基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法

摘要

本发明涉及一种基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法，其方法的步骤如下：⑴、生产地理信息海量三维模型；⑵、根据三维数字城市系统视窗中的地理坐标范围计算出该范围所覆盖的快速查找单元，然后从这些快速查找单元中找到需要的三维单体模型，并将这些三维单体模型从数据库中找到，然后计算视点至三维单体模型中心的距离，根据距离把数据库中相应级别的模型调入内存中，然后将这些分好级别的模型数据通过计算找出模型非可见部分从内存中释放掉，并将可见部分放入显卡的图形绘制管线中，最后在三维数字城市系统中显示出来。本发明能够快速的显示海量三维模型中的单体模型，时间短，效率高，对硬件要求较低。

说明书

技术领域

本发明属于三维模型显示领域，尤其是一种基于三维数字城市系统 海量模型数据的浏览方法。

背景技术

三维数字城市系统因为管理的范围区域通常都有上万平方公里，甚 至还有可能扩展成为多个城市，这样的范围，模型数据通常都会是数TB 的数据量，现有的硬件条件尚不能将这些数据全部调入内存中进行一次 性渲染，因此这些数据在场景中的组织和管理，是影响系统性能的一个 最关键的因素。现有系统通常只能浏览比较小的区域，如果三维模型数 据太大就会出现系统显示卡顿，甚至死机崩溃的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于三维数字城 市系统海量模型数据的浏览方法，该方法能够快速的显示海量三维模型 中的单体模型，时间短，效率高，对硬件要求较低。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法，其方法的步 骤如下：

⑴、地理信息海量三维模型的建立：利用计算机、计算机图形显卡、 数码相机以及立体影像量测仪通过人工采集地理信息三维目标的三维框 架建立三维立体模型，然后再将数码相机获取的三维模型贴图贴合在三 维立体模型上生产出来地理信息海量三维模型；

⑵、根据三维数字城市系统视窗中的地理坐标范围计算出该范围所 覆盖的快速查找单元，然后从这些快速查找单元中找到需要的三维单体 模型，并将这些三维单体模型从数据库中找到，然后计算视点至三维单 体模型中心的距离，根据距离把数据库中相应级别的模型调入内存中， 然后将这些分好级别的模型数据通过计算找出模型非可见部分从内存中 释放掉，并将可见部分放入显卡的图形绘制管线中，最后在三维数字城 市系统中显示出来。

而且，所述的快速查找单元为将地理信息海量三维模型数据根据地 理坐标范围按照地理坐标500米×500米的规则划分为若干个网格，该网 格为快速查找单元；每一个快速查找单元都是以地理空间中预先定义好 的一点为计算起点，该计算起点坐标为：AreaMinX，AreaMinY，快速查 找单元设置唯一ID，该唯一ID由快速查找单元的行号以及列号组成；通 过计算机视窗所覆盖的地理信息范围，快速的找到对应的几个快速查找 单元，然后再利用四叉树查找算法从这几个快速查找单元中根据地理信 息空间关系找到所需要的单体模型，并将该单体模型从数据库中取出放 入内存中，进而通过显卡在视窗中显示出来。

而且，所述的行号为ROWID，该ROWID=(Y-AreaMinY)/_BlockSize， 其中Y是地理坐标中的Y值，AreaMinY为区域起点Y值，_BlockSize为 快速查找单元的网格大小500。

而且，所述的列号为COLID，该COLID=(X-AreaMinX)/_BlockSize， 其中X是地理坐标中的X值，AreaMinX为区域起点X值，_BlockSize为 快速查找单元的网格大小500。

而且，所述的相应级别的模型为将三维数字城市系统中的单体模型 根据三维数字城市系统中的视点到单体模型中心的地理实地距离划分为 3个级别：第一级别为精细显示模型，第一级别为0-200米，第二级别为 普通显示模型，第二级别为大于200-1000米，第三级别为粗略显示模型， 第三级别为大于1000-3000米。

