基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

渠澗濤，陳小潘，趙亞萌，王 鵬，楊偉峰

（1.河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100012）

基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

渠澗濤1,2，陳小潘1，趙亞萌2，王 鵬1,2，楊偉峰1,2

（1.河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 開封 475004；2.中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100012）

針對(duì)大規(guī)模地形可視化的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)。闡述了虛擬地球、瓦片金字塔結(jié)構(gòu)、數(shù)字高程模型的基本原理及在系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于游戲循環(huán)的可視化框架，實(shí)現(xiàn)了自由攝像機(jī)、瓦片模型調(diào)度、瓦片模型生成等關(guān)鍵功能。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的可視化，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

大規(guī)模地形可視化；WPF；游戲循環(huán)；海量地形數(shù)據(jù)；地形瓦片模型

隨著計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)以及圖形硬件處理能力的不斷提高，大規(guī)模地形可視化在地理信息系統(tǒng)、游戲開發(fā)和飛行器輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。目前大規(guī)模地形可視化軟件大多基于國(guó)外的平臺(tái)軟件開發(fā)[4-6]，如NASA的World Wind，Esri公司的Arc Engine，Skyline公司的Terra Explorer Pro等。也有研究人員嘗試從底層開發(fā)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形可視化[7-8]，但大多采用OpenGL、DirectX等底層圖形庫(kù)來編寫，開發(fā)周期長(zhǎng)，維護(hù)困難。WPF是微軟開發(fā)的新一代圖形顯示技術(shù)，其核心是一個(gè)與分辨率無關(guān)且基于向量的呈現(xiàn)引擎，能夠充分利用現(xiàn)代圖形硬件的優(yōu)勢(shì)[9]，提升可視化展示的效果，對(duì)三維開發(fā)常用的3D攝像機(jī)、三維模型等內(nèi)容都有很好的封裝，可以有效縮短開發(fā)周期。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠展示指定地理位置真實(shí)的地形地貌，還提供了豐富的攝像機(jī)操作，支持對(duì)三維地形的全方位瀏覽，并能根據(jù)用戶請(qǐng)求動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地更新三維場(chǎng)景。

1 基本原理

1.1 大規(guī)模地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)能夠表現(xiàn)地球表面的高低起伏狀態(tài)，是具有高程信息的數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)含有豐富的地理環(huán)境信息，是地形數(shù)據(jù)的主要來源。隨著航空航天遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的獲取速度也隨之加快，數(shù)據(jù)精度不斷增加。每提高1倍地形數(shù)據(jù)的分辨率，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)量就會(huì)增加4倍[10]。在這種背景下產(chǎn)生的大規(guī)模地形數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)量大，還具有覆蓋地域廣、數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)，例如本文所使用的SRTM（shuttle radar topography mission）數(shù)據(jù)，覆蓋了北緯 60°～南緯56°之間80%的陸地地表面積，數(shù)據(jù)總量高達(dá)12 TB[11]，分辨率有30 m和90 m 兩種，本文采用的是90 m分辨率的數(shù)據(jù)。

1.2 虛擬地球模型

傳統(tǒng)的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)大多將地形模型放在一個(gè)平面上展示，這種方式不能真實(shí)反映地形的地理位置，為海量地形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組織及加載增加了難度，不利于大規(guī)模地形的展示，也使可視化場(chǎng)景缺乏真實(shí)感，降低了用戶體驗(yàn)。因此，需要構(gòu)建一個(gè)虛擬的地球模型作為大規(guī)模地形可視化的展示平臺(tái)。

本文采用經(jīng)緯度網(wǎng)格和WGS84坐標(biāo)系構(gòu)建虛擬地球模型。首先，將WGS84坐標(biāo)系定義的地球參考橢球面按照經(jīng)緯線進(jìn)行剖分，然后計(jì)算各個(gè)頂點(diǎn)網(wǎng)格的經(jīng)緯度坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)，并將各個(gè)頂點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)按照公式（1）～（3）轉(zhuǎn)換為三維空間直角坐標(biāo)[12]。

