植物的三维可视化研究

植物的三维可视化研究（共11篇）

植物的三维可视化研究 篇1

当前,随着计算机图形学的发展与农业知识的创新,三维可视化在农业领域中得到了广泛应用,以三维可视的方式表现农业植物的形态结构和生长过程得到了越来越多的关注,并逐渐成为一个新的研究课题——数字植物[1]。数字植物不仅对传统农业的生产与发展产生了广泛的影响,同时在其他方面[2,3,4,5]也具有重要的研究意义和应用价值,例如,数字娱乐、科普教育和计算机动画等方面。

所谓植物形态建模,不仅模拟植物的常规形态特征,同时也需模拟植物在环境条件下的形态响应,即植物的“真实”三维形态结构,并最终实现植物的结构和功能的并行可视化模拟。总体而言,国内外对于植物三维形态建模方法进行了很多的研究,主要通过研究玉米、小麦、棉花等植物的三维形态,验证了不同建模方法在植物建模中的利弊。按照建模的方法和目的的不同可将数字植物模型分为静态模型和动态模型[6]。针对以上问题,本文以油菜和草莓为研究对象,通过观察其主要形态结构特征,进行了不同方法的植物三维形态几何建模与真实感绘制技术的探索。

1 植物形态结构特征

不同的植物形态结构不同,为了创建“真实”的三维植物模型,首先需要我们对于植物的形态结构特征进行了解。植物的形态结构往往随着生长周期的不同而具有差异,因此,本文通过定期观察不同植物生长过程中各类器官的特征以及各类器官在生长过程中的相互关系,提取了不同时期不同植物形态结构特征,为后续的植物三维模型创建奠定了植物学基础。

1.1 植物形态结构提取

1.1.1 二维数据测量

本文以油菜和草莓为例,以2天为时间单位测量植物的相关指标,主要采用直尺、量角器、软尺等测量工具,获取植物在不同生长时期主要器官的主控参数等。例如在油菜幼苗期,主要是以叶子为主的形态结构,因此在进行二维数据测量时,注重测量叶片的形态结构数据,例如叶片长度与宽度、叶柄的长、叶片着生点、叶片生长的方位角、倾斜角等参数。

1.1.2 三维数据

在植物生长周期过程中,同时定期对整株的植物和器官进行三维数据获取,利用三维数字化仪和三维扫描仪获取整株植物和单个叶片的三维数据。对于单个器官(如叶子、果实)可采用三维数字化仪中的探笔进行器官中少数点云数据的获取工作。

2 植物三维模型

植物三维模型的创建往往取决于数据的类型,根据获取的二维与三维数据不同,决定了单个器官与植物整株的建模方法。

2.1 二维数据建模方法

通过对植物的二维观测数据进行统计分析,确定了植物单个器官以及整株模型之间的几何关系,通过分析得到的约束关系,采用插值的方法进行植物单个器官和整株模型的可视化显示。例如在油菜幼苗期中,油菜叶片的各个参数之间存在着一定约束关系,由图1可知,幼苗期油菜叶片的叶长与叶宽之间的比例关系L/W保持在1.5~2.5之间波动。因此可设置油菜叶片模型参数为叶长叶宽比L/W。通过调控以上参数,便可以获得不同形态的幼苗期油菜叶片模型。

草莓的叶由3片叶组成,叶片中央纵贯一条主叶脉,叶片边缘有锯齿状缺口,即锯齿型叶缘,如图2所示。通过对叶片的观测可知,叶长与叶宽决定了草莓叶片的整体形态特征,因此设定叶长、叶宽作为叶片几何模型的主控参数;同时叶缘锯齿方向和叶片的叶脉分枝有比较大的联系,并与其所在叶片边缘之间存在一定的夹角,且锯齿之间方向的变化也有一定的联系。

设定点O为坐标原点,锯齿顶点P的坐标可由锯齿长度L1、锯齿方向角αi和锯齿间距l1确定(见公式(1))。

对于符合约束条件的植物单个器官和整株模型,如,植物的茎秆和油菜花序等,均可采用二维植物建模方法,进行数据的分析和约束参数的提取,从而采用不同的样条方法进行植物单个器官和整株模型的创建。但是植物的形态与环境之间存在相互影响的关系,因此,采用二维数据建模方法创建的三维植物模型真实感与实际植物模型之间有一定的差距。

2.2 三维数据建模方法

随着三维数据获取技术的发展,越来越多的三维扫描仪应用到植物建模中,常用的有手持式三维扫描仪和小型三维扫描仪,进行植物单个器官和整株模型的三维数据获取,同时也可以采用探笔进行单个器官和整株模型特征点的提取,从而实现某一特定时期的植物单个器官和整株模型。与二维数据建模方法相比,该方法创建的三维模型与真实植物具有极高的相似度,但是,在交互设计方面,具有太多的局限性,往往生成的模型再次编辑具有很大的难度。

3 三维植物模型可视化

鉴于二维建模方法和三维建模方法的优缺点,在本文中采用两种相互结合的方法,进行了油菜与草莓的三维植物模型[7,8,9,10],针对不同的植物器官采用合适的方法进行三维模型的创建,同时基于植物的拓扑结构进行整株植物的三维模型创建。根据上述的三维植物模型的创建方法,结合Open GL图形标准,采用VC++在计算机上创建了油菜和草莓的三维建模可视化系统。为增强模型的真实感效果,通过纹理映射技术对各器官模型和整株模型进行渲染,整体效果如图3所示。

参考文献

[1]赵春江,陆声链等.数字植物及其技术体系探讨.[J]中国农业科学,2010,43(10):2023-2030.