而且，所述的相应级别的模型调用关系为当前系统视窗显示的三维 单体模型为第一级别时，将该三维单体模型的第二级别模型数据从数据 库中调入内存中备用，系统浏览时视点相对该模型视距变化为第二级别 时，直接将内存中的第二级别模型数据直接放入显卡中显示，并将显卡 中的第一级别模型数据释放掉；当前视窗显示的三维单体模型为第二级 别时，将该三维单体模型的第一级别和第三级别模型数据从数据库中调 入内存中备用，系统浏览时视点相对该模型视距变化为第一级别或第三 级别时，直接将内存中的相应级别的模型数据直接放入显卡中显示，并 将显卡中的第二级别模型数据释放掉；当前视窗显示的三维单体模型为 第三级别时，将该三维单体模型的第二级别模型数据从数据库中调入内 存中备用，系统浏览时视点相对该模型视距变化为第二级别时，直接将 内存中的第二级别模型数据直接放入显卡中显示，并将显卡中的第三级 别模型数据释放掉。

而且，所述的模型非可见部分为将视窗中三维数字城市系统地理坐 标范围中的三维单体模型放入显卡中进行显示，显示过程中，所有三维 单体模型的数据全部调入内存中，利用光线相交的方法从系统视窗视点 发出与视窗中的三维单体模型相交计算，经过计算后得到显然不可见的 绘制元素为模型非可见部分。

而且，所述的模型非可见部分包括视窗中三维单体模型的背面或者 后面模型被前面模型遮挡的部分。

本发明的优点和有益效果为：

1、本基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法中采用快速查 找单元，可以快速计算出视窗显示范围所覆盖的区域中的快速查找单元， 从这些快速查找单元中找出我们需要的单体三维模型就可以上万倍的提 高查找和计算速度。即使利用普通商用PC机也可以实现地理信息三维模 型的高效显示。快速查找单元可以大幅提高地理信息海量三维模型显示 效率。由于显示效率的提高，对系统运行计算机的要求也大大的降低， 使用普通PC机也可以完成传统方法在高级图形工作站上实现的效果，为 使用者降低了硬件使用成本。由于该方法使全局查找改变为局部查找， 不仅减少了查找时间，而且还大幅降低了数据库的占用计算时间，大幅 降低了磁盘读写时间，这样对硬件寿命也可以延长。利用该方法加快了 单体模型调入内存的速度，就可以为显示效果更复杂的效果提供充足的 时间，显示的模型可以更精细，效果更好。

2、本基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法采用分页多级 别显示方法利用分级机制，距离观察者近的显示精细模型，保证高质量 的显示效果，距离观察者中等的显示中等模型，视觉上效果不变，但是 数据和资源占用大幅降低，距离观察者较远的显示粗略模型，视觉上效 果不变，极大减少了数据和资源的占用，用此规则不仅可以保证三维数 字城市系统的显示效果，而且还可以保证系统可以流畅的显示，稳定的 运行。并且可以降低系统应用硬件的要求，即使利用普通商用PC机也可 以实现三维数字城市的高效、高质显示，分页多级别显示可以大幅提高 地理信息三维模型显示效率和系统运行的稳定性。通过分级的方式可以 大幅减少模型数据的读取量，提高了显示效率，使用该方法系统可以显 示非常精细的三维模型，在保证了显示质量和效果的情况下对系统运行 计算机的要求也大大的降低，使用普通PC机也可以完成传统方法在高级 图形工作站上实现的效果，为使用者降低了硬件使用成本。利用该方法 可以大幅提高系统运行的稳定性，由于显卡负荷超载的死机情况可以完 全避免，实现流畅的显示。

3、本基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法可以把很多不 需要的部分从显卡中去除掉，减轻系统显卡显示时的负担，提高显示效 率，避免浏览显示时的卡顿，做到浏览时流畅显示。利用该方法使用普 通PC机也可以完成传统方法在高级图形工作站上实现的效果，为使用者 降低了硬件使用成本，计算出系统视窗中三维单体模型的非可见部分， 然后从显卡显存中去掉该部分内容不显示，可以大幅减轻显卡显示负担， 提高系统显示效率，从而实现高效、快速的系统浏览显示。使用该方法 还可以降低系统硬件要求，即使利用普通商用PC机也可以实现三维数字 城市的高效、高质显示。

4、本发明能够快速的显示海量三维模型中的单体模型，时间短，效 率高，对硬件要求较低。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述 性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于三维数字城市系统海量模型数据的浏览方法，其方法的步 骤如下：

