一種基于面向對象和VRML的地理實體三維建模方法

陳俊任，李景文，傅毓，蘇子雍

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西桂林 541004；2.廣西空間信息與測繪重點實驗室(桂林理工大學)，廣西桂林 541004； 3.武警廣西總隊，廣西南寧 530022)

一種基于面向對象和VRML的地理實體三維建模方法

陳俊任1，2?，李景文1，2，傅毓1，2，蘇子雍3

(1.桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西桂林 541004；2.廣西空間信息與測繪重點實驗室(桂林理工大學)，廣西桂林 541004； 3.武警廣西總隊，廣西南寧 530022)

在分析現有三維空間對象的幾何表示方法和面向對象方法的基礎上，從三維空間的角度去理解和表達現實世界中的地物、地理現象及其空間關系。提出一種基于面向對象和VRML的地理實體三維建模方法，以三維建筑物模型構建為例的驗證結果顯示，該方法可以快速地進行三維重建，為不規則、非對稱性地理實體三維建模及地理實體的面向對象三維可視化的實現提供了新方法和新思路。

面向對象；VRML；地理實體；三維建模

1 引 言

世界的本身是在三維空間中存在的，目前2DGIS在描述真三維實體存在局限性，如何完整地描述三維地理現象再現三維世界，其中涉及的一個核心問題是如何進行三維空間對象的幾何表示[1]。近年來眾多學者研究了結構實體幾何CSG、邊界表示法BR、八叉樹、四面體格網以及八叉樹和不規則四面體等混合數據模型來表示三維空間實體[2，3]。然而，現有的三維建模很少對地理實體進行描述和表達。地理實體是為了表達三維地理世界而抽象出來一個具有相對意義的概念[4]，其抽象程度根據實際描述和表達地理事物特征屬性的需要而定，通常地理實體分為點狀實體、線狀實體、面狀實體和體狀實體，復雜的地理實體由這些類型的實體構成。文中針對這些實體建模的特點，結合軟件的實用性及可擴展性提出了一種基于面向對象和VRML的三維建模方法，實現了對地理實體三維建模和可視化仿真。

2 基于面向對象和VRML的三維建模思想

2.1 面向對象

面向對象(Object-Oriented)方法不僅是一種程序設計技術，而且是一種全新的設計與構造系統的思想和方法[5]。它是以對象為中心的軟件開發方法，具有高度的抽象性、完整的封裝性、繼承性和多態性，可以很好地描述現實世界。

現實地理世界中，地理空間信息是對地理實體的具體描述和表達，地理實體是地理空間中獨立的、具有完整地理意義的最小邏輯單元。在地理實體三維建模中，可以利用面向對象技術將任何一個三維實體抽象為一個點對象、線對象、面對象、體對象以及組合對象，其抽象表達如圖1所示。這個對象封裝了構成地理實體的幾何數據、屬性數據以及相應的操作等，對象之間通過對象標識建立起聯系，每個對象都具有自己的屬性和任務，一旦獲取了一個對象，那么就獲得了與此對象相對應地理實體的全部信息。將三維可視化看做是一些相互作用的對象組成的集合，集合中的對象根據收到的消息來完成相應的任務，從而實現系統的整體功能。

圖1 地理實體的抽象表達過程

2.2 VRML

VRML是一種建立真實世界模型或虛構三維世界的場景建模語言，定義了一種把3D圖形和多媒體集成在一起的文件格式，允許描述一個現有的或者想象的地理事物，并把它放入虛擬的三維環境中，同時也是一個開發標準，其他技術可以引用VRML或者成為VRML的一部分[6]。VRML語法結構化、層次化，利用VRML三維交互建模算法不僅可以靈活高效地創建三維模型，而且可以控制三維場景的布置、數據管理、實時編輯等，實現仿真數據的可視化和虛擬現實，VRML工作方式如圖2所示。

圖2 VRML的工作方式

3 基于面向對象和VRML的地理實體三維模型構建

基于面向對象和VRML的地理實體三維模型是以面向對象和VRML建模方法為基礎，將復雜的地理實體抽象分解成若干簡單的子對象，然后根據點→點集→線→線集→面→面集的思路，再分別建立各個子對象模型，最后把這些簡單對象子模型按一定的關系連接起來就可以得到整個地理實體的復雜三維模型。

