1、基于 GeoView 的三维模型库设计与实现第 60 卷第 4 期有色金属(矿山部分)2008 年 7 月基于 GeoView 的三维模型库设计与实现胡斌,邵雯,田宜平(中国地质大学( 武汉)国土资源信息系统研究所,武汉 430074)摘要:随着 GIS 在三维领域的不断发展,三维模型的架构显得越来越重要 .本文在分析三维模型特点的基础上,对基于 GeoView 平台的三维模型库进行了设计,实现了三维模型库的快速浏览,预览选择与映射调用等技术,在预览选择时实现了对模型的基本空间操作,并实现了映射图与三维模型的对应连接.模型库对重复模型运用了引用技术来调度对象,减少了内存的消耗,提高了渲染速度,
2、该方法能快速地调用三维模型,减少了重复工作量,大大提高了空间建模效率.关键词:三维 GIS;三维模型库;GeoView中图分类号:P618 文献标识码:A 文章编号:16714172(2008)04 001704DesignandDevelopmentof3DModellibraryBasedOnGeoviewHUBin,SHAOWen,TIANYiping(ChinaUniversityofGeoseienees.InstituteofLandResourcesInformationSystem.WuHan430074,China)Abstract:AsGISdevelopsgraduall
3、yinthefieldofthree-dimension,buildingthethree-dimensionalmodelsismoreimportant.Thispaperexpatiatesthequickviewingofthethreedimensionalmodellibrary,themethodofpreviewing,ehoo-singandmapping,transferringbasedonGeoView.Itaccomplishedzoomingin,zoomingout,panning,rotating,restoringofthemodel,whenpreviewi
4、ngandchoosing,anditaccomplishestheconnectionbetweenmappingpictureandthethreedi-mensionalmode1.Modellibrarycantransfertheobjectsfortherepeatingmodelusingthecitedtechnology,whichcanre-dueetheconsumingofthememoryandimprovethespeedofrendering.Thismethodcantransferthemodelquickly,re-ducetherepeatworkinga
5、ndreducetheefficientofthemodeling.Keywords:three-dimensionalGIS;three-dimensionalmodellibrary;GeoView三维实体建模技术在机械,建筑,航空等行业已得到广泛应用,但在地学领域里,由于地质情况和地质模型极其复杂,三维地质建模技术一直是实现三维地学可视化信息系统的难点和热点.模型的定义有多种,但其核心含义都是一致的.即模型是对现实世界中实体或现象的抽象和简化,是对实体或现象中最重要的构成成分及其相互关系的表述.模型是为了理解和预测现实世界而构成的一种有效的替代物,它不是现实世界的复制.它极为简化,但仍能
6、再现物体的关键特性j.在三维 GIS 系统的应用中,一般均需设计数据量庞大的产品及其基本图元的三维模型库.如何快速,高效地浏览和选择所需产品及其部件,并进一步调用其三维模型进入三维显示与编辑,是产品概念设计系统中的重要功能之一.例如,在大型的数字矿山系统中,由于不同地区的模型形成的复杂性作者简介:胡斌(1983 一), 男 ,硕士研究生(几何形态和拓扑复杂性,不确定性,模糊性,非线性等),很难找出一种适合于表达所有地理事物的对象模型,“这也是阻碍建立三维地学模型库的因素之一“.但从系统的组成角度考虑,任何事物在一定深度层次的细分上总存在共性与相似性,我们可以将复杂的实体模型表达为若干简单实体模
7、型的集合 j,矿体,围岩,巷道,竖井等三维模型作为数字矿山中的核心组成部分,它们的结构和样式多种多样,逐个重建相当困难,而通过模型将其表示为有顺序的一系列规则形体或不规则形体的集合,对提高数字矿山的构建效率有重要意义.本文在分析了GIS 三维模型特点的基础上,提出了基于 GeoView三维可视化地学信息系统平台的三维模型库的设计方案和构建技术,并在福建紫金数字矿山系统中得到了很好的应用.1 空间地理信息学系统中的三维模型1.1CAD 模型与 GIS 三维模型的比较18 有色金属(矿山部分) 第 60 卷AutoCAD 是目前国内外应用最广泛的 PCCAD软件,不但具有强大的二维绘图功能,而且还