⑴、地理信息海量三维模型的建立：利用计算机、计算机图形显卡、 数码相机以及立体影像量测仪通过人工采集地理信息三维目标的三维框 架建立三维立体模型，然后再将数码相机获取的三维模型贴图贴合在三 维立体模型上生产出来地理信息海量三维模型；

⑵、根据三维数字城市系统视窗中的地理坐标范围计算出该范围所 覆盖的快速查找单元，然后从这些快速查找单元中找到需要的三维单体 模型，并将这些三维单体模型从数据库中找到，然后计算视点至三维单 体模型中心的距离，根据距离把数据库中相应级别的模型调入内存中， 然后将这些分好级别的模型数据通过计算找出模型非可见部分从内存中 释放掉，并将可见部分放入显卡的图形绘制管线中，最后在三维数字城 市系统中显示出来。

上述的快速查找单元的建立为将地理信息海量三维模型数据根据地 理坐标范围按照地理坐标500米×500米的规则划分为若干个网格，这个 网格称作快速查找单元；每一个快速查找单元都是以地理空间中预先定 义好的一点为计算起点，该计算起点坐标为：AreaMinX，AreaMinY；建 立快速查找单元唯一ID：该唯一ID由快速查找单元的行号以及列号组成； 行号为ROWID，该ROWID=(Y-AreaMinY)/_BlockSize，其中Y是地 理坐标中的Y值，AreaMinY为区域起点Y值，_BlockSize为快速查找单 元的网格大小500，列号为COLID，该COLID=(X-AreaMinX)/_BlockSize， 其中X是地理坐标中的X值，AreaMinX为区域起点X值，_BlockSize为 快速查找单元的网格大小500。通过计算机视窗所覆盖的地理信息范围， 快速的找到对应的几个快速查找单元，然后再利用四叉树查找算法从这 几个快速查找单元中根据地理信息空间关系找到所需要的单体模型，并 将该单体模型从数据库中取出放入内存中，进而通过显卡在视窗中显示 出来，系统在做浏览操作时，视窗显示的地理空间范围会发生变化，变 化的过程中原本不在视窗显示范围中的新快速查找单元通过上面描述的 方法计算获得，并且将原本不在视窗显示范围中的新的单体三维模型通 过上面的方式找到并从数据库中得到放入显卡中在视窗中显示出来。变 化过程中原本就在视窗显示范围中的快速查找单元和其相应范围内的三 维单体模型不做任何操作。变化过程中原本就在视窗显示范围中的快速 查找单元在变化后就不在最终视窗显示范围内的，将该快速查找单元和 其范围中的所有单体三维模型从内存中删除。未使用快速查找单元时每 做一次从所有地理信息海量三维模型中查找特定范围内的模型这一运算 所需要的时间视用户管理模型的多少而不同，在模型数量较少时，该运 算可以接受，但在模型数量极大时，该运算会严重拖累系统渲染效率， 例如在1057万个地理信息三维模型中查询137幢建筑模型，816棵树木 模型和738个城市部件模型时耗时0.8s的时间，而采用本发明，第一步 计算该范围所包含的快速查找单元仅耗时6ms即0.000006秒，然后第二 步在这几个快速查找单元中找到这些模型耗时11毫秒，效率提高了四万 多倍，而且使用该方法在模型数量继续增加的情况下耗时不会有明显变 化。

