三、地理信息系统的可视化与虚拟现实1三维空间制图模型地理实体的模型就其复杂程度而言,可以分为三类:线框模型、面模型和实体模型。(1)线框模型①线框模型的定义线框模型主要使用直线、折线、曲线等来表示物体的棱边形体特征。线框模型表示顶点信息和边的信息。这些边可能是所有顶点中每两个点间的连线,也可能是这些连线中的一部分。②优缺点这种模型的主要优点是简单,易于生成各种投影视图。但它仅仅给出了物体的框架结构,而无法给出物体的表面信息。(2)面模型①面模型的定义面模型是在线框模型的基础上增加了有关面与边的拓扑信息而得,主要使用多边形、曲面等物体的各个表面单位来表示其形体特征。该模型给出了顶点的几何信息及边与顶点、面与边之间的二层拓扑信息。②优缺点与线框模型相比,面模型具有较丰富的形体信息,但它并未指出该物体是实心还是空心,哪里是物体的内部和外部等信息,因此仅适用于描述物体的外壳。(3)实体模型⏺①实体模型的定义实体模型常用多面体、球体、锥体等基本体素及并、交、差等运算来描述物体。②实体模型的表示方法a.体素模型体素是指通过某种组合操作构成复杂实体的简单实体。组合操作有并、交、差等。每一体素在参与组合操作之前必须经历某种变换(包括比 例、平移、旋转等),使它从被定义的状态变换到被组合状态。b.边界表示法在边界表示法中一个实体通过包围它的曲面片或平面多边形的集合(边界)来表示,一个实体的边界必须将实体内部的点和外部的点区分开 来,因此实体的边界完整地定义了该实体。c.四叉树和八叉树四叉树和八叉树分别是用层次式的二维或三维空间子域划分来代替大小相等、规则排列的二维或三维单元阵列的一种高效方法。2数字高程模型的构造(1)网格表面构造两种构造光滑表面的方法。①Bezier表面a.Bezier表面的定义Bezier表面有一个特征多面体。Bezier表面的一般方程⏺式中:Pij为特征多边形的(m+1)×(n+1)二维阵列; Bim(u)和Bjn(v)定义为曲线的基函数。b.Bezier曲面的性质第一,Bezier曲面特征网格的四个角点正好是Bezier曲面的四个角点;第二,Bezier曲面特征网格最外一圈顶点定义Bezier曲面的四条边界; 曲面边界的跨界切线矢量只与定义该边界的顶点及相邻一排顶点有关; 其跨界二阶导矢只与定义该边界的顶点及相邻两排顶点有关。第三,几何不变性; 第四,对称性;第五,凸包性。②B-样条表面B-样条表面可以通过一个特征多面体来定义式中:Pij为定义特征多面体的顶点;Nik(u)和Njl(v)是和8一样条曲线一样的基函数。(2)隐藏线和隐藏面的消除①隐藏线和隐藏面的定义隐藏线是指由于物体自身遮挡或相互遮挡而无法看见的线条。隐藏面是指为显示物体表面信息而消去的物体本身的背部或被其他物体遮挡的面或面的一部分。②消隐算法分类:a.物空间消隐算法⏺通过在定义物体的三维空间中对有关集合元素进行计算和比较,确定什么是可见线(面)、什么是隐藏线(面),然后仅显示可见线(面), 从而实现消隐。b.像空间消隐算法通过把景物看做由几个多边形平面组成的集合,对显示设备每一个像素进行判断,决定哪个面应该在该像素上显示,从而实现消隐。3虚拟现实的设计与实现(1)虚拟现实技术①虚拟现实技术的定义虚拟现实技术是指采用各种技术,来营造一个使人感觉置身于类似于现实世界的环境中。②虚拟现实技术特征 a.立体感的视觉效果; b.存在感;c.多感知性;d.闭环交互方式; e.动态显示。(2)真实感图形与纹理贴图真实感图形是指将模拟场景的三维描述变成二维灰度列阵的过程得到的灰度浓淡图像,具有相片观察效果。纹理贴图是指在三维物体表面上加绘细节时指定的不同图像。(3)光照模型和光线跟踪⏺①光照模型是指模拟物体表面的光照物理现象的数学模型。②光线跟踪是指沿着到达视点的光线的反方向跟踪,经过屏幕上每一个象素,找出与视线相交的物体表面点P0,继续跟踪,找出影响P0点光强的所有光源,算出P0点上精确的光线强度。(4)视差原理与体视图的生成①视差原理的定义视差原理是根据人眼的左、右视点能够对同一事物分别生成两幅图像, 产生视差效果,从而对事物的远近程度做出判断。②体视图生成方法a.用编程的方法,分别生成左右视点的图像;b.另一种方法是利用现成的三维软件,生成左右视点的图像。⏺8.2课后习题详解1GIS产品有哪些表现形式?各适合在什么情况下使用? 答:(1)按输出的载体类型分类:①常规地图(是印刷在纸张、塑料薄膜等材料载体上的,是GIS产品的重要输出形式)②数字地图(一种新的以计算机为存储和显示载体的地图形式)(2)按输出的内容和形式分类:①全要素地形图(在内容上通常全面表达水系、地貌、植被、居民点和独立地物等地理要素,采用统一坐标系统地图投影和分幅编号,比例尺系统,以及统一的编制规范和图式符号,属于国家基本比例尺地形图)②各类专题地图(突出表现一种或者几种自然或社会经济要素的地图)③遥感影像地图(及时提供准确,综合大范围的各种资源环境数据,成为GIS重要数据源之一)④统计图表与数据报表2简述GIS图形输出的内容是什么? 答:(1)图形坐标系与颜色模型:①图形坐标系统(地球表面世界坐标系、输出设备的物理坐标系)②颜色模型与颜色空间(RGB、CMYK、HSV颜色模型)③GIS图形数据结构与数据库;(2)输出的几何变换:①二维图形变换⏺②地图投影变换(3)地形图与专题地图的输出组织形式:①透明图层与影像图层②专题地图的符号系统(点位、线、面状符号)3试述GIS图形输出的组织形式及地图图面配置的内容和要求。答:(1)地形图与专题地图的输出组织形式①透明图层与影像图层GIS数字地图通常以图层形式进行组织,每一个图层包含地图的一个不同要素,常放在不同图层中。图层是透明的,各图层叠加在一起构成完整的一幅地图。②专题地图的符号系统专题地图符号系统中的符号可以分为点位符号、线状符号和面状符号 等。专题地图特征的表达时运用不同地图符号来实现的,符号在图上的位置取决于它所表现的实体的位置,符号的形状的大小取决于实体的质量和数据特征。(2)地图图面配置的内容和要求地图图面配置包括:各种大小或类型的地图的配置;地图的图名、图 例、比例尺、统计图表、照片、影像、文字说明等的位置与大小;专题要素与底图要素的配合与取舍;专题内容与图廓的关系等。4试述面状符号图的制图原理及方法步骤。