[2]刘志远,郑永果.基于VTK的医学图像三维重建[J].信息技术与信息化,2009(2).

[3]杨洪兴,王涛等.基于MIMU的人体三维姿态检测系统设计[J].信息技术与信息化,2012(12).

[4]李旭,唐斌等.三维GIS大规模地形实时渲染技术的研究[J].信息技术与信息化,2011(12).

[5]冯伟.高职院校虚拟校园分析与实现[J].信息技术与信息化,2010(10).

[6]郭炎,李保国.玉米冠层的数学描述与三维重建研究.[J]应用生态学报.1999,10(1):39-41.

[7]赵丽丽,郭新宇等.油菜花序三维形态结构数字化设计技术研究.[J]农机化研究,2011.5.

[8]赵丽丽,温维亮等.草莓三维形态几何建模与真实感绘制.[J]中国农学通报,2011,27(6).

[9]赵丽丽,陆声链等.3D Shape Reconstructionand Realistic Rendering of floweringrape(Brassica napus L.).[C]The 2011International Conference on Multimedia andSignal Processing.2011.4.

[10]赵丽丽,温维亮,郭新宇等.幼苗期油菜几何造型研究.[J]安徽农业科学,2011.5.

植物的三维可视化研究 篇2

基于GIS技术的三维矿山遥感可视化方法研究

以RS和GIS作为数据获取与分析处理的技术手段,对spot-5数据进行了图像的合成、几何纠正、融合和正射校正处理后,以ArcGIS作为数据平台,利用数字高程模型(DEM),生成不规则三角网,对地形进行三维模拟,叠加遥感影像,制作了矿山遥感的三维立体遥感影像图.实践证明,三维遥感可视化的应用,对揭示矿山的.空间分布规律、野外路线选取、野外验证工作困难的区域以及指导矿山生产实践都具有非常重要的现实意义,同时可以叠加矿权等矢量数据信息,实现多源数据的空间分析,为矿山遥感多目标监测工作提供直观、准确的数据,节省时间、减少成本.

作 者：褚进海 彭鹏 李郑 贾丽萍 CHU Jin-hai PENG Peng LI Zheng JIA Li-ping 作者单位：安徽省地质调查院,安徽合肥,230001刊 名：安徽地质英文刊名：GEOLOGY OF ANHUI年，卷(期)：19(2)分类号：P628.3关键词：矿山遥感 可视化 DEM GIS

植物的三维可视化研究 篇3

当前针对地下综合管线的三维可视化方法存在诸多研究，例如利用AutoCAD的三维建模方法、ArcGIS Engine的三维可视化方法、基子OpenGL的三维渲染方法等。然而这些方法较少考虑地下管线数据海量性、实时更新特性，存在建模效率不高、随着管线的更新而实时变更模型困难等问题。

本文结合管线数据的特点，提出了面向对象的地下综合管线三维建模及可视化方法，通过面向对象的方法将城市地下综合管线数据进行抽象，根据管点和设施的属性及特征形成各种类型的简单对象，构成管线建模和渲染的基本单元，然后，在三维渲染时，根据管线的具体特征将简单对象组合成复杂对象来表达实际的管线对象，并利用一系列的三维渲染优化方法提高可视化的效率。

1 面向对象的城市综合管线数据组织

为了便于研究和管理，可以将现实世界的管线数据抽象为对象，对象是客观世界中客观实体的抽象，是构成管网系统的基本单位，具有属性和行为特征。对象可以根据应用的实际需要分为简单对象和复杂对象，简单对象是表示空间事物的基本单元。复杂对象是将多个简单对象进行组合，用于表达通过单一简单对象难以表达的复杂实体。

本文根据管线数据的特点，将对象标识、空间位置、属性信息、拓扑关系及行为封装成对象，实现数据的有效管理，具体数据结构模型如下：

管点对象{管点对象标识；位置；高程；相连管线对象列表：联通特性：关联属性信息}

管线对象{管线对象标识；起始管点对象终止管点对象；终止管点对象为起始点的管线列表；起始管点对象为终止点的管线列表：关联属性信息}

管设施面对象{设施对象标识；空间位置；相连管线对象列表；联通特性；关联属性信息}

相连管线列表{为起始点的管线对象列表；为终正点的管线对象列表}

为起始点的管线列表{管线对象1；管线对象2；…；管线对象n}

2 面向对象的快速建模方法

当前主流的地下管线三维建模方法是采用专业的三维软件进行建模，存在建模效率低、费用高、更新困难等问题。城市地下综合管线数据量庞大、种类繁多、纵横交错，传统的人工建模方法已经难以满足管线管理的需要。

本文采用面向对象的矢量数据自动建模方法，该方法首先将管线数据进行抽象，将各类管线所共有的特征进行提出，建立起抽象的基类管线数据模型，并根据管线的属性特征、管点的特征和附属物的属性特征，将管线分解了多个简单对象（见图1）。在建立管线模型时，将大型管线模型通过若干个高精度三维组件式管线模型的重构，建立面向管线三维模型的分类、标识设计规划，使管线管理实现依据不同设备组件对三维时空管线进行精确描述。根据各种类型管点和设施的实际情况，建立不同种类管点和设施的简单模型，并根据实际外观选择模型材质和贴图，形成不同种类的管点小部件，并构建若干个高精度三维组件式小部件模型来表达各种管点和设施，将它们和相应的模型实体存储在相应的管线拓扑表和内部关系表中，形成内联的基础信息。

