大比例尺数字高程模型的生成及可视化研究
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摘要
数字高程模型DEM是国家空间数据基础设施的框架数据之一，其弥补了等高线的不足，既能表示地面的连续起伏变化，又适合作相应的数学分析和模拟，现在已在各个领域得到了广泛的应用。大比例尺数字高程模型是数字城市空间信息的基础，它提供了数字城市中的二维地图和三维城市模型信息，为海量的城市高程数据提供了管理、存储和维护的有效手段。它的建立为城市设施的数字化、城市三维仿真模型、城市规划、城镇景观设计、虚拟现实的建立提供了强有力的支撑平台。
本文以数字线化图为原始数据，针对大比例地形图的特点，在分析了数字高程模型的两种主要表现形式——不规则三角网TIN和规则格网GRID的特点、数据结构、生成算法的基础上，考虑到大比例尺数字高程模型能最大限度符合实际地形特点，提出了一种从大比例尺数字线化图DLG生成不规则三角网TIN，再由不规则三角网内插生成大比例尺数字高程模型GRID的方法。
综合考虑不规则三角网生成算法的时间和空间性能，分析了常用的三种TIN生成算法：分割-归并法、三角网生长法和逐点插入法，笔者采用分割-归并法与三角网生长法相结合的算法，快速生成了TIN，并以断裂线、地性线、建筑物边界为约束条件，最终生成具有约束的不规则三角网。
从TIN内插生成DEM中，为了保证内插点的稳定可靠的解，笔者采用双线性内插方法，并对DEM进行质量检测。
因为数字高程模型的单纯数据的抽象性，既难以理解，也接受困难。笔者在阐述了可视化的原理、技术手段、地形的真实感图形绘制原理、三维地形的实时动态显示的建模技术等理论的基础上，利用开放式的高性能图形和交互式视景处理标准的OpenGL技术，实现基于DEM的地形可视化。
As one of frame data of National Spatial Data Infrastructure , Digital Elevation Model excels contour line. it can express continuous gurgitation of ground, and it can also carry out relevant mathematical analyses and imitation, so it is applied broadly in various fields at present. Large-scale Digital Elevation Model is foundation of spatial information in CyberCity and provides a great deal of information for 2D map and 3D model of CyberCity, and it provides a kind of efficient method to manage,store and maintain a great many data of cities' elevation. it provides a strong sustaining platform for digitization of cities'establishment,3D cities' simulation model ,city planning, design of sight in town and foundation of virtual reality.
This paper uses Digital Line Graphs for original data . After author bases on Large-scale relief map' feature and analyses the feature , data structure and creation algorithms of two main representation shape—Triangulated Irregular Network and regular grid , author provides a kind of method that large-scale DEM is created from TIN which is created from large-scale DLG.
After the paper sufficiently considered creation algorithmic of triangulated irregular network in time and space and analyzed three creation algorithms of TIN-divide-conquer, triangulation growth, incremental insertion, the paper adopts to a new algorithm that takes advantages of divide-conquer and triangulation growth. It can create TIN quickly. The paper also uses break lines, terrain feature lines ,building borderlines to be restriction condition and creates triangulated irregular network based on restriction.
In order to ensure to get stably reliant explain when DEM is generated from TIN interpolation, author adopts to bilinear interpolation and carries out quality examination of DEM.
Because Digital Elevation Model is abstract data, it is difficult to understand and take in. Based on expatiation of the theory on visualization, technical measure, the theory of real terrain and the modeling techniques on real-time dynamic display of 3D terrain, author has made uses of OpenGL to realize terrain visualization based on DEM.
本文以数字线化图为原始数据，针对大比例地形图的特点，在分析了数字高程模型的两种主要表现形式——不规则三角网TIN和规则格网GRID的特点、数据结构、生成算法的基础上，考虑到大比例尺数字高程模型能最大限度符合实际地形特点，提出了一种从大比例尺数字线化图DLG生成不规则三角网TIN，再由不规则三角网内插生成大比例尺数字高程模型GRID的方法。
综合考虑不规则三角网生成算法的时间和空间性能，分析了常用的三种TIN生成算法：分割-归并法、三角网生长法和逐点插入法，笔者采用分割-归并法与三角网生长法相结合的算法，快速生成了TIN，并以断裂线、地性线、建筑物边界为约束条件，最终生成具有约束的不规则三角网。
从TIN内插生成DEM中，为了保证内插点的稳定可靠的解，笔者采用双线性内插方法，并对DEM进行质量检测。
因为数字高程模型的单纯数据的抽象性，既难以理解，也接受困难。笔者在阐述了可视化的原理、技术手段、地形的真实感图形绘制原理、三维地形的实时动态显示的建模技术等理论的基础上，利用开放式的高性能图形和交互式视景处理标准的OpenGL技术，实现基于DEM的地形可视化。
As one of frame data of National Spatial Data Infrastructure , Digital Elevation Model excels contour line. it can express continuous gurgitation of ground, and it can also carry out relevant mathematical analyses and imitation, so it is applied broadly in various fields at present. Large-scale Digital Elevation Model is foundation of spatial information in CyberCity and provides a great deal of information for 2D map and 3D model of CyberCity, and it provides a kind of efficient method to manage,store and maintain a great many data of cities' elevation. it provides a strong sustaining platform for digitization of cities'establishment,3D cities' simulation model ,city planning, design of sight in town and foundation of virtual reality.
