型數據，結合上面介紹的ElevationGrid等節點語法及綁定的相關文件路由，就可以建立三維地形模型；再根據相應的渲染方法對建立的三維地形模型貼上高分辨率影像圖，進行相關后期渲染處理，就可形成具體的三維地形模型。

3.3 虛擬仿真瀏覽

當三維地形模型初步建好后，運用相關節點功能，與將建立好的汽車模型、公路設計模型、三維地形模型等進行鏈接，使用戶置身于真實三維空間的感受，同時仿真和渲染的實時性導致了虛擬場景中人機的可交互性，使瀏覽者駕車可以在場景中切身感受虛擬環境，對公路線型的舒適性和合理性作出評價，然后按照設計要求對相關設計參數進行調整。

4結 語

本文介紹了將VRML虛擬語言建立三維地形模型的方法步驟，通過提前對山區設計路線進行虛擬仿真行駛，對收集的車輛運行狀況等相關數據的分析，從而對山區公路設計的合理性、舒適性、安全性的進行分析，提前找到公路設計中存在的不合理地方并進行調整更改，從而為我國山區公路的建設起到積極的推動作用 。相信隨著VRML在虛擬現實中的運用及相關技術的進一步發展完善，VRML語言將更多地運用到山區三維地形模型建立、山區公路設計、公路數字化管理、城市地理信息系統建立中。

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