基于OpenGL的三维GIS系统的研究与开发

【摘要】： 随着二维GIS应用的深入,人们越来越多地要求从真三维空间的角度来处理问题。目前在采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS。同时由于计算机硬件的迅速提高,以及计算机图形学、数据库理论技术的进一步发展,三维GIS成为目前GIS研究发展的一种主要方向。 但是迄今为止,目前国际国内还没有一个成熟完整的三维GIS系统,与三维GIS相关的系统大多集中在三维可视化方面,如3D Max, Maya, EVS, Vis5D, Voxel,医学可视化及各种CAD软件等,也有一些三维系统部分实现三维GIS的功能,比较有名的软件有：LYNX, IVM (Interactive Volume Modeling), GOCAD, I/EMS, SGM等。 本文的思路和工作是想从二维GIS的功能出发,来研究和开发三维GIS。因为作者看到目前的三维GIS或者三维产品大多都是强调了图像、图形的立体效果和逼真度,很少从功能上来研究和开发GIS。例如,作者认为GIS最本质的功能就是地物的属性查询,和根据地物的属性数据来反馈出地物的位置,以及空间分析,但在目前的三维GIS功能开发上显得非常薄弱。因此作者想从二维GIS的功能的角度出发,以地下管网为抽象模型,来进行三维GIS的研究和开发。希望使目前的三维GIS从可视化进一步向功能化纵深发展。 下面是本论文的具体研究内容。概括的来说,本文的研究内容与开发内容主要包括以下六个方面： (1)三维GIS中三维场景的建立与实现。我们知道,对空间地物进行三维可视化,必须要建立具有三维透视感的三维场景。这是在构建三维GIS时,首先要考虑的问题。本文使用MFC和OpenGL构建三维场景系统。有了这个三维场景系统,我们就可以使地物具有三维可视化化了。 (2)在三维场景中,作者开发了地物的放大、缩小、平移、全景缩放、旋转功能。其中放大、缩小、平移也是二维GIS的基本功能。最有意思的是：在这里,旋转是三维GIS特有的功能。也是最有意义的一个功能。例如在地下管网的绘制中,在二维GIS展现中,很难判断出管网的上下位置关系。在三维GIS中,某些角度去透视也是很难判断的,但是利用三维GIS的旋转功能就很容易在三维场景判断出管网的位置关系了。 (3)研究和考虑三维GIS空间数据库的管理与设计问题。在三维GIS系统中,存在大量的数据需要组织和管理。有属性数据、空间数据。同时还有模型片元数据。这些数据如何组织和管理是一个很重要的问题。 (4)三维GIS系统中模型库的建立。在三维GIS系统中,需要使用大量的地物模型。因为OpenGL本身并不提供模型,仅仅提供了一个三维透视空间。开发者需要自己构建大量的模型。这些模型如何管理和使用?这是作者考虑和研究的第四个问题。 (5)作者实现了三维GIS系统中选择与反馈查询的功能。在三维GIS空间中,如何通过选择一个地物,来查看它的属性数据。以及在数据表中,选择一行记录(一个地物的一些属性数据)来查看该物体在空间中的位置。这是作者认为三维GIS最基本、最核心的功能,也是三维GIS软件与3D Max, Maya的本质区别。作者仔细研究了这个问题。 (6)三维GIS系统中光照模型的研究。在三维GIS系统中,如何考虑和使用光照模型,这是一个至关重要的问题。光照模型看起来十分简单,但是在使用起来却非常复杂,更多的时候往往会出现让人无法预料的情况。例如,当一个红色物体不采用光照时,此时这个地物基本上没有立体感。必须要把光照模型加上,此时才会出现立体感。但是加上光照模型后,此时该物体本身具有的红色或者丢失,或者削弱。这个问题值得做深入的研究。本文也进行了讨论。 最后作者给出上述功能的三维GIS的雏形软件。考虑和实现上述6个问题后,作者认为一个三维GIS的框架程序基本搭建起来,剩下的问题就是具体问题进一步的细化和不断完善。 总之,研究三维GIS同时进行功能上的开发,还要把当前最先进的技术都使用上,真是一件极其具有挑战性的工作。它的开发与研究需要我们学习大量的知识,而且这些知识对于我们有可能是全新的,或者我们只知道它的名字,对其本质却一点都不了解。我们需要接受挑战。