上述的相应级别的模型主要是将三维数字城市系统中的单体模型根 据三维数字城市系统中的视点到单体模型中心的地理实地距离划分为3 个级别：第一级别为精细显示模型，第一级别为0-200米，第二级别为 普通显示模型，第二级别为大于200-1000米，第三级别为粗略显示模型， 第三级别为大于1000-3000米；制定精细显示模型、普通显示模型以及 粗略显示模型之间的调用规则，该调用规则为当前系统视窗显示的三维 单体模型为第一级别时，将该三维单体模型的第二级别模型数据从数据 库中调入内存中备用，系统浏览时视点相对该模型视距变化为第二级别 时，直接将内存中的第二级别模型数据直接放入显卡中显示，并将显卡 中的第一级别模型数据释放掉；当前视窗显示的三维单体模型为第二级 别时，将该三维单体模型的第一级别和第三级别模型数据从数据库中调 入内存中备用，系统浏览时视点相对该模型视距变化为第一级别或第三 级别时，直接将内存中的相应级别的模型数据直接放入显卡中显示，并 将显卡中的第二级别模型数据释放掉；当前视窗显示的三维单体模型为 第三级别时，将该三维单体模型的第二级别模型数据从数据库中调入内 存中备用，系统浏览时视点相对该模型视距变化为第二级别时，直接将 内存中的第二级别模型数据直接放入显卡中显示，并将显卡中的第三级 别模型数据释放掉；依据调用规则实现基于三维数字城市系统模型的分 页多级别显示。在系统浏览操作时，视窗显示的地理空间范围会发生变 化，变化的过程中视点到单体模型中心的地理实地距离也会相应的变化， 当变化到从一个级别切换到另一个级别时，为了让系统显示模型时切换 的过渡自然、平缓，通常将数据库中调用到内存并且显示的级别模型的 相邻级别模型也调入内存但是并不进行显示，以便准备该级别随时可以 切换进显卡显示称为分页。

上述的模型非可见部分也叫三维单体模型的非可见部分，主要是将 视窗中三维数字城市系统地理坐标范围中的三维单体模型放入显卡中进 行显示，显示过程中，所有三维单体模型的数据全部调入内存中，利用 光线相交的方法从系统视窗视点发出与视窗中的三维单体模型相交计 算，经过计算后得到显然不可见的绘制元素，即三维单体模型的非可见 部分，将三维单体模型的非可见部分从显卡中删除，只留下可见部分显 示，在系统浏览的过程中，视角会发生变化，三维模型的可见部分也会 发生改变，此时系统重新计算模型的非可见部分，然后将内存中的三维 单体模型放入显卡,再将三维单体模型的非可见部分从显卡中删除，只留 变化后可见部分显示，已达到利用三维数字城市系统模型非可见部分的 加速显示，三维单体模型的非可见部分包括视窗中三维单体模型的背面 或者后面模型被前面模型遮挡的部分。未使用本方法时三维数字城市系 统视窗中地理坐标范围越大其中所包含的三维单体模型就越多，其数据 量就越大，浏览卡顿的现象就越明显。而采用本发明方法时可以计算出 三维单体模型的非可见部分并快速拒绝那些显然不可见的绘制元素,从 而减少送入图形绘制管线的几何复杂度，从而大大提高了系统的显示效 率。例如系统视窗中显示3000个三维单体模型，未使用该方法时模型数 据三维三角形约1700万个，采用该方法后系统视窗中显示的依然是3000 个三维单体模型，但实际进入显卡图形绘制管线的三维三角形约为936 万个。采用该方法后系统浏览显示的精细程度没有丝毫改变，但是绘制 负担大大减少，从而使系统可以流畅的显示。

综上所述使用本发明可以在使用普通商用PC计算机就实现三维数字 城市系统的流畅浏览，由于显示效率的提高，对系统运行计算机的要求 也大大的降低，使用普通PC机也可以完成传统方法在高级图形工作站上 实现的效果，为使用者降低了硬件使用成本。由于该方法使全局查找改 变为局部查找，不仅减少了查找时间，而且还大幅降低了数据库的占用 计算时间，大幅降低了磁盘读写时间，这样对硬件寿命也可以延长。利 用该方法加快了单体模型调入内存的速度，就可以为显示效果更复杂的 效果提供充足的时间，显示的模型可以更精细，效果更好。通过分级的 方式可以大幅减少模型数据的读取量，提高了显示效率，使用该方法系 统可以显示非常精细的三维模型，在保证了显示质量和效果的情况下对 系统运行计算机的要求也大大的降低，利用该方法可以大幅提高系统运 行的稳定性，由于显卡负荷超载的死机情况可以完全避免，实现流畅的 显示。未使用该方法的系统仅可以流畅浏览范围比较小的区域，而且显 示范围的大小和硬件的条件有关，使用该方法的三维数字城市系统管理1 万两千平方公里，数据量为1.4TB，可以流畅显示。