8、能方便地进行三维实体造型.在 AutoCAD 中,若先进行三维实体造型,再由该三维模型生成二维投影图,则可以充分发挥三维实体和二维模型各自的优势,并提高绘图效率 J.AutoCAD 在航空,汽车,摩托车等行业中的机械模型做得很出色,精度高,质感好,形象逼真,色彩丰富.然而其绝大部分图形元素是由单一边构成,缺乏对空间实体的管理和操作能力,而GIS 的目的是完成对地理现象的分析和管理,它强调空间实体间的相互关系和属性信息.因此,目前的 CAD 系统无法完成某些应用领域的研究需要 J.特别是在地质,水文,和建筑方面,这对 CAD 来说无疑是一个缺陷.更重要的是,在 GIS 中的几何对象需要同时具备几
9、何属性和语义属|l 生,但 CAD 几乎不具备语义属性;另一方面,CAD 系统一般只考虑单个模型的空问表达,追求模型在视觉上的逼真与美观,而不关心数据量,在 GIS 中需要大量的三维几何模型,若不加一定的处理会带来许多问题,如数据的调度与管理,重绘刷新速度与浏览平滑等等.1.2 平面地图符号与三维模型的比较平面地图是传统的地理空间表达使用的一种重要工具.地图符号是地图 E 是用来表示实体物体与现象的特定图解记号.它有两个基本功能,首先,它能指出目标种类及数量和质量特征;其次,它能确定对象的空间位置和现象分布.符号化是指用一种易于了解和便于记忆的平面地图符号来代替实际的空间地物,平面地图符号本身
10、可以说是一种物质的对象,它用来指代制图对象的抽象概念,并且这种指代是以约定关系为基础的,这是地图符号的本质特点 J.空间信息三维可视化的发展促进了三维模型的产生,与平面地图符号类似,三维模型就是在三维的条件下,描述实地物体与现象的图解模型.它具有平面地图符号的所有特征和基本功能(危拥军,2000),是对三维实体的精简和抽象.三维模型可以定义为:在三维环境中,用来描述各种地理实体的形状,位置,大小,姿态以及地理现象的空间分布和变化特征的图形,图像以及图解模型:1)三维模型能够给予读者更加直观的三维空间信息.而平面符号反映的都是空间物体的平面布局,其高程信息只是作为一个属性值而存在,并不能被直观地
11、反映出来.三维模型不仅能够反映空问物体或对象的平面位置(,Y).高程信息(z)也同样可以反映出来.2)以更加直观和逼真的方式指出空间目标种类,数量和质量特征以及对象的空间位置和现象的时空分布,所以三维模型具有完整的时空定位特征.3)三维模型以电子为介质.读者不仅可以从电子介质观察图形图像的效果,还能够从具体的文件中得到数字信息,也就是说数字信息是以单独的文件保存起来的,并且这些数字信息是比较详细的.2 基于 GeoView 的三维模型库的设计2.1GeoView 简介GeoView 是由中国地质大学 (武汉)国土资源信息系统研究所研制的具有自主知识产权的可视化地学信息系统平台.该系统采用多 s
12、 结合与集成的方式,融合了常用数据库技术(DBMS),辅助设计技术(CADS),地理信息系统技术(GIS),地球空间定位技术(GPS),遥感技术(RS),专家系统(ES),三维建模和空问分析技术(3DS)等,形成了一套从基层信息技术支持到上层行业应用的完整系统平台,并形成了与之相应的八大应用系统(区域填图 GeoSur-vey,数字水文 GeoHydroloy,地质灾害系统 GeoHazard,数字城市 GeoCity,盆地模拟系统 GeoPetroModeling,数字矿山系统 GeoMine,地下管线 GeoPipe和数字水电 GeoEngine),完成了数十个与地质相关的软件研制项目.2
13、.2 三维模型库在 GeoView 中的设计在二维系统中,平面符号可以抽象的表达地物,而三维模型不仅能表现地物的本质特征和一般属性,还能描述地物复杂的表面属性信息 J.但受计算机的处理能力和成本的局限,要重建地物的详细细节是不现实的,也没有必要.因此模型的简化成了三维模型设计的重要特点之一.一个建模支持系统应该提供一个库,其中包括某一给定的实际系统已经建立起来的所有模型.而许多系统存在着多面性,它们需要不同层次和不同形式的模型来表示.这些模型与实体相关,根据三维实体的模型可知三维模型是描叙体对象的最小描述单位,一个复杂的实体结构是由许多实体结构综合而成的,对于一个复杂的实体模型可以被分割成一系
14、列简单的子模型_2.模型提供了系统不同层次的描述,模型可以组合和分解,还可以被粗化和精化.因此,可以将一些简单通用的子模型放人基础模型库中进行统一的管理,以便实时调度.基础模型库中存放点,线,面,体等基础模型,由基础库中的基础模型经过组合构成复杂的模型.以大型的数字第 4 期胡斌等:基于 GeoView 的三维模型库设计与实现 19矿山为例,多数模型有相同布局的几何轮廓,如:巷道和竖井,不同的只是尺寸大小和位置.将它们设为特征模型,以供在大范围的数字矿山模型建立时,只需对这些模型进行简单的缩放和平移,就可以成为复杂模型的组成部分.比如带拐角的巷道可以由拐角和直巷道组成.这样,能够减少重复的建模
