一个3DGIS的设计与实现

第28卷第1期2005年2月

测绘与空间地理信息

GEOMAT ICS &SPAT IAL I N FORMAT ION TEC HN OLOGY

V o.l 28,N o .1

F eb .,2005

收稿日期:2005-09-06

作者简介:伏永明(1979-),男,河南民权人,中国矿业大学环测学院硕士研究生,主要研究方向:地理信息系统、遥感、视景仿真。

一个3DG I S 的设计与实现

伏永明,汪云甲

(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州221008)

摘要:以M ap O bjects 、OpenF li ght AP I 和V ega Prm i e 为基础设计了一个3DG I S ,并开发一些操作和分析功能。

关键词:3DG I S ;M apOb j ects ;O penF li ght ;V ega Prm i e

中图分类号:P208 文献标识码:B 文章编号:1672-5867(2005)01-0049-03

The Design and I mple m entati on of a 3DGIS

FU Yong m ing ,WANG Yun jia

(Schoo l of Env iron m ent&Spatia l Infor m a tics o f Ch i na M i n i ng &T echno l ogy U niversit y,X uz hou 221008,Ch i na)

Abstrac t :The paper desi gns a 3DG IS based onM ap O b j ects ,O penF li ght AP I and V ega P r i m e and deve lops so m e f unc tions of ope ra ti on and analysis .

K ey word s :3DG IS ;M ap O bjects ;O penF li ght ;V ega P ri m e

0 引 言

地理信息系统(Geographical I n for m ation Sys te m s ,简称G I S)是一个对地球空间信息进行编码、存储、转换、分析和显示的信息系统。在G I S 发展的初期,有关理论研究和应用主要集中在2维平面空间,而将第3维 高程看作属性值,这在一定程度上简化了研究论域,促进了G I S 的发展。随着GIS 理论、技术的发展和应用需求的变化,在许多领域都要求将3维空间(X,Y ,Z )作为一个整体,分析地理实体与现象在3维空间中的分布与变换,在这些应用领域中高程数据具有与平面信息同等重要甚至更为重要的地位,由此促使了3维地理信息系统(3DG I S)的产生和发展。

从2维G IS 到3DG I S,虽然空间维数只增加了一,却包容了丰富的空间信息,由此也面临着大量更加复杂的问题,如:数据量急剧增加、空间关系错综复杂、真实感实时可视化等。迄今为止,国内外还没有一个成熟、完整的3DGIS 系统,与3DG I S 相关的系统大多集中在3维可视化方面。本文尝试以2维为主,3维为辅的混合型开发,在2维GIS 的基础上融入部分3维数据,并开发一些基本的2维

和3维分析操作功能。

1系统设计

如果从基本的代码行(如C /C ++

与OpenGL )

开始开发一个全新的3DG I S,工作量非常大,国内已经出现了I M AG I S 、CCGIS 和VRMAP 等3DG I S ,但是,在建模和漫游效率等方面还有待进一步提高。本次选择合适的框架或平台进行开发,可以充分发挥各软件平台的优势。例如选择仿真软件V ega Pri m e 和OpenF li g ht 格式3维数据库,可以达到很好的渲染效果。1.1系统结构设计

本文结合GIS 组件M apOb jects 、M ulti g en C reato r 提供的OpenFlight API 开发函数和仿真软件V ega Pri m e 来设计一个3DG I S 系统。在V isua l C ++

开发环境下,用ESR I 公司的G I S 组件M apOb jects ,来实现2维G IS 功能。用M PI 公司的OpenF li g htAPI 来生成OpenF li g ht 格式的3维模型数据库,并且完成模型修改,解决了当OpenFli g ht 模型在V ega Pri m e 平台中漫游的时候不能修改的难题。在系统中,仿真软件V ega Pri m e 用来渲染3维模型和实现3维场景操作。整个系统框架如图1所示。

在V is ua lC++环境下开发的应用程序

Op enF li gh tAPI M apOb j ects Vega Pri m e

系统API、OpenGL、D irect X3D

操作系统W i ndow s

底层硬件

图1 系统框架图

F ig.1 Fra m ework of the syste m

这个系统中,操作系统封装了底层硬件,提供API供软件开发用,OpenGL是一个卓越的3维图形标准,提供了一系列3维图形单元、图形变换函数和设备访问函数。它独立于窗口系统和操作系统,可以十分方便地在各种平台间移植。D irect X3D是M icr osoft公司开发的,只能用于W i n do w s平台下3维图形标准。在这种结构下,2维数据和3维数据是分开管理的,其联系在程序运行时是维护。设计一个查找表,可以根据2维对象,从查找表里面找到对应的3维模型或者由3维模型,根据查找表找到2维对象,从而完成其联系。

1.2功能与界面设计

通过M apObjects系统中2维数据支持ESRI的A rc/I nfo中层(Coverage)、A rc V ie w的Shape文件格式、SDE(空间数据库引擎)图层(Layer)以及大量栅格图像格式,通过仿真软件V ega Pri m e3维数据支持OpenFlight格式(fl,t fst)。系统中可以很方便地导入这些数据,提供基本的2维数据编辑功能和3维模型创建与编辑。

