魏富盛楊 偉

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

關(guān)于VRML在山區(qū)地形模型建立中的運用研究

魏富盛1楊 偉1

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

運用基于網(wǎng)絡(luò)的三維建模語言VRML，以數(shù)字測圖的結(jié)果為基礎(chǔ)，建立虛擬的山區(qū)三維地形模型，通過對測區(qū)的三維展示、信息查詢和車輛行駛仿真模擬，提前找到容易引起安全隱患的節(jié)點，為山區(qū)公路的設(shè)計及修改打下基礎(chǔ)。本文得到以下成果:1、基于VRML建立三維地形模型的方法流程2、對生成的地形模型進行后期渲染處理的方法3、將建立的三維地形模型實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的鏈接和進行虛擬仿真行駛、信息查詢的方法。

VRML ； 地形模型 ； 公路設(shè)計 ； 虛擬現(xiàn)實 ； 仿真模擬

0 引言

VRML是英文Virtual Reality Modeling Language——虛擬現(xiàn)實建模語言的縮寫。它具有開發(fā)功能突出，場景真實感強等特點，仿真和渲染的實時性可使瀏覽者切身感受虛擬三維環(huán)境的變化。山區(qū)因為其地形的特殊復(fù)雜性，歷來為公路修筑的一大難點，為克服山區(qū)地形復(fù)雜，選線難度大這一難點，建立虛擬的三維地形模型并對設(shè)計公路提前進行仿真行駛成為最好的解決方法。測繪工程、攝影測量與遙感等技術(shù)的快速發(fā)展為三維地形模型的建立提供了坐標(biāo)幾何與紋理的數(shù)據(jù)源。隨著 GIS與可視化技術(shù)的進一步發(fā)展，三維空間信息可視化已經(jīng)成為GIS的一個重要研究方向，是目前3DGIS的熱點研究方向。

1 運用VRML創(chuàng)建三維地形模型的方法流程研究

1.1 建模數(shù)據(jù)的獲取

建立三維地形模型，首先要通過野外實測，直接從地圖上或通過攝影遙感測量等技術(shù)獲取高程數(shù)據(jù)。然后將測區(qū)劃分為相應(yīng)的柵格區(qū)域，數(shù)據(jù)分布在不同柵格的密度是指采樣數(shù)據(jù)的密集程度，與研究區(qū)域的地貌類型和地形復(fù)雜程度相關(guān)。相鄰兩采樣點之間的距離通常稱為采樣間隔（或采樣距離）。如果采樣間隔隨距離變化，那么就用平均值來代替。

1.2 模型定義

一個通用的VRML文件結(jié)構(gòu)由文件頭、原型、造型和腳本和路由四部分組成，其中唯一必須的是VRML文件頭，一個VRML文件還包括下列條目：注釋、節(jié)點域和域值、定義的節(jié)點名、使用的節(jié)點名。一個VRML模型由幾何形體或?qū)傩詷?gòu)造來定義它的3D結(jié)構(gòu)，使其具有一個基于材質(zhì)、地形、地貌和顏色的外觀，材料和顏色等又構(gòu)成它的表面紋理，如土質(zhì)、石質(zhì)、沙丘和植被等。在VRML中，這些造型屬性、幾何結(jié)構(gòu)和外觀，都由其相關(guān)節(jié)點的域值設(shè)定。

1.3 造型編組

造型可以被組織在一起來創(chuàng)建更大、更復(fù)雜的造型。如樹木和山丘造型可以通過Group節(jié)點被組織在一起成為森林。我們也可以將多個小屋造型組織在一起創(chuàng)建一個美麗的莊園造型，并且多個莊園造型組合在一起可以組成一個區(qū)域環(huán)境等。將建立的造型組織在一起的節(jié)點稱為父節(jié)點，組成的造型稱為子節(jié)點，一個組可以有任意多個子節(jié)點，甚至也可以用其他組作為子節(jié)點。

1.4 綁定指令和路由

為了使虛擬空間具有動感，方便進行虛擬仿真瀏覽，構(gòu)造地形模型時可以包含綁定若干指令。VRML綁定包括：在兩個節(jié)點間綁定路徑或者路由，一旦在兩個節(jié)點之間創(chuàng)建了一個路由，第一個節(jié)點可以順著路由傳遞信息給第二個節(jié)點。這樣的消息稱為事件，包含一個值，類似于節(jié)點內(nèi)的域值。典型的事件值包括浮點數(shù)、顏色值或三維坐標(biāo)值。當(dāng)一個節(jié)點接受到一個事件時，它將根據(jù)節(jié)點的特征，運行節(jié)點定義的功能。通過綁定多個節(jié)點，可以創(chuàng)建復(fù)雜的路線，能夠傳遞事件來使虛擬地形環(huán)境充滿動感。