This paper uses Digital Line Graphs for original data . After author bases on Large-scale relief map' feature and analyses the feature , data structure and creation algorithms of two main representation shape—Triangulated Irregular Network and regular grid , author provides a kind of method that large-scale DEM is created from TIN which is created from large-scale DLG.
After the paper sufficiently considered creation algorithmic of triangulated irregular network in time and space and analyzed three creation algorithms of TIN-divide-conquer, triangulation growth, incremental insertion, the paper adopts to a new algorithm that takes advantages of divide-conquer and triangulation growth. It can create TIN quickly. The paper also uses break lines, terrain feature lines ,building borderlines to be restriction condition and creates triangulated irregular network based on restriction.
In order to ensure to get stably reliant explain when DEM is generated from TIN interpolation, author adopts to bilinear interpolation and carries out quality examination of DEM.
Because Digital Elevation Model is abstract data, it is difficult to understand and take in. Based on expatiation of the theory on visualization, technical measure, the theory of real terrain and the modeling techniques on real-time dynamic display of 3D terrain, author has made uses of OpenGL to realize terrain visualization based on DEM.
引文
[1] 徐青，地形三维可视化技术，测绘出版社，2000
[2] 李志林等，数字高程模型，武汉测绘科技出版社，2000
[3] 龚健雅，当代GIS的若干理论与技术，武汉测绘科技大学出版社，2000
[4] 修文群、池天河，城市地理信息系统，北京希望电子出版社，1999
[5] 边馥苓等，GIS地理信息系统原理和方法，测绘出版社，1996
[6] 承继成等，国家空间信息基础设施与数字地球，清华大学出版社，1999
[7] 张祖勋等，数字摄影测量学，武汉测绘科技大学出版社，1997
[8] 蓝运超等，城市信息系统，武汉测绘科技大学出版社，2000
[9] 阎正等，城市地理信息系统标准化指南，科学出版社，1999
[10] 宋小东、叶嘉安，地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用，科学出版社，2000第二版
[11] 陈述彭主编，城市化与城市地理信息系统，科学出版社，2000
[12] 郭仁忠，空间分析，武汉科技大学出版社，2000
[13] 徐建刚、韩学培等，城市规划信息技术开发及应用，东南大学出版社，2000
[14] 张伟、顾朝林著，城市与区域规划模型系统，东南大学出版社，2000
[15] Donald Hearn等著，计算机图形学，电子工业出版社，1998
[16] 梁维，Visual C++6.0编程实用教程，中国水利水电出版社，1999
[17] 李于剑,Visual C++实践与提高（图形图像编程篇）,中国铁道出版社，2000
[18] 陈建春,Visual C++开发GIS系统—开发实例剖析，电子工业出版社，2000
[19] 樊红，ARC/INFO应用与开发技术，武汉测绘科技大学出版社，1999
[20] 童长武、王博等，Visual C++计算机语言函数应用，科学出版社，2000
[21] 费广正、乔林，Visual C++高级编程技术（OpenGL篇），中国铁道出版社，2000
[22] 廖朵朵、张华军，OpenGL三维图形程序设计，北京：星球地图出版社，1996
[23] 邹海明、余祥宣，计算机算法基础，华中理工大学出版社，1990
[24] 胡友元等，计算机地图制图，测绘出版社，1987
[25] 王来生等，大比例尺地形图机助绘图算法及程序，测绘出版社，1993
[26] 卢秀山等,大比例尺地学图形全解析测绘基本原理及其应用,地震出版社,1998
[27] 中国地理信息系统协会编 中国地理信息系统协会1999年年会论文集（上、下），内部资料，1999
[28] 中国地理信息系统协会编 中国地理信息系统协会2000年年会论文集（上、下），内部资料，2000