式中，λ、φ、h分別代表經(jīng)度、緯度和高程；x、y、z分別是空間坐標(biāo)系X軸、Y軸和Z軸的坐標(biāo)，N=a=6 378 137.0 m（赤道半徑）；b= 6 356 752.314 2 m（極點(diǎn)半徑）；e=8.181 919 084 262 2×102（離心率），利用WPF技術(shù)繪制頂點(diǎn)并添加貼圖，完成虛擬地球模型的構(gòu)建，并基于該虛擬地球模型實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形的可視化。

1.3 World Wind瓦片組織模型

大規(guī)模地形可視化中所使用的紋理數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)大多是跨度大、分辨率高的地理信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，不能全部存儲(chǔ)在內(nèi)存中[13]。為了提高地形場(chǎng)景的渲染效率，本文依照World Wind瓦片金字塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的切分。

World Wind瓦片組織模型以地球360°經(jīng)度和180°緯度為標(biāo)準(zhǔn)，以緯度為-90°、經(jīng)度為0°的點(diǎn)為起始點(diǎn)，將整個(gè)地球劃分網(wǎng)格[14]。在構(gòu)建瓦片金字塔時(shí)，首先將原始數(shù)據(jù)設(shè)置為最高層，之后每降低一個(gè)層級(jí)就將前一層級(jí)2×2個(gè)像素點(diǎn)合并成為一個(gè)像素點(diǎn)，如此反復(fù)，構(gòu)建出瓦片金字塔[15]，任何一張瓦片都可以用這張瓦片所在的層級(jí)、列號(hào)、行號(hào)唯一確定。World Wind的瓦片組織模型如圖1所示。

圖1 World Wind的瓦片組織模型

切分后的地形數(shù)據(jù)可以按照 “D:Root433_2．a(chǎn)bc” 的形式存儲(chǔ)在本地，該路徑所代表的含義是“磁盤根目錄數(shù)據(jù)根目錄層級(jí)行號(hào)行號(hào)_列號(hào)．后綴名”。瓦片的層級(jí)、行列號(hào)與經(jīng)緯坐標(biāo)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)瓦片的層級(jí)、行列號(hào)與經(jīng)緯度區(qū)間的相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換公式如式（4）～（7）所示。

式中，lat和lon分別代表緯度和經(jīng)度；row和col分別代表瓦片所在的行和列，lztd為第0層瓦片的分割度數(shù)（一般為36°）。

2 基于游戲循環(huán)的可視化框架設(shè)計(jì)

游戲循環(huán)能夠根據(jù)輸入、AI（artificial intelligence）或其他主觀邏輯來確定游戲下一階段的行為，其任務(wù)是調(diào)用其他邏輯函數(shù)，并核查某種條件是否已滿足[16]。本文設(shè)計(jì)了一種基于游戲循環(huán)的框架，框架的基本思想是：將實(shí)現(xiàn)可視化的各個(gè)函數(shù)放在一個(gè)主循環(huán)中，實(shí)時(shí)監(jiān)聽場(chǎng)景信息的變化，并根據(jù)場(chǎng)景信息的變化動(dòng)態(tài)更新三維場(chǎng)景。

本文提出的可視化框架主要分為3個(gè)模塊：用戶接口、場(chǎng)景更新、場(chǎng)景重構(gòu)。其中，用戶接口用于接收用戶輸入的信息，并根據(jù)輸入信息更改攝像機(jī)狀態(tài)、觸發(fā)場(chǎng)景信息的改變，將實(shí)時(shí)的可視化結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。場(chǎng)景更新用于捕獲改變的場(chǎng)景信息，并根據(jù)最新的場(chǎng)景信息對(duì)瓦片模型進(jìn)行調(diào)度，生成新的瓦片模型列表。場(chǎng)景重構(gòu)的主要作用是捕獲模型列表的改變，并根據(jù)模型列表的變化生成新的瓦片模型或者刪除舊的瓦片模型，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的重構(gòu)，具體框架如圖2。