管线段由管点连接而成，在数据库构建时，为管线段建立管点拓扑关系，管线段具有管径变化特性，因此，需要根据不同的管径大小构建不同大小的模型，在管线三维建模时，根据管径的大小，以及管线具有的方管、圆管、排管、综合管沟等多种形状特性，利用管线起始点和终止点的位置信息，为管线段自动构建相应管径大小的模型，并根据实际管线材质，为模型选择不同的材质和贴图，形成管线段模型。

最后，在三维实时渲染时，将多个组件根据管线对象的实际情况进行组装，形成整体的三维管线效果。

3 地下综合管线三维可视化渲染

地下管线的空间位置和方位差异很大，在三维场景中进行渲染时需要利用统一的光照、方位变化和投影方式。地表、地形、地貌则具有较为统一的基元特征，但在三维场景中渲染时要考虑地形起伏引起的光照差异。本文将地下管线模型与地表表面模型通过三维坐标进行结合，并根据地形起伏，对三维管线模型在场景中的植入深度、对地形的遮蔽情况进行分析，在内存中建成具有统一基元特征的一体化渲染模型，从而实现利用统一的渲染方法对地表和地下管线实现一体化渲染，提高场景的仿真程度。在一体化渲染时一个重要的工作就是对地表和地下管线的光照进行处理，使观赏者有真实的观赏体验，提高仿真程度。

地下管线模型的空间密度高、精度高，为了保证模型几何精度和纹理精度的无损展示，同时满足人类视觉感受，需要减少对场景中三维管线不可见部分的渲染，本文通过距离剔除和三维视锥体裁剪两种方式实现此功能。

三维视锥体裁剪是指在三维场景中，以一个平头锥体来替代三维视域，通过判断三维管线是否在该视锥体中，对视锥体内和与视锥体相交的三维管线进行渲染，而对视锥体外的三维管线不进行渲染，从而大幅提高渲染效率，通过视锥体与符合管线特征的立方体包围盒的相交检测算法进行快速的视域剔除，即计算三维管道包围盒的任意两个顶点是否在视锥体内，批量的削减视锥体外的三维管道的几何节点，快速计算出需要渲染的节点序列，减少送入Direct 3D渲染通道的三角面数量，从而有效地提高渲染速度，达到实时性的要求。

距离剔除即通过计算待渲染三维管道模型与三维视锥体的距离，将距离大于限制系数的三维管道模型排除，从而优化近端场景的渲染速度和效果，该方式可有效配合视锥体裁剪使用。

本文利用分块LOD模型技术来加快图形生成速度，首先将三维场景中原始的多面体建立为面片模型，然后根据视景远近不同，对原始的面片几何模型按不同的逼近程度进行简化，以减少面片结构中的拓扑边和结构面的数量，从而将三维场景分成连续多分辨率的模型，去除不在浏览视域中的场景（如三维管线模型、地形模型），最终在不影响视觉效果的情况下降低数据复杂程度和10吞吐量，大幅提高多画体数据的访问和渲染效率（见图2）。

从整个完整的三维场景出发，递归地把场景分割成相等的四个区域，每层分割深度越大，得到的分辨率越高，分割的正方形块或长方形块（视展示区域而定）为四叉树的一个节点，每个节点保存了一定区域的信息，包括：索引号、三维管线模型，索引号由节点所在的层级、行号、列号组成。最后用二进制文件形式保存每个节点的场景信息，便于场景快速调用。

植物的三维可视化研究 篇4

虚拟植物就是利用虚拟现实技术在计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程,它是以植物个体为对象,具有三维效果和可视化的功能。近年来,虚拟植物技术随着信息技术的进步而迅速发展成为农业信息化的研究热点[1]。当前存在的Simroot模拟系统对植物根系的模拟研究主要侧重于单一的根系的模拟,而同一生长环境中多个根系的模拟研究还比较少。笔者通过对Simroot模拟系统的改进,结合Visual C++编程工具和OpenGL三维图形库技术,建立了一个植物根系竞争生长的可视化模拟系统。

1 系统概述

系统结构及工作流程如图1所示。其主要实现如下3大项功能:一是植物根系的竞争模拟。软件能够准确、形象地生成两个植物根系在生长过程中产生竞争现象的图形。根据根系不同的间距,能生成不同程度竞争生长的根系图形;同时,软件能模拟不同种类植物根系间的竞争情况,并能结合生长参数计算出两个根系各自的生长数据:根系体积、根系总长、侧根数、基根数等。二是系统界面的设计。针对Simroot系统的缺少用户界面的特点,本系统建立了一个人机交互界面,使该竞争模拟软件能更简便、直观地被用户应用。三是3D图形功能。软件生成的三维根系图形具有可旋转变换、根系颜色变换或模拟环境背景变换等功能。

2 竞争根系的模型建立

2.1 竞争根系生长模型

竞争根系生长模型的建立是基于Simroot模拟模型的建模原理,结合竞争根系的拓扑特征来建立的。本系统主要针对同一生长环境中两个根系建立模型,每一个根系的建模原理相同于Simroot系统的建模:将根系看作一组分枝轴,每一个轴都源自于分生组织,有一定的分枝次序,一级分枝轴(即一级侧根)直接连接在主根轴上,二级分枝轴(即二级侧根)连接在一级分枝轴上,以此类推,根构型如图2所示。对于每一个时间段内产生的根段,根据几何三维空间向量表示法,确定它们在三维空间的方向[2]。根系模型的建立需要相关的参数,如根段在三维空间的相关性、长度、空间坐标、半径、分枝次序等,这些参数都对应地贮存在计算机中各自的记录区域文件中。对于两个竞争根系的建模,需要分别的预定义记录区域文件对模拟的结果进行同步保存,并且记录文件在每一时间段更新一次。

