前言

隨著計算機軟硬件技術、圖形學、空間測量、空間數據存儲等技術的日益成熟，地理信息系統（GIS）由二維向三維的轉變已成為必然的發展趨勢。三維空間數據模型研究已成為三維GIS領域內的研究熱點和難點，也是空間信息可視化的基礎。如何高效地組織和管理三維空間數據，構建易于交互的三維空間模型已成為三維GIS成功應用的關鍵。目前，由于三維GIS的理論與技術尚不成熟，其應用主要集中于地質、礦山、數字城市等一些特殊的領域，并且提供的功能也非常有限。尤其是在地質領域，尚有一系列問題亟待解決，例如：如何根據鉆孔數據，自動生成三維地質體的表面模型；針對特定的地質體，如何利用現有的模型（或者是模型集成的方式）對其實現高效、完整的三維表達；如何在三維環境下對模型進行可視化渲染，以及如何對大規模場景進行實時漫游等等。這些問題的解決，無疑將對三維GIS的發展產生較大的推動作用。因此，針對上述問題，本書主要從以下幾個方面做了積極的探索研究。

針對礦山地質三維數據的特征，根據離散擬合的思想，提出了三維GIS模型的分層表示策略及基于離散算法的自動建模技術。給定原始地質鉆孔數據，利用自適應神經網絡預測地質體橫剖面內信息未知區域的品位屬性，生成分層數據；結合離散網絡模型自動創建相鄰數據分層內控制點之間的拓撲關系，由此建立三維地質體的表面模型；然后利用OpenGL技術對三維表面模型進行可視化渲染，并在此基礎上設計了模型動態交互算法。

在重新定義地質塊段模型的基礎上，提出了基于八叉樹和四面體格網的集成數據結構模型（Block Octree Tetrahedron Model，BOT模型）。采用BOT模型生成算法對塊段模型進行重新分割，八叉樹作整體描述，四面體格網作局部精確描述，并以不同的灰度值表示不同的單元塊屬性。同時，為節省存儲空間，提出了線性BOT編碼技術，并結合基于Morton碼的壓縮技術實現了對BOT模型的數據壓縮。

在充分分析不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）與構造實體幾何（Constructive Solid Geometry，CSG）各自特性的基礎上，提出了限定TIN與CSG集成的仿真建模算法。采用TIN模型描述地形，CSG模型描述建筑物，通過抽取建筑物地面輪廓線作為地形三角剖分時的限定約束條件，將兩種模型有機集成在一起。同時，給出了任意限定條件下的地形Delaunay剖分算法，實現了兩類模型可視化渲染操作的同步進行。

為了解決大規模地形實時漫游過程中，由于不同細節層次模型之間過渡而引起的圖像跳變以及圖像繪制幀率不高的問題，提出了自底向上的一次性整體構網，網格節點實時更新的建模策略。運用基于塊和三角形面片的混合裁剪模式，結合簡化的高度差投影計算方法，快速選取適合的地形節點；然后采用“加點、刪點和局部更新”三種途徑對Delaunay地形三角網進行實時更新。同時在地形漫游過程中實現了對高度差投影限的自適應控制。

為驗證本書上述研究成果的有效性，針對每一種模型與算法都設計了相應的試驗原形系統。在條件許可的情況下，與傳統算法進行了試驗對比分析。結果表明：地質體分層模型在保證精度要求的前提下，降低了人為因素的影響，有效地簡化了建模過程；BOT模型充分發揮了八叉樹和四面體格網各自表示空間實體的優勢，具有精確表示目標和表示較為復雜空間拓撲關系的能力；限定TIN與CSG集成模型實現了不同對象（地形與建筑物）的同步可視化渲染操作，有效減少了三維場景的渲染時間；視點相關的大規模地形實時繪制算法消除了地形漫游時的圖像跳變現象，并有較高的圖像繪制幀率，特別適合于大規模地形近距離漫游仿真。

本書作者吳慧欣博士、武鳳翔現為華北水利水電學院副教授，多年從事三維實體建模與仿真、水利信息可視化相關領域的教學與科研工作。本書的成果是許多人辛勤工作的共同結晶，在開展研究和撰寫本書的過程中，得到了李迎峰博士和喬長錄博士的大力幫助與支持，在此向他們表示衷心的感謝。本書對于引用他人研究成果的地方，均指明了文獻出處。對于一些無法查明出處的素材，希望作者能夠給予諒解。

總體上看，本書的研究僅僅涉及了三維建模與可視化領域的部分內容，限于作者的學識水平、研究時間，應該說對于許多重要和高深的研究內容還只是淺嘗輒止，甚至沒有觸及到，在此懇請廣大讀者朋友批評指正。如果本書的研究工作能對同行學者的進一步研究起到一點拋磚引玉的作用，那將是作者最大的欣慰。

作者

2012.10