小型DEM建立与系统设计与开发

【摘 要】随着经济的发展,DEM模型应用越来越广,但现在大多数DEM模型都是集成在大型GIS软件上,因此不方便用户使用.而小型的DEM却能方便的为用户使用.本文提出了用VB和OpenGL 相结合设计出的小型DEM建立与分析系统,提出了系统的设计方法.

【关 键 词 】DEM；OpenGL；TIN模型

引言

随着经济建设的不断发展,DEM的应用将越来越广泛,用户能够直接采集离散点数据,通过软件直接生成DEM,应用于实际；对比地形图,过去一直是二维表现形式,已远远不能满足实际应用需要,三维地形图的出现正解决了这个问题,直接在三维地形图上进行一些地形分析有很强的实际意义.

因此根据用户需求,系统应具备以下基本功能：

（1）数据采集、转换和输入功能

（2）生成DEM功能,并实现不同大小的DEM生成

（3）地形动态三维显示

（4）地形分析

本文提出了采用VB和OpenGL开发化小型DEM建立与分析系统的思路与方法.

1.VB与OpenGL简介

Visual Basic 6.0具有更简捷的程序开发环境,可以快速构建图形用户界面,使用方便,简单易学.它具有非常强大的功能：从开发小型应用程序到大型应用程序,从数据库管理、客户/怎么写作器软件到Inter/Intra分布式应用程序的开发,Visual Basic 6.0都能胜任.它是众多软件开发工具中编程效率较高的一种.

在三维地形动态显示方面采用调用OpenGL来实现,是因为它是一个独立于操作系统和硬件环境的三维图形库,它具有非常强大的图形功能和跨平台的能力,已成为事实上的图形标准,广泛应用于科学可视化、实验造型、CAD/CAM、模拟仿真等诸多领域.许多商业软件如Soft Image、3D Studio MAX、Open Inventor、VR软件等都是以OpenGL为基础开发的.使用商业软件在模型建方面不够灵活,只能按照其固定的模型设计,而且整体运行效果不是很理想,同时购置费用较大.而使用OpenGL从低层开发,难度高且工作量大,但性能比远大于前者,而且比较灵活.OpendGL简洁、高效,具有七大功能,分别是建模、变换、颜色模式设置、光照和材质设置、纹理映射、位图显示和图象增强、双缓存动画.OpenGL可以和Visual C++、Visual Basic、Dephi等高级可视化语言紧密结合,可保证算法的正确性和可靠性.

因此,系统采用了VB和OpenGL作为开发的工具.

2.系统设计的目的和意义

DEM具有广泛的应用价值,人们过去对地理空间信息的表达和处理由于受技术手段的限制,一直停留在二维图形和符号表达的阶段,地理信息的表达、存储、管理、查询和显示,基本上都是二维形式的,现在尽管国内外已有不少大型的GIS软件,能够实现DEM建模,并三维可视化,在此基础上进行一些地形分析功能.但目前市场上的GIS软件昂贵,不能让广大普通用户所能承受,同时我们经常仅用到GIS软件中的一小部分功能,若为此去购写一个功能强大的GIS软件,一方面需要大量的资金,还要专门的人员去学习,另一方面有许多功能对我们来说根本就是闲置无用,这就在人力、物力、财力上造成极大的浪费.本系统就是基于小型DEM的建立和三维可视化,并进行一些基本的分析功能,以适应工程建设,GIS教育等方面的应用而设计的.系统直接基于微机平台从底层开发,大大降低成本,对于研究建立小型DEM具有一定的意义和非常好的应用价值.

3.系统结构与功能设计

在系统设计时根据用户需求,系统包括了四个主要的功能模块,分别为：数据采集、转换与输入模块；小型DEM生成模块；三维地形动态显示模块和三维地形分析模块.

（1）数据采集、转换与输入模块

主要包括：地形图的导入；坐标系的转换；不同数据格式的转换；数据读取等.

（2）小型DEM生成模块

主要包括：格网大小、内插方法的选择；格网DEM数据保存；TIN的生成；不规则三角网的显示；TIN数据保存等.

（3）三维地形动态显示模块

主要包括：地形三维显示；遥感影象和真实地形的融合；地形灰度显示；地形网状显示；三维地的缩放；地形漫游实现等.

（4）三维地形分析模块

主要包括：地形表面计算；投影面积计算；单点的坡度、坡向计算等.

4.若干关键技术分析

4.1 加权平均法内插方法

在实际应用中,更为常用的内插方法为加权平均法.

加权平均法的算法思想：已知一系列离散高程点在XOY平面上的投影为Di（xi,yi）,各自带有高程Zi（i等于1,2,3,等,n）,P（x,y）为任意一格网点.P的Z值是离散数据点Di（xi,yi）的Z值加权平均的结果.并且影响程度一般与距离成反比,即离P点近的离散点,其Z值对P点的Z值影响大些；反之,离P点远的离散点,影响则小些.设Zi是Di（xi,yi）上的z值,d（P,Di）为P与Di之间的距离,简称di,每个格网点P的Z值为

式中,权函数Wi等于 ,u是一个大于0的整数,通常取1或2

4.2 TIN的生成方法

系统中关于TIN的生成使用的算法为三角网生长法,这里将重点讨论一下该方法的算法思想和程序实现.

三角形生长法的基本步骤是：

（1）任一点为起始点,找出与起始点最近的数据点相互连接成Delaunsy三角形的一条边作为基线,按Delaunay三角网的判别法则（即它的基本性质）,找出与基线构成Delaunay三角网的第三边；

（2）基线的两端点与第三点相连,成为新的基线；

（3）代以上两步直至所有基线都被处理.

上述过程表明,三角网生长算法的基本思路是,首先找出点集中相距最短的两点连线成为一条D elaunsy三角网的边,然后按Delaunay三角网的判断法则找出包含此边的Delaunay三角网的另一端,依次处理所有新生成的边,直至最终完成.各种不同的实现方法多表现在搜寻“第三点”的方法不同.

5.实例分析

为了检验系统的性能,使用了某矿区地形等高线图,首先将等高线图进行扫描,进行适当的处理后,以BMP格式存储.在系统主窗体上进行坐标采集.数据采集完成后,可用采集的数据进行内插生成格网DEM,对于生成TIN,通过导入数据,生成TIN,可将TIN数据进行保存.将生成的TIN在桌面上显示,根据前面内插生成的格网DEM数据,生成三维地形图.

如果要在三维地形图上贴上遥感影象,可以先在“文件”菜单打开开“导入纹理图”选择该地形的遥感影象,在“编辑”菜单中点击“纹理”即可.说明：本列中使用的纹理并不是真实地形的纹理,这里仅仅是贴上纹理的演示效果.也可加入雾化,加入雾化效果主要是模拟自然界大气雾化的效果,进行漫游操作,可直接通过键盘键控制.

实验证明,系统功能与性能达到了设计的要求.

6.总结

本设计针对化小型DEM的建立与分析系统,基于Visual Basic开发环境,使用了当前最好的开放式图形工业标准OpenGL,实现了 DEM两种表现形式的建立,在格网DEM基础上实现三维地形显示,并实现了一些地形分析功能,同时,对于小型DEM,运用加权平均法内插和三角形生长法算法是可行的.因此对小型DEM的建立与分析系统在教学和建设方面都能方便快捷的使用,对城市建设有很大的作用.