2.2 实现系统的数据结构

相对Simroot系统实现单个根系的模拟,多个根系的模拟系统的实现,需要为各个根系创建单独的模拟程序。在模拟的程序实现中,系统的内部数据通过树状结构来表示,每条根通过指针链接起来,包括指向其父母根,指向右边兄弟根,指向左边兄弟根,以及指向其子女根。因此,已知一个根系统的头指针,就可以通过这个指针遍历整个根系系统。每一条根都是由一系列的根段(Segment)通过链接连接起来,每个根都设计成保存它的第一个根段的位置(First Segment),然后通过指针(next)不断地访问其下一个根段,直到到达根尖为止。本研究的模拟系统中,每个根系根据树状数据结构来预先定义相应的结构体和全局变量等,计算机中会对应地为这些结构体、全局变量分配存贮空间,模拟系统执行过程中通过调用这些存贮空间中的数据来实现根系的模拟。以下是根系模拟系统执行过程中通过调用这些存贮空间中的数据来实现根系的模拟。根系竞争系统中的数据结构-结构体根轴的定义:

2.3 根系的竞争算法

植物的生长机理表明,两个根系近距离生长过程中,它们的根与根会产生交叉和回避现象,不同的间距、交叉和回避的程度不同[3]。在两个根系的模拟系统中,首先为每个根系相应地定义一个二维数组,用于同步存贮每一时间段根系产生的所有新生根段的坐标数据,然后定义一个对比函数Compare,系统模拟的过程中两个根系都调用各自的对比函数,用于判断本根系与其它根系的间距情况。通过判断两根系间距是否达到竞争条件来重算新根段的生长方向。竞争算法的流程,如图3所示。

对比函数判断竞争的计算公式为

|a-bi|

其中,a代表一个根系的当前根段的空间坐标,bi代表另一根系的二维数组中存储的一系列当前时间段所产生的新生根段的空间坐标,d为产生竞争的距离临界值。

根系间竞争生长的回避现象在计算机图形学中可视化为生长方向的变化,根据模拟系统中确定的空间坐标原点,主要是通过改变x方向的矢量值[4]。这里设定一个公式来计算竞争回避时各个根系的x方向的矢量值,即

x2=x1+a*r*g (2)

其中,a为强度参数,其值的大小反应竞争的强弱程度,是通过生物试验对真实根系生长过程中的每个时间段由竞争而产生的回避量数据进行函数拟合来确定;g为重力参数值,对应根系的向地性;r是根系的随机性参数,对应根的生长随机性;x1是根据三维空间x方向的初始坐标值,x2是加上竞争偏移量后的新的x方向的值[5,6]。a*r*g得到根系产生竞争时x方向的生长偏移量,其值可为正或为负,反应不同方向的偏移量。

3 可视化模拟系统实现

系统是以Windows xp操作系统为平台,结合Visual C++编程工具和OpenGL三维图形库技术开发的。基于本模拟系统软件,以广东省博罗县当地常用的大豆品种(本地二号)作为测试材料,设计生物实验获取大豆根系竞争生长的参数,进行大豆根系竞争生长的三维可视化模拟[7,8,9]。植物根系竞争生长的模拟系统界面,如图4所示。由图4可见,系统模拟竞争根系的三维图形体具有较强的真实感效果。

3.1 图形交互技术

竞争模拟系统在保持SimRoot模拟系统所应用的图形学技术的同时,另一显著特点是运用图形学技术,通过键盘、鼠标可以来控制图形的显示效果。

1) 键盘函数。

在计算机图形学中,通过键盘函数glutKeyboardFunc()可以实现图形和用户的交互,达到图形动态的效果。

2)鼠标函数。

在图形学中有调用鼠标函数glutMouseFunc(mouse)来实现对图形的旋转、拖动等,这个函数指定了当按下或释放一个鼠标键时,调用函数mouse,回调参数x和y返回鼠标当前的x和y位置。

3.2 系统的交互界面技术

系统的显示界面是在Visual C++ 6.0环境下开发的,采用面向对象的程序设计方法,将各种对象方法和资源合理地封装起来形成各自独立的功能模块,系统界面如图4所示。整体上分为两部分,左边是系统的功能界面,右边是系统生成图形的显示窗口。在左边的系统界面中,包括有以下几部分:输入文件对话框、根系生长参数、图形控制对话框、根系数据输出窗口。在系统执行中,通过输入的根系文件,在右边的界面同步的显示模拟的根系图形,同时在左边可以设置图形的显示效果,对图形进行颜色、显示类型、显示角度、图形的背景颜色进行设置,并且在根系模拟结束时,在窗口中能显示两个竞争根系的生长数据。

4 模拟系统验证

通过纸培和盆栽这两种生物试验来获取根系竞争生长的数据,结合大豆根系的生长函数用三次多项式拟合最适合的特性[10,11,12],分别对竞争生长的两个根系的模拟系统结果和试验结果进行了曲线拟合,如图5和图6所示。

由图5与图6的拟合曲线对比结果可看出,利用本系统模拟的根系其生长曲线呈S形[13]。根系的生长规律,同时根据拟合曲线的对比表明:本模拟系统对竞争生长的两个根系进行模拟符合竞争根系的生物特性,即根系在竞争生长过程中根构型会产生变化,而其它的生长特性受到的影响相对较小。