圖2 基于游戲循環(huán)的可視化框架

利用該框架能夠?qū)崟r(shí)接收用戶輸入的信息，并根據(jù)硬件的性能按照一定的頻率對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行更新，忽略一些不必要的變化細(xì)節(jié)，提升了程序的性能，穩(wěn)定了三維場(chǎng)景的幀數(shù)，提升了展示效果。同時(shí)，循環(huán)執(zhí)行的代碼也能提高代碼的重用率，降低代碼的冗余度。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于WPF實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形可視化的主要功能包括自由攝像機(jī)、瓦片模型調(diào)度、瓦片模型生成。

3.1 自由攝像機(jī)

自由攝像機(jī)要求三維場(chǎng)景的攝像機(jī)能夠根據(jù)用戶鍵盤、鼠標(biāo)輸入的信息完成各種動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景的自由瀏覽。自由攝像機(jī)的動(dòng)作主要是由平移、縱傾、橫擺、旋轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作組合而成，具體操作如下：

1）平移。平移分為水平平移和豎直平移兩種，水平平移改變視野中心的位置，豎直平移改變攝像機(jī)的海拔高度。由于本文的可視化是在虛擬地球上實(shí)現(xiàn)的，所以，水平平移實(shí)際上是由攝像機(jī)分別繞空間直角坐標(biāo)系的X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)組合來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用戶進(jìn)行水平平移操作時(shí)，假設(shè)平移前后視野中心點(diǎn)的經(jīng)緯度差值分別為Δlon和Δlat，將攝像機(jī)位置繞X軸旋轉(zhuǎn)Δlon度、繞Y軸旋轉(zhuǎn)Δlat 度，便實(shí)現(xiàn)了攝像機(jī)的水平平移，主要代碼如下：

rotateAround=new Point3D(0,0,0)；//旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)

Vector3D relaPosition= rotateAround - CameraPosition；//構(gòu)建原始攝像機(jī)位置向量

var q1 = new Quaternion(AxisX, Δlat)；//利用四元數(shù)實(shí)現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)Δlat度

var q2 = new Quaternion(AxisY, Δlon)；// 利用四元數(shù)實(shí)現(xiàn)繞Y軸旋轉(zhuǎn)Δlon度

Quaternion q = q1 * q2；//將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)操作組合起來

var m = new Matrix3D()；

m.Rotate(q)；//利用組合后的四元數(shù)構(gòu)建一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣Vector3D

newRelaPosition = m.Transform(relaPosition)；//利用旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)原始攝像機(jī)位置向量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，得到平移后，最新的攝像機(jī)位置為（newRelaPosition.X, newRelaPosition.Y, newRelaPosition.Y）

豎直平移時(shí)，由于可視化過程是在虛擬地球上進(jìn)行的，所以豎直方向從攝像機(jī)的位置出發(fā)指向地心。假設(shè)攝像機(jī)在豎直方向上的位移為d，豎直平移后最新攝像機(jī)的位置可以根據(jù)公式（8）計(jì)算出來：

式中，X、Y、Z為攝像機(jī)原始位置空間坐標(biāo)值；X1、Y1、Z1為攝像機(jī)最新位置，Dx、Dy、Dz為豎直方向上的位移在空間坐標(biāo)軸3個(gè)方向上的分量。

2）縱傾橫擺。縱傾與橫擺通過更改LookDirection向量的終點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)終點(diǎn)在X軸上移動(dòng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)橫擺動(dòng)作，當(dāng)終點(diǎn)在Y軸上移動(dòng)時(shí)便實(shí)現(xiàn)了縱傾動(dòng)作。

3）旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)動(dòng)作主要是根據(jù)用戶輸入將攝像機(jī)的UpDirection繞LookDirection旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)旋轉(zhuǎn)角度為Δlat ，則根據(jù)以下代碼執(zhí)行：

用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等外設(shè)輸入來控制攝像機(jī)完成以上3種基本動(dòng)作，對(duì)這3種基本動(dòng)作進(jìn)行組合就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的各種控制。

