三维工程环境构建理论与实践

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第1章 三维工程环境发展概述
　　工程建设与工程环境紧密相连，二维工程环境过于抽象，且数据获取手段单一、数据精度低、效率低、劳动量大、破坏环境，迫切需要一种新型的工程环境来满足现代工程建设的需要。本章主要介绍从二维到三维工程环境的发展，从二维和三维工程环境构建技术及其发展历程，引出三维工程环境构建应用背景，并通过介绍三维工程环境构建方法引出全书主要内容，包括数据采集、数据建模、数据管理、可视化理论、虚拟场景构建以及质量评价等三维场景创建的理论和实践。
　　1.1 工程环境构建发展历程
　　俗话说“百闻不如一见”，以图形的方式观察和认识客观事物，是人类最便捷的认知方式。人类所感受到的外界信息中有80%以上来自视觉，图形技术的重要影响由此可见一斑。真实三维环境重建和可视化表示，是地理信息工程领域，包括测绘、遥感（remote sensing，RS）和地理信息系统（geographic information system， GIS）等领域的研究热点之一。地理空间信息可视化是信息可视化中的重要技术，是把所有对象都置于一个真实的三维环境中，实现数据的可视化，实现真正意义上的“所见即所得”。可视化技术为记录现象、发现规律、预测结果提供了独到的方法。
　　所谓工程环境，即通过大量的数据建立起一种可视化的服务于工程建设的环境。相对于数据和文字，人们对图形图像具有更强的信息获取能力。海量数据通过可视化变成图像，可以更好地激发形象思维，找出数据中的规律，为科学发现、工程开发、业务决策等提供依据。例如，地质勘探，采集的地质数据都是离散数据，做分析时通常要把这些离散数据可视化。又如，城市规划，设计方案是零碎的、抽象的，缺乏对设计效果的直观感性表达。如果将方案可视化，无需很多的语言描述，就可以一目了然。众多领域和行业的现实需求形成了计算机表达工程环境的研究课题。该技术在城市规划、工程设计、环境保护、灾害防治、军事工程等领域受到广泛关注，吸引了相当多的研究人员投身其中。从现有可视化技术的发展来看，工程环境经历了从二维到三维发展的过程，本节主要介绍二维工程环境及三维工程环境的发展历程。
　　1.1.1 二维工程环境构建技术
　　20世纪80年代末期至90年代中期，随着计算机图形学和AutoCAD等图形支撑软件的发展，计算机辅助设计（computer aided design，CAD）技术也从单纯的数值计算分析发展为图形交互式自动设计，开发出了集地形资料处理、工程费用计算、图形交互设计、断面自动设计等于一体的计算机辅助设计系统。通过在用户界面菜单操作就可以实现工程设计、工程费用计算、图形显示、数据修改和图形自动绘制。在此期间，随着现代勘测设计技术的迅速发展和测量仪器的现代化[1]，地形信息数字化的困难也基本得以解决。但CAD电子文档数据在设计、审图、预算、施工各环节之间无法共享，结果的准确性因受阅图者主客观因素的影响而难以估计。
　　到20世纪90年代中期，国内巳经能方便地获得可供计算机辅助设计使用的数字地形信息，现场设计部门在航测技术的研究与应用、计算机辅助勘测与设计，以及计算机辅助成图等方面均做了大量的研究与开发工作，已研制了一批实用软件。交通部组织实施的国家“九五”重点科技攻关项目“GPS、航测遥感、公路计算机辅助设计集成技术”，基于国内已有的公路计算机辅助设计系统的水平和起点较髙的硬件、软件平台，着重研究地形数据采集（如全球定位系统（global positioning system，GPS）、航测及数字测图、遥感、地面速测等）、工程数据库、系统的三化（集成化、可视化、智能化）、三维设计、动态仿真、髙交互性等先进技术在公路设计领域内的应用，将我国的公路计算机辅助设计基础理论及实际应用推上了一个新台阶，大幅度提髙了我国公路的勘测设计水平。以航测、遥感、物探技术等为主的工作模式已广泛应用于铁路前期勘测工作中，各种比例尺地形图、路线平面图、路线平纵断面图、纵横断面图，各种工点图、全线工程地质图，各种水文图件、施工布置图、砂石产地图等，都采用航测遥感方法以及计算机可视化成图。2003年，中南大学道路与铁道工程研究所结合湖南省科委课题“公路数字地形图机助设计系统”开发了道路设计的动态实时的三维可视化系统，可以将三维可视化融入设计过程。