三、地理信息系统的可视化与虚拟现实

1三维空间制图模型

地理实体的模型就其复杂程度而言,可以分为三类:线框模型、面模型和实体模型。

(1)线框模型

①线框模型的定义

线框模型主要使用直线、折线、曲线等来表示物体的棱边形体特征。线框模型表示顶点信息和边的信息。这些边可能是所有顶点中每两个点间的连线,也可能是这些连线中的一部分。

②优缺点

这种模型的主要优点是简单,易于生成各种投影视图。但它仅仅给出了物体的框架结构,而无法给出物体的表面信息。

(2)面模型

①面模型的定义

面模型是在线框模型的基础上增加了有关面与边的拓扑信息而得,主要使用多边形、曲面等物体的各个表面单位来表示其形体特征。该模型给出了顶点的几何信息及边与顶点、面与边之间的二层拓扑信息。

②优缺点

与线框模型相比,面模型具有较丰富的形体信息,但它并未指出该物体是实心还是空心,哪里是物体的内部和外部等信息,因此仅适用于描述物体的外壳。

(3)实体模型

⏺

①实体模型的定义

实体模型常用多面体、球体、锥体等基本体素及并、交、差等运算来描述物体。

②实体模型的表示方法

a.体素模型

体素是指通过某种组合操作构成复杂实体的简单实体。组合操作有并、交、差等。每一体素在参与组合操作之前必须经历某种变换(包括比 例、平移、旋转等),使它从被定义的状态变换到被组合状态。

b.边界表示法

在边界表示法中一个实体通过包围它的曲面片或平面多边形的集合(边界)来表示,一个实体的边界必须将实体内部的点和外部的点区分开 来,因此实体的边界完整地定义了该实体。

c.四叉树和八叉树

四叉树和八叉树分别是用层次式的二维或三维空间子域划分来代替大小相等、规则排列的二维或三维单元阵列的一种高效方法。

2数字高程模型的构造

(1)网格表面构造

两种构造光滑表面的方法。

①Bezier表面

a.Bezier表面的定义

Bezier表面有一个特征多面体。Bezier表面的一般方程

⏺

式中:Pij为特征多边形的(m+1)×(n+1)二维阵列; Bim(u)和Bjn(v)定义为曲线的基函数。

b.Bezier曲面的性质

第一,Bezier曲面特征网格的四个角点正好是Bezier曲面的四个角点;