3.2 瓦片模型調(diào)度

在大規(guī)模地形可視化展示中，場(chǎng)景信息的變化會(huì)改變屏幕所能觀察到的經(jīng)緯度區(qū)域。為顯示該區(qū)域，可以通過建立同屏幕視域等大的邊界盒（bounding box，BBOX）來對(duì)瓦片模型進(jìn)行調(diào)度，主要步驟如下：

1）確定場(chǎng)景范圍。根據(jù)邊界盒的最大經(jīng)度、最大緯度以及最小經(jīng)度、最小緯度，得出邊界盒的右上角坐標(biāo)和左下角的經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用公式（4）、（5）求出邊界盒的右上角和左下角在World Wind的瓦片組織系統(tǒng)中的編號(hào)。并據(jù)此計(jì)算出包圍盒內(nèi)所有瓦片的編號(hào)，生成當(dāng)前場(chǎng)景范圍內(nèi)所有瓦片的編號(hào)列表。

2）確定待加載/待刪除瓦片列表。遍歷步驟1中得到的當(dāng)前場(chǎng)景范圍內(nèi)所有瓦片編號(hào)列表的副本，與上一場(chǎng)景所有瓦片編號(hào)列表作匹配，如果當(dāng)前的瓦片在兩個(gè)列表中都存在則兩個(gè)列表都刪除這個(gè)瓦片。遍歷完畢后，副本列表中剩余的瓦片即為當(dāng)前場(chǎng)景待加載的瓦片，這個(gè)副本列表即為新的待加載瓦片列表，上一場(chǎng)景瓦片編號(hào)列表中剩余的瓦片列表即為待刪除瓦片，這個(gè)列表即為待刪除瓦片列表。

3.3 瓦片模型生成

生成瓦片模型的基本思路是：將按照金字塔模型進(jìn)行切分后的影像數(shù)據(jù)與目標(biāo)區(qū)域的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，生成具有地形起伏的三維模型。主要步驟如下：

1）坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化。WPF提供MeshGeometry3D類構(gòu)造三維模型，但該類僅支持傳統(tǒng)的三維空間坐標(biāo)系，而瓦片模型是在虛擬地球上生成的，所以模型中頂點(diǎn)位置和范圍等參數(shù)都是由經(jīng)緯度度量得到。因此，在生成瓦片模型的過程中，需要通過式（1）～（3）將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為三維空間坐標(biāo)。

2）建立頂點(diǎn)索引。在繪制三角形網(wǎng)格時(shí)，相鄰的三角形頂點(diǎn)會(huì)重復(fù)繪制。為了提高運(yùn)行效率，減少重復(fù)繪制頂點(diǎn)造成的系統(tǒng)資源浪費(fèi)，可以利用MeshGeometry3D提供的TriangleIndices屬性為每個(gè)頂點(diǎn)指定唯一索引值。為三角形網(wǎng)格的所有頂點(diǎn)指定索引的方法如下：

圖3 頂點(diǎn)索引

三角形網(wǎng)格是由多個(gè)正方形單元格構(gòu)成的，每個(gè)正方形單元格的頂點(diǎn)索引如圖3。三角網(wǎng)格t1由索引為index1、index2、index3的點(diǎn)構(gòu)成，三角網(wǎng)格t2由索引為index2、index3、index4的點(diǎn)構(gòu)成，假設(shè)該正方形單元格左上角的點(diǎn)在第row行、第col列,網(wǎng)格的大小為150×150，則index1、index2、index3、 index4的索引分別為然后將構(gòu)成這兩個(gè)三角網(wǎng)格的6個(gè)頂點(diǎn)索引按三角形構(gòu)成順序存入索引列表TriangleIndices中。最后遍歷所有的行和列，指定整個(gè)三角形網(wǎng)格的頂點(diǎn)索引。

3）添加紋理映射。為了使瓦片模型能夠真實(shí)地展示地形地貌特征，需要將瓦片所對(duì)應(yīng)的瓦片影像數(shù)據(jù)作為紋理“貼”在瓦片模型表面。如果要保證每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)在紋理圖像正確的位置，需要為構(gòu)成瓦片模型的每個(gè)點(diǎn)指定紋理映射，對(duì)大小為150×150的頂點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)圖像的左上角為第0行、第0列，則第x行、第y列的頂點(diǎn)的紋理映射（u，v）為：