　　国内一些生产单位针对勘测设计中的三维景观模型的建立和浏览方法提出了直接支持设计成果数据的实现途径，主要可分成以下两类：一类是保持原有计算机辅助设计数据结构和文件组织方式，使用计算机辅助设计系统的二次开发工具对计算机辅助设计系统进行扩展，增加三维设计成果景观模型贴图和动态浏览的插件。这种方法的优点是将二维和三维设计及表现真正集成到同一平台[2]，能借助商用计算机辅助设计系统获得很强的三维几何编辑能力，便于设计成果几何模型的修改，但由于受到计算机辅助设计系统本身数据结构的制约和二次开发能力的限制，很难生成真实感较强的景观模型，无法实现勘测信息与图形的关联査询、修改，另外还受到计算机辅助设计数据内存管理方式的影响，对大数据量地形和模型动态调度处理能力很弱。另一类是设计新的三维数据结构和场景组织方式，开发独立于计算机辅助设计系统的三维建模、浏览和分析应用平台，它把勘测设计的成果数据看成是外部数据源，依据勘测设计成果数字地面模型（digital terrain model， DTM）、平纵横断面数据进行设计成果三维景观模型的建立和浏览，从而生成设计成果的真实感景观模型。
　　空间信息技术、计算机技术的发展，为现实工程环境的模拟提供了更为有效的数据获取手段和管理模式；虚拟现实和可视化技术的发展，使二维工程环境逐渐向三维工程环境过渡，下面介绍三维工程环境构建技术。
　　1.1.2 三维工程环境构建技术
　　随着计算机硬件技术的不断进步，渲染技术、三维可视化技术已经从早期的理论研究中解放出来，开始广泛地应用到各行各业中，并创造出巨大的经济效益。三维工程环境是对真实地理环境的表达、模拟、仿真、延伸和超越，以计算机技术、可视化技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，运用GIS技术、RS技术、GPS技术等在计算机中对真实工程环境进行数字三维模拟，并可在此基础上进行虚拟仿真和三维分析[3]。因此，三维虚拟现实技术也越来越受到开发者们的关注。三维工程环境构建技术从数据采集、数据处理到三维虚拟场景建立主要包括如下技术：
　　第一，三维工程环境信息的获取。地理环境三维空间信息，是地理环境三维模型的展示，也是三维工程环境建设的基础工程，主要包括三维地形、地质、建筑物/工程数据以及地表纹理图像数据。工程环境三维空间信息可以应用于构建工程环境三维模型所需要的真三维的空间数据（包括平面位置、髙程或高度数据）和真实影像数据（包括建筑物/工程顶部和侧面纹理）。所需获取的具体数据包括地形数据、数字化地图数据、建筑物/工程髙度数据、航摄像片、地面近景照片以及纹理图片等，将其抽象，可以归为4大类:数字线划数据、影像数据、数字高程模型（digital elevation model，DEM）和地物的属性数据。其中，DEM的获取途径有:①直接使用已有二维GIS中的DEM；②通过数字摄影测量系统，处理航摄影像生成；③由机载激光扫描系统直接扫描并经后续处理得到；④用合成孔径雷达获取。
　　另外，GPS是空间信息系统的空间数据的重要采集和更新手段之一。数字地图数据的获取可以通过地图数据采集的方法得到虚拟地理环境三维建模所需的数据。对基于扫描矢量化得到的数字地图处理，通过CAD软件可以完成一定的三维建模工作。
　　第二，通过3S（RS、GIS、GPS）—体化技术建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统，形成高速、高精度的信息处理流程。