设计了3个窗口,即2维图窗口、3维图窗口和控制窗口。2维窗口由M apObjects来实现,主要提供2维数据管理,提供常用的2维G IS功能。包括地图操作基本工具、数据编辑和空间分析以及制图输出等功能。3维窗口由V ega Pri m e来实现,设计了基本的3维场景控制,运动模型、环境参数设置、键盘视点控制等。开发基于3维场景的漫游、3维空间查询、量算和分析功能。控制窗口包括2维控制、3维控制、相关工具和信息显示。实现2维窗口和3维窗口的互动,即漫游时,2维图上可以动态显示视点位置,也可以通过在2维图上选择,来更新视点位置。

另外,为了方便建模或者对场景进行实时修改,设计了2维数据到3维数据的转换,根据2维数据,可以导入3维模型或者生成3维模型,从而形成3维场景。2关键技术

2.1OpenFlightAPI

M u lti G en C reator的OpenFlightAPI是一套C函数库,提供了访问OpenF li g h t数据库的接口。允许用户增加自定义的数据库实体、扩展功能、延伸和生成工具及算法,能更深入地开发应用工具,如CAD格式转换器或基于样条的造型工具。Open Flight数据格式是M u lti G en C reator的根基,在实时3维领域已经成为最流行的3维模型格式,并成为仿真领域的行业标准。它是一个分层的数据结构,采用层次结构对物体进行描述。使用几何层次结构和属性来描述3维物体。由它建立的场景是一个或多个树型数据库,这是整个虚拟场景漫游系统的基础。每个OpenF li g ht文件代表一个数据库,它高效地描述了模型或地形的几何体、层次结构及图形属性。每个数据库由根节点(db)、子节点(group、object)、叶子节点(face)等组成。

2.2M apObjects

M apOb j e cts是ESR I公司开发的,是建立在微软的对象链接与嵌入(Active X)基础上的一组供应用开发人员使用的制图与G I S功能组件,由一个叫M ap控件的A ctive X控件和一系列可编程的A c ti v e X对象组成。主要特点包括:支持Arc/Info层(Coverage)、支持ESR I的Shape文件格式、SDE(空间数据库引擎)图层(Layer)以及大量栅格图像格式,支持通过微软ODBC规范进行外部数据库访问,多图层综合显示与图幅变化,使用数理方法进行特征表示,文字注记和放置,用一个事件跟踪层来动态显示实时数据,用标准SQL表达式进行特征选择与查询,进行空间选择、地理编码、强大而出色的对象模型等。M apOb jects可以用于大量开发框架中,如当前流行的开发环境包括V isua lB asic、D el phi、V isua lC++、M i c roso ftA ccess、V isualFoxpro、Po w er Bu il d er等。

2.3Vega Pri m e

V ega Pri m e是专门应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的渲染软件环境,它用于对战场仿真、娱乐、城市仿真、训练模拟器和计算可视化等领域的视景数据库,实现环境效果等的加入和交互控制。V ega Pri m e构建在VSG(Vega Scene Graph)框架之上,是VSG的扩展API,包括了一个图形用户界面Lynx Pri m e和一系列可调用的、用C++实现的库文件、头文件。V ega Pri m e在不同层次上进行了抽象,并根据功能不同开发了不同的模

50 测绘与空间地理信息 2005年

块,每个应用程序由多个模块组合而成。3实例

针对以上问题,进行部分功能的开发,界面如

图2

所示。

图2

系统界面

F ig .2

In terface of th e syste m

开发大致过程如下:首先在图像界面Lynx Pri m e 下,进行基本的设置,做些初始化工作,形成acf 文件。然后在VC

++

下建立单文档应用程序,将

窗口三拆分。左边窗口用于3维显示,右上窗口用

于2维显示,右下窗口用于控制。最后分别进行开发。

3维窗口主要是通过VC ++

环境下调用Vega Pri m e API ,实现更加灵活的控制。对于基于M FC 的应用程序,建立Vp M 工程,从CV ie w 类派生出CVp MV ie w 类,在C Vp MV i e w::OnC reate()函数中,初始化vp 模块,定义配置文件,配置所要用到的资源,进行帧循环。然后在析构函数CVp MV ie w::~CVp MV ie w ()中,结束帧循环,关闭vp 模块。为了能让Vega Pri m e 收到键盘输入,要对V ega Pri m e 窗口设置焦点。在函数CVp MV ie w ::OnA cti v ate V ie w ()中完成。为了保证用户界面能做出响应,在CVp MV ie w ::OnT i m er()函数里面完成帧的更新。

另外在CVp MV ie w ::OnS ize()函数中,完成窗口的自动缩放。

对于2维窗口,建立对话框资源,对应类从CFor m V ie w 派生。利用M apOb jects 提供的M ap 对象和相应类,实现基本的地理信息功能。例如缩放、2维漫游和查询等。

M apOb j e cts 可以用一个事件跟踪层来动态显示实时数据,这里可以用来实时显示3维窗口的视点位置。另外,通过鼠标点击或者选择2维地图对象,来更新3维窗口的视点位置。

4结论与建议

本文结合G I S 组件M apOb jects 、OpenFlight API 和仿真软件V ega Pri m e ,完成了一个3维地理信息

系统设计,并在V isual C

++

环境下进行了初步开

发。这种开发难度较大,但也形成了良好的视觉效果。对于如何开发其深层次应用,在3维场景内建立更多的功能,还有待于进一步研究。参考文献:

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[2] 黄健熙,郭利华,龙毅,等.二维地图与三维虚拟场景的互响应

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[责任编辑:栾丽杰]

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