4）疊加高程數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)的樣本數(shù)與瓦片的頂點(diǎn)數(shù)通常并不相同，因此需要對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行插值（本文采用雙線性插值），生成一個(gè)與瓦片頂點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的二維數(shù)組。在對(duì)頂點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化時(shí)，將這個(gè)高程作為公式（1）～（3）中變量h的值代入，便實(shí)現(xiàn)了高程數(shù)據(jù)的疊加。

4 結(jié)果分析

系統(tǒng)在Visual Studio 2012環(huán)境下開發(fā)，測(cè)試的計(jì)算機(jī)硬件配置CPU為Intel(R) Core(TM) i7-2600 3．40 GHz(8 PUs)、內(nèi)存為4 G RAM、顯卡為GeForce GT 420，測(cè)試數(shù)據(jù)為北京昌平地區(qū)90 m分辨率的SRTM（shuttle radar topography mission）數(shù)據(jù)和相同地區(qū)的Blue Marble影像數(shù)據(jù)，并與目前廣泛采用的World Wind進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

4.1 可視化結(jié)果準(zhǔn)確性分析

為了分析可視化結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別在本系統(tǒng)的可視化場(chǎng)景中和World Wind的可視化場(chǎng)景中選擇兩個(gè)參照點(diǎn)，如圖4所示。同時(shí)記錄下這2個(gè)參照點(diǎn)在本系統(tǒng)和World Wind中的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程值，如表1所示。

從表1的對(duì)比可以看出，在兩個(gè)系統(tǒng)中相同參照點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程值基本相同；同時(shí)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，二者對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地形地貌展示結(jié)果完全一致，說明本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的可視化結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖4 可視化結(jié)果對(duì)比

表1 可視化結(jié)果對(duì)比

4.2 場(chǎng)景幀數(shù)對(duì)比

為了對(duì)比三維可視化過程是否流暢，分別使用本系統(tǒng)及World Wind實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的可視化，然后使視點(diǎn)在測(cè)試數(shù)據(jù)生成的三維場(chǎng)景中按相同的軌跡勻速移動(dòng)。依照同樣的時(shí)間間隔，分別記錄三維場(chǎng)景每秒的傳輸幀數(shù)（frames per second, FPS），如表2所示。

表2 場(chǎng)景幀數(shù)對(duì)比

通過對(duì)比可以看出，本系統(tǒng)的FPS與World Wind的FPS相差不大，均超過系統(tǒng)流暢運(yùn)行所要求的30 幀 /s，說明本系統(tǒng)實(shí)時(shí)的地形三維可視化運(yùn)行流暢。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于WPF的大規(guī)模地形可視化系統(tǒng)。WPF技術(shù)的運(yùn)用，使得本系統(tǒng)具有更佳的影像展示效果和友好的用戶界面，且WPF對(duì)3D開發(fā)相關(guān)技術(shù)的封裝，使得系統(tǒng)的開發(fā)更加便利，能有效縮短開發(fā)周期。虛擬地球和World Wind瓦片組織系統(tǒng)的應(yīng)用在增加可視化結(jié)果真實(shí)性的同時(shí)，提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。基于游戲循環(huán)的可視化框架，使用戶通過移動(dòng)攝像機(jī)觸發(fā)場(chǎng)景更新時(shí)，減少了不必要的處理過程，有效提升了程序的運(yùn)行效率。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，且運(yùn)行流暢，具有較高的實(shí)用價(jià)值，為利用WPF實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地形可視化提供了新的思路。參考文獻(xiàn)

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P208

B

1672-4623（2016）12-0041-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.12.014

渠澗濤，碩士研究生，研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)處理。

2015-08-06。

項(xiàng)目來源：高分重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（Y4D00100GF、Y4D0100038）；中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（Y1Y02230XD）。