[29] 中国地理信息系统协会编 中国地理信息系统协会2001年年会论文集，内部资料，2001
[30] 城市地理信息系统学术论坛编辑部编，城市地理信息系统学术论坛1999年会论文集 ，内部资料，1999
[31] 城市地理信息系统学术论坛编辑部编，城市地理信息系统学术论坛2000年会论文集，内部资料，2000
[32] 朱庆，数字高程模型（DEM）建库方案，测绘信息与工程，1999，2
[33] 武晓波、王世新等，Delaunay三角网的生成算法研究，测绘学报，1999,1
[34] 高世海、赵韶平等，基于PC机的三维地图制作，测绘通报，1999，1
[35] 王永明，地形可视化，中国图象图形学报，2000，6
[36] 徐青、常歌等，基于自适应分块的TIN三角网建立算法，中国图象图形学报，2000，6
[37] 孙洪君、杜道生等，关于地球形状的三维可视化研究，武汉测绘科技大学学报，2000,2
[38] 杨必胜、李清泉等，3维城市模型的可视化研究，测绘学报，2000，2
[39] 齐敏、郝重阳等，三维地形生成及实时显示技术研究进展，中国图象图形学报，2000,4
[40] 眭海刚、朱庆，一种从DLG生成高质量DEM的混合方式，测绘通报，2001,4
[41] 武胜林、张学礼等，DEM中顾及方向的单点移面内插法，测绘科学，2001,2
[42] 周秋生，建立数字地面模型的算法研究，测绘工程，2001，1
[43] 李青元、林宗坚，真三维GIS技术研究的现状与发展，测绘科学，2000,2
[44] 尤红建，刘彤等，城市DSM的快速获取及其三维显示的研究，遥感学报，2001，1
[45] 戴晨光、张永生，基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术，测绘工程，1999,3
[46] 花向红，测量数据可视化技术研究，测绘工程，1999.3
[47] 胡卫明，凌海滨，大幅面地图的快速自动地形晕渲，计算机学报，2000，8
[48] ESRI,ARCVIEW,Using ArcView GIS
[49] ESRI,ARCVIEW,Using the ArcView Spatial Analyst
[50] ESRI,ARCVIEW,Using Avenue
[51] Tsai V J D.Delaunay Triangulations in TIN Creation:an Overview and a Linear_time Algorithm.Int.J.of Gis,1993
[52] Lee D T. and Schachter B J.Two Algorithms for Constructing a Delaunay Triangulation,Int.J.of Computer and Information Sciences,1980
[53]Li Zhi-lin.Objective Representation of DTM Surfaces in Scale Dimension[J].Dynamic and Multi_Dimensional GIS,1999
[54] CARRARA A,BITELLIG,CARIA R,Comparision of Techniques for Generating Digital Terrain Models from Contour Lines[J].GeoGraphical Information Science,1997,11(5)
[55] Li Zhi-lin .Sampling Strategy and Accuracy Assessment for Digital Terrain Modelling[D].[s.l.]:The University of Glasgow,1990
[56] MaCaullagh MT,Ross CG.Delaunay triangulation of a random data set for iirarithmic mapping.The Cartographic Journal ,1980,(17)
[57] Sibson R. Locally Equiangular Triangulations.Computer Journal,1978,21(3)
[58] Lingas A.The Greedy and Delaunay Triangulations are not Bad in the Average Case.Information Processing Letters,1986(22)
[59] http://www.nlc.gov.cn/ (中国国家图书馆)
[60] http://www.digiark.com/tushu/index.html (数字图书馆)
[61] http://www.periodicals.com.cn:7050/ (中国数字化期刊群)
[62] http://yuyu.6to23.com/bookcity/ (电脑书籍下载城)
[63] http://www.cnki.net/ (CNKI知识创新网)
[64] http://www.lib.tsinghua.edu.cn/calis/ (工程文献中心)
[65] http://www.nstl.gov.cn/ (国家科技图书文献资源网络服务系统)
[66] http://202.112.118.2/GC/gc-ywqwqk-a/ (英文电子全文期刊)
[67] http://www.las.ac.cn/ (中科院文献情报中心)
[68] http://www.digitalearth.net.cn/ (数字地球网站)
[69] http://www.chinadci.com/ (广州城市信息研究所)
[70] http://www.digitalgx.com/information/info_index.htm (数字广西)