第二,Bezier曲面特征网格最外一圈顶点定义Bezier曲面的四条边界; 曲面边界的跨界切线矢量只与定义该边界的顶点及相邻一排顶点有关; 其跨界二阶导矢只与定义该边界的顶点及相邻两排顶点有关。

第三,几何不变性; 第四,对称性;

第五,凸包性。

②B-样条表面

B-样条表面可以通过一个特征多面体来定义

式中:Pij为定义特征多面体的顶点;Nik(u)和Njl(v)是和8一样条曲线一样的基函数。

(2)隐藏线和隐藏面的消除

①隐藏线和隐藏面的定义

隐藏线是指由于物体自身遮挡或相互遮挡而无法看见的线条。

隐藏面是指为显示物体表面信息而消去的物体本身的背部或被其他物体遮挡的面或面的一部分。

②消隐算法分类:

a.物空间消隐算法

⏺

通过在定义物体的三维空间中对有关集合元素进行计算和比较,确定什么是可见线(面)、什么是隐藏线(面),然后仅显示可见线(面), 从而实现消隐。

b.像空间消隐算法

通过把景物看做由几个多边形平面组成的集合,对显示设备每一个像素进行判断,决定哪个面应该在该像素上显示,从而实现消隐。

3虚拟现实的设计与实现

(1)虚拟现实技术

①虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术是指采用各种技术,来营造一个使人感觉置身于类似于现实世界的环境中。

②虚拟现实技术特征 a.立体感的视觉效果; b.存在感;

c.多感知性;

d.闭环交互方式; e.动态显示。

(2)真实感图形与纹理贴图

真实感图形是指将模拟场景的三维描述变成二维灰度列阵的过程得到的灰度浓淡图像,具有相片观察效果。

纹理贴图是指在三维物体表面上加绘细节时指定的不同图像。

(3)光照模型和光线跟踪

⏺

①光照模型是指模拟物体表面的光照物理现象的数学模型。

②光线跟踪是指沿着到达视点的光线的反方向跟踪,经过屏幕上每一个象素,找出与视线相交的物体表面点P0,继续跟踪,找出影响P0点光强的所有光源,算出P0点上精确的光线强度。

(4)视差原理与体视图的生成

①视差原理的定义

视差原理是根据人眼的左、右视点能够对同一事物分别生成两幅图像, 产生视差效果,从而对事物的远近程度做出判断。

②体视图生成方法

a.用编程的方法,分别生成左右视点的图像;

b.另一种方法是利用现成的三维软件,生成左右视点的图像。

⏺

8.2课后习题详解

1GIS产品有哪些表现形式?各适合在什么情况下使用? 答:(1)按输出的载体类型分类:

①常规地图(是印刷在纸张、塑料薄膜等材料载体上的,是GIS产品的重要输出形式)

②数字地图(一种新的以计算机为存储和显示载体的地图形式)

(2)按输出的内容和形式分类:

①全要素地形图(在内容上通常全面表达水系、地貌、植被、居民点和独立地物等地理要素,采用统一坐标系统地图投影和分幅编号,比例尺系统,以及统一的编制规范和图式符号,属于国家基本比例尺地形图)

②各类专题地图(突出表现一种或者几种自然或社会经济要素的地图)

③遥感影像地图(及时提供准确,综合大范围的各种资源环境数据,成为GIS重要数据源之一)

④统计图表与数据报表

2简述GIS图形输出的内容是什么? 答:(1)图形坐标系与颜色模型:

①图形坐标系统(地球表面世界坐标系、输出设备的物理坐标系)

②颜色模型与颜色空间(RGB、CMYK、HSV颜色模型)

③GIS图形数据结构与数据库;

(2)输出的几何变换:

①二维图形变换

⏺

②地图投影变换

(3)地形图与专题地图的输出组织形式:

①透明图层与影像图层

②专题地图的符号系统(点位、线、面状符号)

3试述GIS图形输出的组织形式及地图图面配置的内容和要求。答:(1)地形图与专题地图的输出组织形式

①透明图层与影像图层

GIS数字地图通常以图层形式进行组织,每一个图层包含地图的一个不同要素,常放在不同图层中。图层是透明的,各图层叠加在一起构成完整的一幅地图。

②专题地图的符号系统

专题地图符号系统中的符号可以分为点位符号、线状符号和面状符号 等。专题地图特征的表达时运用不同地图符号来实现的,符号在图上的位置取决于它所表现的实体的位置,符号的形状的大小取决于实体的质量和数据特征。

(2)地图图面配置的内容和要求

地图图面配置包括:各种大小或类型的地图的配置;地图的图名、图 例、比例尺、统计图表、照片、影像、文字说明等的位置与大小;专题要素与底图要素的配合与取舍;专题内容与图廓的关系等。

4试述面状符号图的制图原理及方法步骤。