5 结论

植物的三维可视化研究 篇5

关键词：水利水电工程规划论文

在现代信息技术不断深化发展的过程中，大型水利水电工程建设现代化、数字化发展已经成为其发展的必然趋势，而三维可视化仿真模型的构建是推动其发展的重要环节，三维可视化仿真模型的直观性、可操作性都明显优于传统设计方法，所以对其展开研究对提升大型水利水电工程整体性能具有重要的意义。

1大型水利水电工程的数据模型

数据模型的性能决定其包括能够描述系统的静态特征的数据结构、能够描述系统动态特征得到数据操作和保证系统整体持续运行的完整性约束三个主要结构，其共同使数据模型能够对现实世界真实的模拟，能够通过计算机实现并被人类理解。通常大型水利水电工程建筑物中同时存在规则和不规则的实体，在建筑模型中需要将建筑物中真实存在的面和体分为规则和不规则两种类型，通常平面区域或规则的曲面区域在数据模型中会视为规则面对像，否则为不规则面对像，体对象作为多个面对像构成的空间实体，其中如果存在一个及其以上的不规则面对像，则数据模型视其为不规则体对象，由此在数据模型中将规则面对像表示为多边形或函数构造面；将规则的体对象表示为长方体、圆柱体等几何构造体；将不规则面对像表示为TIN面片；将不规则体对像表示为以上基本元素的组合。某大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术中需要面对建筑物的点、线、面、体对象构建数据模型，其点对象的三维空间位置可以通过Q(x，y，z)表示，而两个点对象的三维空间位置即可以描述建筑物的线段对象，而多个线段对象将共同组成线对象，线对象又可以描述几何要素，由此可见数据模型可以实现对规则或不规则建筑实体的描述，三维可视化建模的数据模型实质上是以面对像或面对像的组合形式对建筑物实体进行仿真，所以在设计的过程中可针对不同的面对像进行优化，有利于建筑物整体性能的提升。

2大型水利水电工程建筑物的建模思路

由于构建的三维可视化模型既要表述系统的组成，又要表述复杂系统中不可分解的子系统，所以模型要由不同的模块构成，而模块之间既要有层次结构，又要具有组成和可连续的关系；不同模块其在构建的过程中需要用独立的物理设备或部件；能够通过独立的数学描述各模块的特征。三维可视化模型模块之间的关系决定，对建筑物实体的描述可以通过以下方法实现：针对单纯以简单物体粘合形式构成的物体可以通过空间分割描述，如长方体、圆柱体等；针对简单物体复杂粘合形式构成的物体，可通过构造实体几何表示的方法描述，如并集、交集等；针对复杂物体可通过边界表示法，对物体边界的点、线、面进行描述，不同性质实体描述方法的差异决定某大型水利水电工程应用三维可视化建模技术的过程中需要通过GIS平台，CAD，3dsmax图形处理软件等进行稽核建模、形象建模、三维显示。

3大型水利水电工程建筑物几何建模技术

几何建模技术即结合建筑物实体特征点的实际数据，计算其法向量，进而形成三维几何模型的过程，由于大型水利水电工程建筑物较复杂，其存在简单的建筑物、同高程水域平面、复杂三维实体构造等。构建简单的建筑物模型，可以通过空间分割描述，例如将箱体式房屋视为屋顶面和多个铅直外墙面构成的实体；构建同高程水域平面三维模型可以利用边界多边形的三角剖面表示；构建复杂三维实体三维模型利用制图软件将三维实体的数据在三维空间坐标体系中直接定位，然后利用以下技术进行建模：一种是参数化实体建模技术，其是通过多个参数控制特征部件表述建筑实体的几何关系，并利用代数方程对各部进行结构约束和尺寸约束，此技术以变参数几何模型作为模型构建的基础，能够实现交互参数驱动，而且能够定义参数约束。在某大型水利水电工程中其泄洪潮进水塔、溢洪道等建筑物属于复杂三维实体，在构建三维可视化模型的过程中需要通过以下步骤完成，首先，对建筑物全局变量和局部变量进行定义，例如在构建泄洪潮进水塔三维可视化模型时要选择此建筑物中心线底面点作为控制点，结合其边墙、启闭室等组成部分的关键点与中线点的距离，从全局的角度对其位置、尺寸等进行定义，然后根据定义的数据对局部变量的尺寸进行确定，通过Polylinez等绘图函数将其主体建筑物进行绘制，如进水塔；然后将其次要的组成部分利用拓扑关系按照固定点进行组合，由此形成泄洪洞进水塔建筑物的三维几何模型，此技术的优点是当设计发生改变时，只要对全局变量和局部变量进行更改即可，并不需要彻底的改变几何模型。另一种技术是CAD实体建模技术，此技术是利用CAD软件，通过获取几何元素及表达几何元素关系的约束条件，对几何元素进行确定的技术，如某大型水利水电工程的大坝为例，以大坝的填筑材料、结构等为划分标准，整个大坝会划分为不同的部分，而每部分的形状都很难规则，将不规则的部分细分成规则的形状，针对大量规则的构件进行建模，此时模型中的定量信息成为可以调整的参数，通过对参数赋予不同的数值，可以直接改变各部件的形状、体积，而相同或相似的部件可直接通过软件的图形处理功能实现，使构建的效率和准确性都得到保证，通过对某个部件的构建，实现整体大坝的三维模型构建。针对特征模型还可以利用特征建模技术，其是在系统特征库中存在建筑物建模所需的模型，通过对其进行尺寸约束和位置约束可以将特征模型直接应用于建筑物建模过程的技术，此技术具有效率高、可用性强的特点。

