基于二/三维混合的建筑物准真实感显示技术研究

摘要

三维GIS相对于二维GIS能更立体、更逼真地表达空间几何对象，且随着移动设备的普及，移动三维GIS技术研究已成为当今研究的热点。由于二维GIS已广泛应用于国土管理、城市规划等各个领域，已经积累了丰富的数据资源。因此，本文针对建筑物数据，研究如何利用已有二维数据快速建立三维数据，充分发挥二/三维各自的优缺点，实现移动端二/三维交互显示，本文的研究内容主要如下:
　　(1)研究了三维建筑物数据模型。结合现有三维数据模型理论的研究成果，以适合快速显示以及清晰表达空间信息为目的，设计了面向对象的三维建筑物数据模型。提出基于已有二维数据成果建立三维数据模型，加快了三维数据建立速度，避免了已有二维数据的浪费和二仨维数据管理上的不连续。将ArcGIS和SketchUp结合，完成了三维建筑物模型的建立，利用面向对象的思想实现了对三维建筑数据表面分类的组织与管理。
　　(2)面向空间数据实现了对嵌入式数据库的研究与设计。基于嵌入式平台下软硬件资源的局限性，通过开启轻量级嵌入式数据库SQLite中的R*树索引模块，实现了Android平台下利用索引快速存取空间数据的数据库存储方法，数据检索速度提高了80％。结合空间数据的特点，设计了本文建筑物数据的存储模式，并实现了对二/三维建筑物数据的一体化存储，提高了数据读取时间，在数据组织角度为加快数据渲染提供了保障。
　　(3)研究了嵌入式平台下三维场景实时渲染算法。利用嵌入式三维图形绘制库OpenGL ES建立了具有透视感的三维场景。设计了基于多边形约束的三角剖分算法，实现了对凹多边形和带孔洞的复杂多边形的三角剖分。通过对三维物体进行模型变换、视点变换、裁剪变换以及添加场景光照，完成了三维物体从三维场景到二维屏幕的立体渲染。设计了平面阴影算法，增加了三维场景的准真实显示效果。
　　(4)二/三维建筑物交互可视化软件设计与开发。结合二/三维可视化各自的优缺点，设计了二/三维交互的显示模式，提高了图形渲染速度。定义手势集和地图操作相应规则，实现了对手势操作类型的识别，进而实现了对三维场景的平移、缩放、旋转变换。研究了3D拾取技术、AABB包围盒原理，实现了3D拾取算法，完成了对三维场景的属性查询功能。
　　本文实现了嵌入式平台下二/三维建筑物交互显示的关键技术研究，设计开发了基于Android的二/三维建筑物交互可视化软件，可视化效率较高，功能运行良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 三维数据模型研究现状

1．2．2 空间数据存储研究现状

1．2．3 三维可视化研究现状

1．3 论文组织结构

第二章 三维建筑物数据建模及组织管理

2．1 三维建筑物数据模型理论

2．1．1 三维数据模型概述

2．1．2 面向对象三维建筑物数据模型

2．2 三维建筑物数据模型实现

2．2．1 三维建筑物数据获取

2．2．2 三维建筑物模型建立

2．2．3 模型文件内容及结构规范

2．2．4 基于表面分类的建筑物数据组织与管理

2．3 本章小结

第三章 面向空间数据的嵌入式数据库设计

3．1 嵌入式数据存储方法综述

3．2 SQLite数据库引擎

3．2．1 SQLite综述

3．2．2 SQLite工作原理

3．3 基于R*树索引的空间地理信息数据的存储与管理

3．3．1 空间地理信息数据

3．3．2 R*树索引概述

3．3．3 基于JNI机制的R*树索引技术研究及实现

3．4 SQLite R*树效率测试与分析

3．5 二／三维建筑物数据的一体化存储设计与实现

3．5．1 一体化数据存储模式设计

3．5．2 数据存储实现

3．5．3 测试与分析

3．6 本章小结

第四章 嵌入式三维场景实时渲染算法研究

4．1 三维可视化技术基础

4．1．1 OpenGL ES概述

4．1．2 三维可视化场景相关坐标系

4．1．3 三维图形的几何变换

4．1．4 三维图形的投影变换

4．1．5 绘制方式

4．2 基于多边形约束的三角剖分算法

4．2．1 Delaunav三角剖分可行性分析

4．2．2 多边形三角剖分基本概念

4．2．3 基于多边形约束的三角剖分算法实现

4．2．4 数据测试与分析

4．3 三维可视化基本模块设计

4．3．1 坐标系统模块

4．3．2 光照处理模块

4．3．3 图元绘制模块

4．4 基于平面阴影的三维准真实感显示技术研究

4．4．1 阴影的基本概念及作用

4．4．2 投射阴影算法设计及实现

4．5 三维可视化性能测试与分析

4．6 本章小结

第五章 二／三维建筑物交互可视化软件设计与开发

5．1 二／三维建筑物交互显示结构设计

5．2 二／三维建筑物交互可视化

5．2．1 二／三维建筑物交互可视化设计

5．2．2 测试与分析

5．3 基于多点触摸的地图操作的设计与实现

5．3．1 与地图交互相关的手势集定义规则

5．3．2 基于手势引导的地图变换的设计与实现

5．4 属性查询功能实现

5．4．1 3D拾取技术概述

5．4．2 AABB包围盒的基本原理

5．4．3 3D拾取技术原理

5．4．4 3D拾取技术实现

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介