　　第三，虚拟三维工程场景构建。主要包括OpenGL（open graphics library）、智能化实时建模技术、数据仓库集成与数据挖掘技术等[4]。OpenGL是开放式图形工业标准，是绘制高度真实感三维图形、实现交互式视景仿真和虚拟现实的高性能的开发软件包。智能化实时建模技术包括建模过程中的数字图形信息智能提取及优化、建模流程的智能化更新和随设计效果变化的自动建模。虚拟地理环境系统包含多种来自不同系统的数据（RS、GIS、大型科学计算结果、虚拟现实（virtual reality， VR）系统中的建模数据以及Internet数据等），单一的常规数据库技术远远满足不了大型的多源空间数据融合、集成、交互和信息提取，为满足大型应用要求，还可能需要利用数据仓库集成和数据挖掘技术。
　　1.1.3 计算机及可视化技术
　　三维工程环境的构建离不开计算机可视化技术。在1987年美国国家科学基金委员会报告中，将计算机可视化定义为通过研制计算机工具、技术和系统，把大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析。
　　计算机可视化自20世纪80年代被提出以来，迅速发展成为一门新兴的学科，其理论和技术对地学信息的表达和分析产生了很大影响，这种影响可以归纳为两个方面:一方面是从技术层面上，将可视化技术与GIS技术相结合，促进GIS地学数据的图形表达；另一方面是在理论研究上，促进了地学研究的进展。下面就这两个方面对科学计算可视化与地学分析结合的研究情况做简单介绍。
　　1.可视化技术对GIS的影响
　　当前计算机可视化侧重于研究复杂三维体的可视化，大型数据场的可视化和空间变化过程的可视化。而GIS从20世纪60年代发展以来，一直侧重于二维空间数据管理和二维可视化，缺乏髙效、自动的三维空间数据的可视化工具，如无法有效表达地质体、矿山、海洋、大气等地学三维数据场，也无法有效表达海洋运动、大气运动等自然过程。可视化技术对三维体数据和数据场的研究可以弥补GIS 在三维数据图形表达上的不足，推动三维GIS的发展。
　　2.可视化理论对地学研究的影响
　　可视化与信息的交流、分析和认知理论受到地学界，特别是地理学家的髙度重视。国际地图学协会（International Cartographic Association， ICA）在1995年成立了一个新的可视化委员会，并在1996年6月与国际计算机协会（Association for Computing Machinery， ACM）计算机图形专业组（Special Interest Group on GraphiCS，SIGGRAPH）合作，开始一个名为“CartoProject”的研究项目，其目的是探索利用计算机图形学的进展把可视化方法有效地运用到地图学与空间数据分析上，促进科学计算可视化与地图学或地理学的连接。一些地学专家也从不同角度对可视化理论在地学中的地位和作用进行了探讨，并提出了探析地图学、地图可视化和地理可视化等理论，强调了可视化在人们与地学信息交流、认知分析和可视地学思维中的作用。可视化技术与虚拟现实技术的结合，受到了从事可视化技术研究和虚拟现实技术研究双方的重视。可视化技术为从复杂的抽象数据生成虚拟图形空间提供了可能，而虚拟现实系统先进的显示方式和多种用户交互途径则为可视化技术研究提供了理想的技术平台，特别是虚拟现实系统提供的多种交互手段，为可视化分析提供了理想的手段。
　　1.2 三维工程环境本质
　　在二维工程环境下，将Z值定义的表面投影到（X，Y）二维坐标系，因而只能处理二维平面上的信息，不能处理Z轴铅垂方向上的信息。例如，处理城市高层建筑群时，能描述二维平面上建筑物的地基边界，但却无法描述建筑物顶部髙程及其复杂的空间形态，其本质上是基于抽象符号的系统不能给人以自然界的本原感受。随着应用的深人，高程信息显得越来越重要。虽然某些二维GIS已能处理髙程信息，但它们并未将高程作为独立的变量来对待，而仅将其视作附属的属性变量，即将Z值定义的表面投影到（X，Y，Z）三维坐标系，并同时显示出三个坐标轴