4大型水利水电工程建筑物形象建模技术

形象建模技术是针对已完成的几何模型进行形象美化的过程，使三维模型与建筑物实体更加接近，形象建模技术通常针对建筑物的颜色、透明度、纹理、光泽等进行调整或通过贴图达到使建筑物美化、真实的目的；另外，在形象建模的过程中要考虑到建筑物在真实应用的情况下会存在彼此的遮挡，所以在此过程中需要通过计算消除隐藏面，算法主要有两种，一种是将窗口内的单独像素作为处理单元，确定处理单元中距观察点最近的物体为可见；另一种是以场景中的物体为独立处理单元，以每个物体表面为可见面。

5大型水利水电工程建筑物三维显示技术

三维显示技术即将已经形象美化后的建筑物三维模型投影设置观察点，并对其位置进行合理的调整后将其通过计算机屏幕进行展示的技术，使计算机屏幕上展示的三维可视化模型与建筑物实体两者的逼真度达到最高，三维显示不仅要求对建筑物的整体形象进行展示，而且要求对建筑物与视点的距离、物体与实现的方向、建筑物构件的体积、形状等细节进行展示，可见三维显示技术与计算机的分辨率之间存在密切的关系，分辨率越高，越能够达到三维显示的要求。例如在某大型水利水电工程整体场景展示时，计算机屏幕显示器的分辨率要满足细化水利水电工程中厂房、进水塔、大坝等重要建筑物的需要；当视点转向上游时，计算机屏幕分辨率要满足细化上游洞口、渣场等建筑物的需要，在利用三维显示技术的过程中不仅可以达到通过建筑物三维可视化模型更加了解水利水电工程建筑物，快速获取相关数据的目的，而且其可视化的优势有利于优化建筑物设计细节，提升建筑物的整体性能。

6结论

植物的三维可视化研究 篇6

真三维可视化技术是基于地理信息系统的基础上，综合运用数字化技术、图形技术、计算机计算等，采用数据库承载各种地理信息。进而达到数据的直观呈现，以信息化、自动化和智能化带动采矿业的改造和发展，开创高效、高产和可持续发展的矿业发展新模式，是数字化发展的高端技术。它实现了矿山生产经营管理的各个环节间的生产要素网络化、数字化、模型化、可视化，为矿山的动态管理、生产方案对比决策、系统优化决策提供了可靠的依据，是我公司科技发展的重要途径。

2 数据导入与整理

目前我公司所采用的制图软件为AutoCAD，其中的数据来源主要来自RTK的测量，这样的数据结果不能够直接加载，必须经过处理才能使用。

2.1 钻孔数据的处理：钻孔作为证实煤层分布的一个重要参数。主要包括钻孔的坐标、高程。煤岩的厚度及各个岩层的上下分布位置，此类数据关系到三维建图的基础，因此要尽可能多的选取。因为钻孔数量的多少决定了图纸三维可视的真实可靠性程度。

2.2 当前剥岩的实际情况：前期的地质地形经过一段时间的施工开采，已经改变了原有的地貌，这种变化伴随着工程的进展不断的变化，剥岩所涉及到的范围及深度是反映当前采场现状的一个直观的数据体现，特别是实时的数据就显得尤为重要，它为每天的工作生产及长期的发展规划提供了指导意义，可以为公司设计、生产和决策提供重要依据。

2.3 煤层分布层位显示：煤层分布层位的显示是在已知的钻孔资料及采掘变化的基础上伴随着采掘工程的进度的直观显示。可以分为不变因素（煤岩层结构的整体的分布）和可变因素（采掘影响），应以不变量为基础根据变量进行处理，通过测量的数据变化及时输入获得及时的图形影像来获取煤岩层分布的变化情况。

2.4 地质地形图数据：考虑到当前所依托的平台是AutoCAD，其数据不能直接使用，所以必须处理，主要通过提取所需要离散点的三维坐标，根据目前已掌握了*.dwg格式的数据，也就是AutoCAD的图元形式（主要包括的地形高程数据、地质地形图、坡顶、坡底、平盘、台阶的坡顶坡底数据等）将这些数据进行高程与坐标匹配的二次处理，然后导入到3DMine中并删除冗余数据。

3 真三维可视化模型的建立

3.1 基于地质地形图的地表模型的构造：根据已知的地质地形图及地表等高线图，提取离散的三维坐标，还原未开采状态下的地表模型。使用的方法是通过测量的数据引入到目前正在使用的CASS软件提取尽可能多的等高线数据及特征点坐标，采用三角网算法圈定采区范围，搭建地表网状结构图。还原地表地形。

3.2 煤岩层界面的建立：煤岩层界面建立的精确程度主要是依托钻孔数据的数量的多少。数量与可靠度成正比，因此要尽可能多的选取钻孔数量，同时还要考虑到由于数量不足引起的煤岩层分布描述的不准确问题，可采取适当的方法尽可能真实的反应出其分布的真实情况，例如距离幂次反比法、趋势面插值法、克里金差值法等。

3.3 采场模型的建立：采场实际就是采区范围内煤岩层显现结构和数量的变化的结果，是地表地形破坏后按照某种设计施工的结果，归根结底也是采区的变化，因此其形状的基础是地表地形。所以只需将采场范围内各种特征地貌（坡顶、坡底、平盘、台阶的坡顶坡底）的数据逐一的输入分类，去除原有的地表数据，便可搭建采场的构架。