3.1 基于面向對象和VRML地理實體的聯合表達

VRML把場景中的物體看成對象，主要包括節點、域值、事件、路由、原型以及腳本等要素，其中節點是對客觀世界中各種事物、對象、概念的抽象描述[6]。面向對象主要涉及的要素有類、對象、消息、接口、屬性等概念，而VRML具有面向對象的特征和層次結構，可以很好地與面向對象語言相對應[7，8]:VRML節點/造型對應面向對象語言中的對象、VRML原型對應類、VRML域對應屬性、VRML出事件與入事件對應消息、VRML路由對應消息的傳遞、VRML腳本對應接口。因此，結合具體應用，考慮模型的通用性、系統的可擴展性，各類地理實體可以通過面向對象技術和VRML聯合表達，其關系如圖3所示。

3.2 規則地理幾何實體基礎類的構建方法

地理實體三維模型由多個子模型集合而成，每個子模型是由多個實體構成，而每個物體則由若干基本三維幾何體有機構成。VRML中提供多種規則幾何體結構的造型[6]，包括長方體、圓柱體、圓錐體、球體等幾何體結構，這些規則幾何體是構建復雜的三維空間實體的基礎和前提。為了對這些不同的幾何形體進行統

圖3 地理實體的聯合表達

一的分析與保存，類的設計如下:建立基類C3DFigure，添加純虛函數Parse()和glDraw()，分別用于語法分析和三維顯示，然后創建此類的派生類CBox、CCone、CCylinder、CSphere等，再分別重載基類的Parse()和glDraw()函數，實現自身的語法分析和顯示。在此，只描述地理實體長方體類(CBox)建模方法，其他幾何體類建模方法可以依此類推。

在VRML中，長方體的基本幾何參數長(Length)、寬(Width)和高(Height)是用Box節點的size域的域值來描述。size域的三個域值分別表示Box在X方向的寬度、Y方向的高度、Z方向的深度。長方體的原始幾何中心位于局部坐標系的原點，因此，在沒有發生坐標變換之前，可以根據長、寬、高基本參數計算出幾何體各個頂點的位置坐標。如果坐標發生變換，可以根據幾何學中的齊次坐標表示法，通過變換矩陣實現圖形的基本變換，由此計算出變換后的頂點坐標，最后通過其坐標構造出長方體的各個點對象。

地理實體長方體類的建模算法規范如下:

#VRML V2.0 utf8

Shape{

appearance Appearance{

material Material{}

}

CBox//創建長方體類

{

field SFVec3f size 2.0 2.0 2.0#(0，+∞)

}

3.3 復雜地理幾何體建模方法

自然界中某些復雜形體是無法通過基本造型的簡單組合而滿足視覺需求，此時應考慮如何以立體幾何中最基本的點、線、面方式構造空間復雜造型。在VRML中復雜的地理幾何體通常由任意形狀、任意數量的曲線及曲面構成，因此，對于任意復雜的自然界物體造型，均可使用VRML復雜造型技術。在構造復雜地理幾何體之前，可以預先定義點集(PointSet)、索引面(IndexedFaceSet)、索引線(IndexedLineSet)以及高程格網(ElevationGrid)、拉伸面(Extrusion)等一些高級造型節點作為Shape造型節點geometry域值加以創建。

空間點數據是空間定位數據庫的核心，任何空間實體最終都是通過點坐標來控制的，任何實體的建模最終是對空間點的建模。它主要包括點標識號、空間三維坐標(x，y，z)等字段。三維空間點建模分為兩種方式:一種是控制點，一種是實體點。對于控制點用PointSet節點進行建模，對于實體點通過Sphere節點進行建模，因為VRML中的PointSet節點沒有大小的顯示特性[5]。控制點建模算法描述如下:

PointSet

{

exposedField SFNode coord NULL//定義空間點的坐標exposedField SFNode color NULL//定義空間點的顏色}

在VRML建模中線分為控制線和實體線兩類，控制線通過IndexLineSet來建模，沒有實際的粗細顯示特性，實體線通過Extrusion節點建模。

面是構成體的基本元素，同時某些面可以直接構成空間實體對象。對于任意曲面的構造，在VRML中可以利用IndexedFaceSet節點；如果構造高效建造管狀對象和彎曲對象，可以利用Extrusion節點；ElevationGrid節點則通常用于繪制地形圖形狀和建造地形；而利用Coordinate節點來創建出點、線、面造型的空間參數，則可以指定PointSet、IndexedFaceSet等節點的三維坐標。