[71] http://geostar.wtusm.edu.cn/ (武汉吉奥信息工程技术有限公司)
[71] http://www.supermap.com.cn/ (北京超图地理信息技术有限公司)
[73] http://nfgis.nsdi.gov.cn/asp/csi/database.asp (中国空间信息网)
[74] http://www.4sgis.com/
[75] http://www.geoway.com.cn/download/default.asp (自由下载)
[76] http://www.newcyber3d.com/ (新时空三维图形与虚拟现实俱乐部)
[77] http://gisfan.top263.net/frame-1.htm (gisfan的数字家园)
[78] http://gis.my163.com/
[79] http://www.gischina.com/ (地理信息系统论坛)
[80] http://www.jig.com.cn/ (中国图象图形网)
[81] http://www.autocad.com.cn/
[82]http://formats.myrice.com/
[83] http://www.tuxiangsheji.com/
[84] http://lonsw.533.net/
[85] http://www.artech.com.cn/index_im.htm
[86] http://www.xianhe.com.cn/index1.htm
[87] http://www.vckbase.com/ (VC知识库)
[88] http://grwy.online.ha.cn/explorer/ (探索者工作室)
[89] http://nullhue.myrice.com/ (接触编程技术空间)
[90] http://go4.163.com/vcpage/ (VC中网)
[2] 李志林等，数字高程模型，武汉测绘科技出版社，2000
[3] 龚健雅，当代GIS的若干理论与技术，武汉测绘科技大学出版社，2000
[4] 修文群、池天河，城市地理信息系统，北京希望电子出版社，1999
[5] 边馥苓等，GIS地理信息系统原理和方法，测绘出版社，1996
[6] 承继成等，国家空间信息基础设施与数字地球，清华大学出版社，1999
[7] 张祖勋等，数字摄影测量学，武汉测绘科技大学出版社，1997
[8] 蓝运超等，城市信息系统，武汉测绘科技大学出版社，2000
[9] 阎正等，城市地理信息系统标准化指南，科学出版社，1999
[10] 宋小东、叶嘉安，地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用，科学出版社，2000第二版
[11] 陈述彭主编，城市化与城市地理信息系统，科学出版社，2000
[12] 郭仁忠，空间分析，武汉科技大学出版社，2000
[13] 徐建刚、韩学培等，城市规划信息技术开发及应用，东南大学出版社，2000
[14] 张伟、顾朝林著，城市与区域规划模型系统，东南大学出版社，2000
[15] Donald Hearn等著，计算机图形学，电子工业出版社，1998
[16] 梁维，Visual C++6.0编程实用教程，中国水利水电出版社，1999
[17] 李于剑,Visual C++实践与提高（图形图像编程篇）,中国铁道出版社，2000
[18] 陈建春,Visual C++开发GIS系统—开发实例剖析，电子工业出版社，2000
[19] 樊红，ARC/INFO应用与开发技术，武汉测绘科技大学出版社，1999
[20] 童长武、王博等，Visual C++计算机语言函数应用，科学出版社，2000
[21] 费广正、乔林，Visual C++高级编程技术（OpenGL篇），中国铁道出版社，2000
[22] 廖朵朵、张华军，OpenGL三维图形程序设计，北京：星球地图出版社，1996
[23] 邹海明、余祥宣，计算机算法基础，华中理工大学出版社，1990
[24] 胡友元等，计算机地图制图，测绘出版社，1987
[25] 王来生等，大比例尺地形图机助绘图算法及程序，测绘出版社，1993
[26] 卢秀山等,大比例尺地学图形全解析测绘基本原理及其应用,地震出版社,1998
[27] 中国地理信息系统协会编 中国地理信息系统协会1999年年会论文集
[28] 中国地理信息系统协会编 中国地理信息系统协会2000年年会论文集（上、下），内部资料，2000
[29] 中国地理信息系统协会编 中国地理信息系统协会2001年年会论文集，内部资料，2001
[30] 城市地理信息系统学术论坛编辑部编，城市地理信息系统学术论坛1999年会论文集 ，内部资料，1999
[31] 城市地理信息系统学术论坛编辑部编，城市地理信息系统学术论坛2000年会论文集，内部资料，2000
[32] 朱庆，数字高程模型（DEM）建库方案，测绘信息与工程，1999，2
[33] 武晓波、王世新等，Delaunay三角网的生成算法研究，测绘学报，1999,1
[34] 高世海、赵韶平等，基于PC机的三维地图制作，测绘通报，1999，1
[35] 王永明，地形可视化，中国图象图形学报，2000，6
[36] 徐青、常歌等，基于自适应分块的TIN三角网建立算法，中国图象图形学报，2000，6
[37] 孙洪君、杜道生等，关于地球形状的三维可视化研究，武汉测绘科技大学学报，2000,2
[38] 杨必胜、李清泉等，3维城市模型的可视化研究，测绘学报，2000，2
[39] 齐敏、郝重阳等，三维地形生成及实时显示技术研究进展，中国图象图形学报，2000,4
[40] 眭海刚、朱庆，一种从DLG生成高质量DEM的混合方式，测绘通报，2001,4
[41] 武胜林、张学礼等，DEM中顾及方向的单点移面内插法，测绘科学，2001,2
[42] 周秋生，建立数字地面模型的算法研究，测绘工程，2001，1
[43] 李青元、林宗坚，真三维GIS技术研究的现状与发展，测绘科学，2000,2