3.4 真三维模型的构建：通过以上三步已经搭建了三维模型的网状结构图，但并不能直观的显示其效果。要达到三维可视的效果还需要将上面的网状图根据数据的组成类型进行分类处理。例如不同的等高线采区不同的线色，等高线之间的变化用不同的颜色加以填充，煤岩层界面的分颜色渲染，采场内不同地貌的区别修饰，特别要注意到三维立体图像的成像效果。

4 真三维可视化的应用及意义

4.1 储量计算：传统意义上的AutoCAD成图方法只能够计算采区范围内的整体储量，不能根据台阶的变化及时的计算计划采掘范围内储量，无法满足精细的开采工作需求：目前根据此三维图像只需输入设计台阶的坐标范围即可算出煤岩的数量，具体方法是先计算坑底至某台阶顶盘的煤层总量和岩石总量，再计算坑底至该台阶底盘的煤层总量和岩石总量，两者之差即为所求的该台阶煤层和岩石的数量，从而达到为生产计划提供可靠依据的目的。

4.2 工程指导意义：通过三维可视化图形可以优化矿山管理，生产方案的对比决策，资源的合理调配等，使企业实现资源的合理开发利用。减少资源的浪费和环境污染，实现资源的有计划开采，降低生产成本和能耗，充分发挥生产设备的效能，提高开发的社会经济效益。

5 结论

三维可视化作为数字化矿山的一个高端领域，目前国内推广的速度正在加快，在未来的几年里这应该不是一个陌生的名词，我公司应该更新观念紧跟科技进步的脚步，将其首先应用于木里的露天开采工程验证其实用性，进而推广到公司的其他领域，实现义海公司的高产高效，达到最小的投入创造最大的经济效益和社会效益的目的，为集团公司的又好又快发展做出楷模。

参考文献：

[1]胡鹏等，地理信息系统原理[M].武漢大学出版社，2002

[2]何宗宜，地图数据处理模型原理与方法[M].武汉大学出版社.2004

子宫旁组织的三维可视化研究 篇7

关键词：中国数字化可视人体,广泛子宫切除术,子宫旁组织,三维重建

宫颈癌的发病率居妇科恶性肿瘤之首,尤其是发展中国家,发病率逐年攀升。宫颈癌的治疗手段目前已趋于综合化,广泛子宫切除术( radical hysterectomy, RH) 是治疗早期宫颈癌的主要方法,近年来手术途径及技巧虽不断改善[1],然而术中及术后并发症如出血,膀胱、直肠、输尿管损伤以及排便、排尿功能障碍不能完全避免,原因在于盆底解剖位置深在,结构毗邻复杂,尤其是子宫旁组织,包括膀胱宫颈韧带( vesico-cervical ligament,VCL) 、子宫主韧带( cardinal ligament,CL) 、宫骶韧带( uterosacral ligament,USL) 的三维结构及其毗邻关系未能完全了解,且有关这一部分的研究仍然有很大争议[2]。数字化可视人体数据集图像为真彩色,分辨率高,图像形变小,厚度薄,图像相互之间配准度高。 Zhang等[3,4]已经完成了中国数字化可视人体( chinese visible human,CVH) 的数据采集。子宫旁组织复杂,前期的研究有限,目前尚无文献报道子宫旁组织精细三维结构。本研究拟利用CVH对子宫旁组织进行分割,建立精细三维可视化模型并进行形态学研究。

1材料与方法

1.1数据采集应用3例中国年轻女性数字化可视人体盆腔段薄层高清数据集[5]( CVH-5、CVH-4、CVH2) ,选取从髂嵴上缘到会阴下2. 0 cm的连续断面图像,图像层厚最薄达0. 2 mm,分辨率达4064 × 2704, 铣切标本的基本资料、铣切详细参数见表1。数据采集前经CT、MRI扫描未发现盆腔器官器质性病变。

1. 2三维数字化建模将CVH图像数据导入Amira 5. 2. 2商业软件中,在连续横断面图像上对女性骨盆、 盆腔器官、VCL、USL、CL、盆腔血管等进行分割,提取各个结构的轮廓线,并进行三维重建。分割标准以盆腔结构的自然色彩和结构间结缔组织间隔为主,根据各器官周围、器官之间筋膜的走向,纤维结缔组织分布的疏密程度以及有无脂肪组织填充,分别界定出VCL、USL、CL的位置,以及各韧带在宫颈或阴道上的插入点和到盆腔或其他结构上的附着点。

1. 3三维结构的测量利用Amira 5. 2. 2商业软件中3D测量工具对VCL、USL、CL的长度、宽度、厚度进行测量。

2结果

3例数字化可视人体盆部数据各个断面图像清晰,色彩逼真,肌肉、骨骼、纤维结缔组织、血管、脂肪之间形成明显的对比。对盆腔器官、骨盆、VCL、USL、 CL进行了三维重建; 并对VCL、USL、CL进行测量,各自的测量参数见表2。

2. 1 VCL位于膀胱后壁、宫颈和阴道壁上段之间,是膀胱底部筋膜鞘同阴道、子宫前壁的筋膜反折处两侧的结缔组织增厚,形成了左右成对的结缔组织束。 CVH上观察是一对致密结缔组织束,左右各一,由内下斜行至外上,包绕输尿管入膀胱段,以输尿管为中心,分为前叶及后叶。前叶与膀胱后壁相连,后叶紧贴阴道壁,前后叶中均可见血管丛,其下方与膀胱阴道间隙的筋膜相延续。外侧有薄层的纤维隔将CL与之分开,有脂肪组织填充。近阴道及宫颈处含较丰富的血管丛( 见图1A、图1B) 。可视化模型上观察VCL呈梭形,中间宽大,两侧狭窄,上界为膀胱后壁,下界为膀胱阴道间隙的上部,外侧为宫颈前外侧部,内侧为输尿管的内侧缘,分为前叶和后叶( 见图1 C、图1 D) 。

