LOD建模技术在数字地图可视化中应用

摘要：lod模型在地图表示过程中,根据不同数据来源和可视化表示方法,采用不同的建模算法将会得到不同的可视化结果。

关键词：数字地图；LOD建模；可视化；

中图分类号：P282文献标识码： A 文章编号：

1. LOD建模与地图可视化

LevelOfDetail(简称LOD)技术,即层次细节简化,是计算机图形学中一种有效的控制场景复杂度的方法,它是通过逐次显示景物的细节来减少场景的复杂性,提高绘制算法的效率。其基本思想是: 用多层次结构的物体集合描述一个场景,即表示空间中的物体具有多个模型,模型间的区别在于细节描述程度的不同,而物体的重要程度由物体在显示空间所占面积、比例等多种因素确定。与原模型相比,每个模型均保留了一定的层次细节。当从近处观察物体时,显示采用精细模型,当从远处观察物体时,则采用粗略模型,模型随视点远近的变化而采用相应的细节层次模型。简单说明,当屏幕比例尺不断缩小,许多地图对象显示像素越来越少,则可以加以简化或者合并而不影响显示和表达效果,这就是层次细节简化。

数字地图可视化表示方法中,2维电子地图、3维地图、虚拟仿真等表示方法均涉及LOD建模问题,尤其是在3维地图显示和仿真过程中,需要进行大量实时计算和场景模型的建立和渲染,同时,大区域、大数据量地图数据显示也是可视化研究的热点之一。LOD模型可以根据显示范围和场景的变化,调用相关的地图数据参与计算,使直接参与3维场景建立和计算的数据量大大减少,提高了渲染效果与动态效果,为建立大区域动态仿真地理环境提供了可能。因此,LOD模型算法的研究是地图可视化表示技术的关键技术之一。

目前,在LOD技术应用方面,大致有三种类型:

1)离散LOD模型

事先计算好模型在各个层次细节并存储,通过用户的操作,在显示比例尺变化时,调用相应的模型。这种模型要求数据存储量大,同时相邻LOD模型间切换时伴有视觉上的跳跃感,属于初级LOD技术。

2)连续LOD模型

采用模型算法,以高精度的模型为基础数据,实时生成任意多个不同分辨率的模型,这种模型可以实现地图不同层次的平滑变化显示,对算法的要求较高。

3)多分辨率LOD模型

同一显示模式下,不同区域具有不同层次细节的模型称为“多分辨率模型”。在实际表示过程中,地图模型的不同区域可能存在不同水平的细节层次,如地形复杂区域的模型与地形简单区域的模型并存,共同描述地表起伏变化。这种多分辨率模型更符合地图可视化的信息传输要求,在不增加单位时间数据计算吞吐量、不影响显示效果的同时,平衡反映模型不同区域的细节层次,提高信息传输效率。这对算法和模型数据结构提出了更高的要求。

2. LOD模型的建立

LOD建模方法,可根据地图表示中地理目标的分类,分别建立图层、点、线、面、注记等的LOD模型。在地图要素表示中,一般是按类型分层存储管理,参考数字地图表示规范,和地图用户的显示需求,给不同比例尺地图的图层设置一个显示级别(LOD参数),将各比例尺地图中的要素层对应相应的显示级,当地图显示缩放到一定级别时,该图层显示。图1是图层对象LOD模型结构示意图。

图1 图层对象LOD模型结构示意图

以上属于离散型LOD模型,实际操作时,通过存储管理地图的不同比例尺的地图数据库,将各数据层纳入同一“LOD”参数设计方案中,即所有图层数据均统一协调调用,显示时,根据该图层“LOD0”参数,决定是否显示,来实现不同地图比例尺数据间的自由切换显示。对于要素的连续LOD显示,需通过不同类型的要素连续LOD模型建立来实现。

2.1 点状、线状、面状要素的LOD建模

2.1.1 点状要素

点状要素LOD模型与显示范围、比例尺及自身的位置、属性之间具有密切的关系。其建立可以看做是要素化简问题的引申,可以借鉴点状要素化简的算法。目前点状要素化简的算法有重力模型法、相关系数控制法、凸壳化简法和Voronoi图法。其中Voronoi图是计算几何中的一个主要几何构造,它将整个欧氏空间剖分为互不重合的子空间,且所有子空间的并集刚好布满整个空间,每个子空间包含一个空间对象,这种结构也将空间邻近关系隐含其中。

建立点状要素连续LOD模型的步骤:

1)构建点状要素的Voronoi图；

2)计算各点状要素Voronoi图面积；

3)确定点状要素LOD 的最大值,根据点的Voronoi多边形的面积大小与LOD值进行比较,得到点的多级LOD设置。点状要素Voronoi图面积可以认为是点群对空间的占有程度的另一种描述与衡量因素。

2.1.2 线状要素

线状要素LOD模型建立的基本目标是随着细节层次降低,从表示线要素的线目标的点序列中去掉“不重要的”点,尽量地用较少的点表现符合所需精度的视觉效果,这类似于线简化算法。目前流行的线简化算法是道格拉斯(DP)算法,DP算法的思想是:

1) 设线目标由一个点序列表示,对线目标的起始点与终结点构成的直线段,计算该目标上所有其他点到这一直线段的距离,并求出产生最大距离的点和它相对应的距离D；

2)如果最大距离D小于一个指定的阀值(容差E),则去掉点序列中除端点以外的点,以两端点的连线代替原线目标,否则以允许点分割线目标,对分割出的两个线目标分别重新考虑以上两步骤。

借鉴线目标简化的方法,则线状要素的连续LOD模型的建立过程如下:

1)根据当前比例尺确定容差E,方法是: 设在屏幕上,用户所能分辨的像素为N,则可根据当前比例尺M(单位为米/像素)反算到实际距离,即为容差E=N×M；

2)根据所确定的容差E,动态调整线目标的点数,从而建立线状要素的连续LOD模型。

2.1.3 面状要素

面状要素的LOD模型建立较为复杂,一般情况下,面状要素采用多边形来组织,在地图上表示的有街道、街区、建筑物等,而多边形相互之间的关系有相交、相邻、包含、相离等。在比例尺变化时,多边形之间的关系也要发生变化,不同相互关系、不同性质的地理要素的处理方法也各不相同。

面状要素一般采用混合LOD模型建立方法,将多边形的类型划分为三类,下面分别阐述其LOD 模型建立的方法:

1)具有公共边界的多边形

如政区、植被分区等现象。为避免出现公共边界存储两次,导致数据冗余以及边界出现裂缝的情况,这类多边形的存贮方式一般是采用弧段结构组成多边形。

建立这类多边形的LOD 模型的方法是: 将各弧段提取出来; 然后对各弧段采用线状要素的LOD 模型建立方法形成其LOD模型；最后形成多边形的LOD模型。

2)离散多边形

在地图中大量存在着离散性质的面状要素,如独立居民地、自然村落、湖泊等。这种类型要素的特点是: 各自由一个封闭的多边形构成,相互之间没有共同边界。这种要素也有两种情况:

①有的多边形群落构成一个特定的区域,如村庄、湖泊区等；

②有的与其他相似目标相距较远,单独成为一种标志,在一定小比例尺地图上,这些面状要素只有是某种特别意义的标志(如国界、政治热点等),才应该保持甚至夸大。