3.4 VRML中幾種地理實體造型建模比較

VRML中幾種地理實體造型建模比較 表1

在模型構建過程中，針對描述和表達地理事物特征屬性的需要采用不同的造型節點。對于一些規則的簡單地理幾何造型，可以直接采用VRML中提供的Box等基本節點造型建模；對于不規則的復雜地理幾何體，不能僅僅由簡單造型組合構成，而是綜合運用一些復雜節點造型如ElevationGrid節點、Extursion節點、IndxedFdacedset節點面造型等建模方法，高效地構造出具有高真實感的三維模型。

4 基于面向對象和VRML的三維建筑模型構建

對于城市中的建筑物，首先將建筑物分為規則建筑物和不規則建筑物，然后將其抽象分解為建筑物構件對象，再利用VRML節點/造型與構件對象進行映射，實現三維建筑模型的構建。

4.1 三維建筑模型構建過程

基于面向對象和VRML的三維建筑模型是采用面向對象的方法將建筑物抽象分解建筑物構件對象，它主要是通過墻體對象組合構成建筑物對象，對墻體對象又可以進一步分解為左墻體對象、右墻體對象、外墻體對象，這些對象又可以進一步細分為更小的對象，直到分解為點、線、面、體四類元對象，這些對象與VRML節點/造型相映射，通過VRML方式構建建筑物的構建對象，再逆向運用面向對象的方法進行構件對象的組合及運算，最終實現三維建筑物的幾何特征、屬性特征和操作方法以對象的方式進行封裝和一體化管理，具體過程如圖4所示。

圖4 三維建筑模型構建過程

4.2 三維建筑模型可視化實現

三維建筑構件對象主要是通過VRML中的兩種方式進行構建:一種是直接通過VRML中的節點/造型進行構建，該方法主要構建簡單的對象；另一種方式是先通過VRML原型構建新的節點類型，然后再通過第一種方式生成對象，該方法主要構建復雜的對象特別是重用性比較高的對象。對每一類對象通過VRML建模都會產生一個后綴為wrl的文件，每一個文件對應這一個對象，對這些對象可以通過Transform節點及相應的域進行模型的平移、旋轉、縮放等空間變換操作，組合成更高一層的對象，直至構成建筑物對象。其部分主要代碼如下:

Transform{

childrenTransform{

childrenInline{

url"build＼MAINLEFT.wrl" #構建的左墻體對象

}

}

}

Transform{

childrenTransform{ childrenInline{

url"build＼MAINOUT.wrl" #構建的外墻體對象

}

}

……

構建的建筑物三維模型如圖5所示。

圖5 建筑物三維模型圖

本示例中的建筑物基本屬于規則建筑物對象，其幾何形體大多呈現圓柱體、長方體、三棱體等組合外形，因此可定義圓柱體、長方體、三棱體等幾何形體為基本體對規則建筑體對象進行表達，實現較為規則的空間目標對象的三維重建，但對于不規則建筑物對象則要借助3ds Max進行三維構建，最后導出為VRML文件。

5 結 論

本文提出了一種基于面向對象和VRML的地理實體三維建模方法，該方法采用面向對象思想將三維空間地理事物抽象為點、線、面、體等空間對象，利用VRML提供的基本造型和高級造型節點進行三維建模，使得場景、模型的設計和編輯更加簡單、靈活。這很好地解決了針對于不同的應用需要進行大量重復建模工作的問題。經實驗結果表明，此方法有效地提高了三維物體建模效率，但對于不規則復雜實體需借助其他建模軟件，最后導出為VRML文件。

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A Object-oriented and VRM L M ethod for Geographic Entity 3D M odeling

Chen Junren1，2，LiJingwen1，2，Fu Yu1，2，Su Ziyong3
(1.College of Geomatics and Geoinformation，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics，Guilin 541004，China；3.Armed Police Corps in Guangxi，Nanning 530022，China)

Based on analyzing the geometric representationmethod of the existing 3D spatial objects and object-oriented method，this paper aim to understand and express the objects，geographic phenomena and their spatial relationships in the realworld from the 3D space perspective，and presenta object-oriented-based and VRML 3Dmodelingmethod for geographical entity.By taking the 3D buildingmodeling as a example，the results suggests that themethod can complete the 3D reconstruction quickly，and provide a new method and new thinking to construct the 3Dmodel and realize the object-oriented 3D visualization for irregular and asymmetric geographic entity.

object-oriented；VRML；geographic entity；3D modeling

1672-8262(2013)04-25-04

P208.2

A

2012—12—02

陳俊任(1985—)，男，碩士研究生，從事GIS理論和應用方面的研究。

廣西自然科學基金重點項目(桂科自2011GXNSFD018003)；廣西空間信息與測繪重點實驗室主任基金項目(桂科能1103108-03)