2 三維地形模型渲染方法研究

當(dāng)三維地形模型初步建立好后，還需要通過進一步的渲染和效果設(shè)置才具有真實的虛擬仿真效果，后期渲染可以通過材料控制外觀，對海拔柵格著色，映射紋理，設(shè)置材料的反光性，背景設(shè)置等方式進行。

造型的外部特征通過說明材料的相關(guān)屬性來設(shè)定。使用Appearance和Material節(jié)點，能控制造型的顏色，發(fā)光顏色和透明度。也可以用Material節(jié)點設(shè)置造型的透明性因子，而用Color節(jié)點控制造型的顏色。用Material節(jié)點以及它的相關(guān)域，可以控制顏色來體現(xiàn)造型的層次，構(gòu)成閃光造型，模擬塑料、金屬以及其他閃光造型等。

采用紋理控制，你可以在一個造型上設(shè)置其紋理，并可以擴大、縮小并選擇該紋理，也可以在一個造型的表面上多次放置一個紋理圖像。例如，可以采用一個小磚塊的紋理圖像，并不斷重復(fù)該紋理，就可以形成地形表面。

VRML中的背景特征使可以控制三維模型中天空和地面等的顏色，指定一組全景圖像放置在的VRML世界的上下方或四周。從概念上而言，VRML中的天空是一個無限大的球體繞在空間四周。采用Background節(jié)點，可以為天空球體指定其他顏色。對于一個簡單地天空，可以將整個天空指定為一種顏色。如果要生成更真實、水平著色的效果，可以對天空球體采用梯度著色。

3基于VRML的三維地形建模示例

3.1 節(jié)點示例

創(chuàng)建地形模型常用ElevationGrid來為一個區(qū)域建立表面。這個節(jié)點可以定義地域柵格的X維和Z維，并且為柵格中的每個柵格點建立Y方向的高度。X和Z方向的柵格點的數(shù)量可以分別用xDimension和zDimension域建立，其域值指定了柵格行和列之間的空間。height域的值指定了每一個柵格點的海拔高度。建立海拔柵格的一個方法是，先以一個平坦的柵格作為起始，選擇其中若干個柵格點并且改變它的高度，升高其高度就形成了高山的頂峰，或者降低其高度就形成了海洋或峽谷，繼續(xù)這個過程，就可以創(chuàng)建一個崎嶇不平的區(qū)域。

3.2 具體模型的建立

運用獲取的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，結(jié)合上面介紹的ElevationGrid等節(jié)點語法及綁定的相關(guān)文件路由，就可以建立三維地形模型；再根據(jù)相應(yīng)的渲染方法對建立的三維地形模型貼上高分辨率影像圖，進行相關(guān)后期渲染處理，就可形成具體的三維地形模型。

3.3 虛擬仿真瀏覽

當(dāng)三維地形模型初步建好后，運用相關(guān)節(jié)點功能，與將建立好的汽車模型、公路設(shè)計模型、三維地形模型等進行鏈接，使用戶置身于真實三維空間的感受，同時仿真和渲染的實時性導(dǎo)致了虛擬場景中人機的可交互性，使瀏覽者駕車可以在場景中切身感受虛擬環(huán)境，對公路線型的舒適性和合理性作出評價，然后按照設(shè)計要求對相關(guān)設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整。

4結(jié) 語

本文介紹了將VRML虛擬語言建立三維地形模型的方法步驟，通過提前對山區(qū)設(shè)計路線進行虛擬仿真行駛，對收集的車輛運行狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，從而對山區(qū)公路設(shè)計的合理性、舒適性、安全性的進行分析，提前找到公路設(shè)計中存在的不合理地方并進行調(diào)整更改，從而為我國山區(qū)公路的建設(shè)起到積極的推動作用 。相信隨著VRML在虛擬現(xiàn)實中的運用及相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展完善，VRML語言將更多地運用到山區(qū)三維地形模型建立、山區(qū)公路設(shè)計、公路數(shù)字化管理、城市地理信息系統(tǒng)建立中。

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