15、量,提高工作效率.用户自定义模型,如地表,围岩,矿体,断层等主要天然地下结构,因各个矿山的不同而不同,故可根据不同用户的需求,由用户保存管理使用比较频繁的模型,方便用户在系统中快速地调用特征模型.模型通过世界坐标转换到屏幕坐标,并通过对模型进行平移,旋转,缩放来达到用户的要求.为了方便用户从各个角度来认识模型,用户可以使用控件中对模型进行操作.对多种数据格式的三维模型还要提供数据交换接口.2.3 三维模型库的设计的特点1)简化与形象的描述模型库中的模型能高度地概括,表现出最基本的特征,保证用户容易理解和接受,并能快速地联想到物体本身.2)模型的简洁性在大型的数字矿山或是数字城市的建设中,由于数
16、据量大,如果模型形象化,势必增加了计算机的负荷,大大影响了建模速度,所以在构造模型库中的模型时,应保证模型的简洁明了,用尽可能少的简单模型来组成,有效提高图形的显示速度.3)模型在浏览时的可操作性通过对一个文档多视图技术,对模型库调用对话框实施了多视图模式,当对模型进行浏览选择时,可对模型进行放大,缩小,旋转,平移及复位(图 1),从多角度多视图来了解模型.图 1 三维模型库快速调用和编辑Fig.1Quicklytransferandeditof3D-model4)模型的快速调用由于模型库中的模型调用非常频繁,有些模型数据量非常大,当模型被重复使用的频率很高时,如果不进行任何处理,势必会消耗相
17、当大的内存.笔者通过对重复的模型使用引用技术,把被选中的模型放人缓存中,然后对被重复使用的模型进行一系列的放大,缩小,平移,旋转等矩阵变换,得到用户所需的位置和方向,通过对重用模型的应用可以大大的减少内存消耗,提高渲染速度.等调用完毕再把它们放人模型库,实践证明可以大大提高建模效率.模型库的使用加强了系统的灵活性,决策者在解决问题时可以进行多模型比较.模型库系统负责模型库中模型的提取,调用,以及根据新发现对旧模型作增,删,改.2.4 建模步骤如图 2 所示,模型的建立分为四个步骤:建立概念模型,建立定量模型,模型检验,模型应用.它们相互联系,相互制约,不断修正.1)建立概念模型.明确定义所研究
18、的问题,确定建模的目的,确定系统边界,建立要素关系图.2)建立定量模型,即概念模型的数量化.主要内容是选用适当的物理和数学方法,确定变量间的函数关系,确定模拟的时间步长,运行模型,获取最初结果.3)模型检验 .模型检验包括模型验证和模型确定.4)模型应用 .模型应用是指设计和执行模拟试验,分析,综合和解释模型结果.图 2 模型库的结构设计图Fig.2Designstructurechartofmodellibrary3GeoView 中三维模型库的实现和应用基于以上的三维模型库设计,本文在 GeoView中实现了 GIS 三维模型库的构建系统.该三维模型库提供了点状模型,线状模型,体结构模型,
19、块状模20 有色金属(矿山部分) 第 6o 卷型,特征模型等基础模型.通过对三维基本对象进行组合,分解以及大小,颜色的变换,建立一些与地学相关的基本模型,并可在模型上贴纹理,加以光照,雾化,复杂模型通过离散点生成 DEM 或 TIN 模型.用户可以调用这些模型库中的模型.本系统还提供了用户自定义模型,用户可以根据其特定的需要将用户自定义的模型,导入用户自定义模型库中,并且可以对模型进行快速调用和准确的定位,还可以对模型库中的基本模型进行组合,分解,裁剪,布尔操作,得出用户需要的模型.浏览每种类型的模型时,可以在右边的控件中进行相应的选择,对模型进行放大,缩小,旋转,平移,复位,让用户从多角度,
20、多比例观察模型.以 GeoView3D 的一个应用系统数字矿山和数字城市为例,对于开采规划合格的矿山而言,多数模型具有相同的局部几何轮廓,巷道的基础设施也具有相同的外形,对于规划合格,风格一致的城市范围也是如此,区别在于他们的几何位置的差异,这些相同或类似的几个特征可以先建立其模型,作为公共模型,以供大范围矿山构建时调用,这样只需要对公共模型进行简单地缩放或是移动,以便成为复杂模型的组成部分,从而可以减少重复的建模工作量,大大提高几何建模效率(图 3,4).图 3 紫金矿山巷道模型Fig.3LanewaymodelofZijinmine图 4 南京南站模型Fig.4Thesouthdepotm
21、odelofNanjing4 结语与二维符号相比,三维模型能使人更加直观地联想到实际物体.基于三维模型库的矿山三维建模策略,对于提高矿山三维实体建模的速度具有明显的效果.基于三维地学信息系统 GeoView 软件平台上完成了紫金数字矿山三维模型库的设计及实现,其特点是:简化并形象地描述了模型,保证其在外观和材质上相似,保证模型的清晰 l 生和简洁性,保证了模型构建的简洁性,而且还能很好的顾及软硬件的支持,并能够快速地浏览和调度模型,减少重复的工作量,大大提高了建模效率.参考文献1韦玉春,陈锁忠 .地理建模原理与方法M.科学出版社,2005,1167.2徐云和,赵吉先 ,程朋根,等.地矿 3 维 GIS 模型的构建及可视化J. 中国矿业,2003,12(4):6O 一 62.3杨必胜,李清泉 ,梅宝燕.三维城市模型的可视化研究J.测绘,2000,29(5):149154.4朱庆,高玉荣 ,危拥军.GIS 三维模型的设计J.武汉大学(信息科学版),2003,28(3):283287.5肖乐斌,钟耳顺 ,刘纪远,等.三维 GIS 的基本问题探讨J.中国图象图形,2001,6(9):842 848.口