[44] 尤红建，刘彤等，城市DSM的快速获取及其三维显示的研究，遥感学报，2001，1
[45] 戴晨光、张永生，基于数字摄影测量的虚拟地形生成技术，测绘工程，1999,3
[46] 花向红，测量数据可视化技术研究，测绘工程，1999.3
[47] 胡卫明，凌海滨，大幅面地图的快速自动地形晕渲，计算机学报，2000，8
[48] ESRI,ARCVIEW,Using ArcView GIS
[49] ESRI,ARCVIEW,Using the ArcView Spatial Analyst
[50] ESRI,ARCVIEW,Using Avenue
[51] Tsai V J D.Delaunay Triangulations in TIN Creation:an Overview and a Linear_time Algorithm.Int.J.of Gis,1993
[52] Lee D T. and Schachter B J.Two Algorithms for Constructing a Delaunay Triangulation,Int.J.of Computer and Information Sciences,1980
[53]
[54] CARRARA A,BITELLIG,CARIA R,Comparision of Techniques for Generating Digital Terrain Models from Contour Lines[J].GeoGraphical Information Science,1997,11(5)
[55] Li Zhi-lin .Sampling Strategy and Accuracy Assessment for Digital Terrain Modelling[D].[s.l.]:The University of Glasgow,1990
[56] MaCaullagh MT,Ross CG.Delaunay triangulation of a random data set for iirarithmic mapping.The Cartographic Journal ,1980,(17)
[57] Sibson R. Locally Equiangular Triangulations.Computer Journal,1978,21(3)
[58] Lingas A.The Greedy and Delaunay Triangulations are not Bad in the Average Case.Information Processing Letters,1986(22)
[59] http://www.nlc.gov.cn/ (中国国家图书馆)
[60] http://www.digiark.com/tushu/index.html (数字图书馆)
[61] http://www.periodicals.com.cn:7050/ (中国数字化期刊群)
[62] http://yuyu.6to23.com/bookcity/ (电脑书籍下载城)
[63] http://www.cnki.net/ (CNKI知识创新网)
[64] http://www.lib.tsinghua.edu.cn/calis/ (工程文献中心)
[65] http://www.nstl.gov.cn/ (国家科技图书文献资源网络服务系统)
[66] http://202.112.118.2/GC/gc-ywqwqk-a/ (英文电子全文期刊)
[67] http://www.las.ac.cn/ (中科院文献情报中心)
[68] http://www.digitalearth.net.cn/ (数字地球网站)
[69] http://www.chinadci.com/ (广州城市信息研究所)
[70] http://www.digitalgx.com/information/info_index.htm (数字广西)
[71] http://geostar.wtusm.edu.cn/ (武汉吉奥信息工程技术有限公司)
[71] http://www.supermap.com.cn/ (北京超图地理信息技术有限公司)
[73] http://nfgis.nsdi.gov.cn/asp/csi/database.asp (中国空间信息网)
[74] http://www.4sgis.com/
[75] http://www.geoway.com.cn/download/default.asp (自由下载)
[76] http://www.newcyber3d.com/ (新时空三维图形与虚拟现实俱乐部)
[77] http://gisfan.top263.net/frame-1.htm (gisfan的数字家园)
[78] http://gis.my163.com/
[79] http://www.gischina.com/ (地理信息系统论坛)
[80] http://www.jig.com.cn/ (中国图象图形网)
[81] http://www.autocad.com.cn/
[82]
[83] http://www.tuxiangsheji.com/
[84] http://lonsw.533.net/
[85] http://www.artech.com.cn/index_im.htm
[86] http://www.xianhe.com.cn/index1.htm
[87] http://www.vckbase.com/ (VC知识库)
[88] http://grwy.online.ha.cn/explorer/ (探索者工作室)
[89] http://nullhue.myrice.com/ (接触编程技术空间)
[90] http://go4.163.com/vcpage/ (VC中网)