图1A、1B 为 CVH 横断面图像( 宫颈内口水平) ,VCL 位于膀胱、宫、阴道之间,图1B 为图1A 中黑色方框所示位置,可显示其与输尿管,VCL 分为前叶和后叶,输尿管包绕于其中; 图1C、1D 为 VCL 三: 图1C 前面观,图1D 右侧面观 U: 子宫; B: 膀胱; Ur: 输尿管; R: 直肠; C: 宫颈; Va: 阴道; VCL: 膀胱; VCL-AF: 膀胱宫颈韧带前叶; VCL-PF: 膀胱宫颈韧带后叶

2. 2 CL位于宫颈以及阴道上部两侧。CVH上观察, 沿着髂内动脉由内向外上斜行,韧带内含大量的静脉丛、纤维结缔及脂肪组织,内侧与宫颈侧方相连,外侧止于髂内血管的起始部筋膜,前方为闭锁的脐动脉,与耻骨膀胱韧带外侧部毗邻,后方与USL毗邻。从头尾方向上观察以子宫动脉主干为界,可分为上下两部。该韧带起于髂内动脉分叉处,主要由血管及疏松结缔组织构成,延续到尾侧血管成分减少,结缔组织增多,质地较上部致密( 见图2A、图2B) 。利用软件将横断位图像重组为冠状位图像,观察到该韧带中部较宽大,两侧较细小,在盆底于阴道外膜、肛提肌连接处消失,与肛提肌筋膜、骶棘韧带相延续( 见图2C) 。

可视化模型上见该韧带位于宫颈及阴道壁两侧, 骶韧带的前外侧,向上、向外往盆壁方向延伸,包绕髂内血管,以髂内血管鞘为中心,附着于盆壁筋膜组织上,左右对称。上界是髂内动脉起始部,向下延续至盆底,在阴道外膜与肛提肌连接处消失,附着于阴道上段,与位于阴道壁和直肠壁间两侧的筋膜相连,向上固定阴道顶端,可见子宫动脉主干、输尿管从其中部穿过。从腹背方向根据输尿管与它的关系可分为3部分: 从髂内动脉起始部到输尿管进入主韧带处之间为盆部,从输尿管穿出点到阴道壁上段之间为宫颈部,输尿管完全潜行段为中间部( 见图2D、图2E、图2F) 。

图2A、2B 为 CVH 横断面图像( 宫颈水平) ,显示 CL 位于宫颈侧方,紧贴膀胱,图2B 为图2A 中黑色方框所示位置,输尿管穿过其中; 图2C 为冠,显示 CL 起自髂内血管鞘,与肛提肌筋膜相延续,止于阴道外膜处; 图2D、2E、2F 为 CL 三维重建图: 图2D 前面观,显示 CL 与髂内动脉的,图2E 左侧面观,显示 CL 起自髂内动脉第一个分支处,止于阴道上段,图2F 根据 CL 与输尿管的关系可分为盆腔部、中部、宫颈部,输尿管穿过 CL 的中部 U: 子宫; B: 膀胱; Ur: 输尿管; R: 直肠; C: 宫颈; Va: 阴道; CL: 主韧带; ⅡA: 髂内动脉; EIA: 髂外动脉; CL-P: 主韧带盆腔部; CL-M: 主韧带中部; CLC: 主韧带宫颈部

2.3USL起源于宫颈后外侧部,左右各一,CVH上观察其与周围组织界限清晰(见图3A、图3B)。根据USL与盆腔器官的关系,从腹侧到背侧方向上可将USL分为宫颈部、中部、骶骨部,在宫颈内口平面处主要由致密纤维结缔组织及平滑肌构成,中部含有少许血管、神经及平滑肌组织,与周围组织界限清楚,可充分游离。骶骨部由纤维结缔组织构成,向骶骨方向逐渐薄弱,从头侧到尾侧分别与梨状肌筋膜、尾骨肌筋膜、骶棘韧带、肛提肌筋膜相延续,终止于肛提肌与阴道外膜融合处。可视化模型观察USL从宫颈后外侧向两侧盆壁外上方延续,可附着于闭孔内肌筋膜、骶棘韧带、梨状肌筋膜表面,尾骨肌筋膜与USL延续,向后包绕直肠,与骶前筋膜相延续。其内侧毗邻直肠,位于直肠系膜外侧,USL前部与CL部分融合,向外逐渐与之分离,同样可将USL分为宫颈部、中部、骶骨部( 见图3C、图3D) ,输尿管走形于USL中部,从其前方跨过。

图3A、3B 为 CVH 横断面图像( 宫颈水平) ,显示 USL 位于宫颈后方,与骶前筋膜相延续,图3B 为图3A 中黑色方框所示位置; 图3C、3D 为 USL 的三维重建图: 图3C 后面观,USL 连接子宫下段及阴道上段背面,图3D 前面观,USL 分为宫颈部、中部、骶骨部,宫颈部与子宫下段相连,中部游离, 骶骨部与骶前筋膜相连 U: 子宫; Ur: 输尿管; R: 直肠; U-L: 子宫下段; C: 宫颈; Va: 阴道; USL: 骶韧带; Coc: 尾骨肌; S: 骶骨; USL-S: 骶韧带骶骨部; USL-M: 骶韧带中部; USL-C: 骶韧带宫颈部

3讨论

3. 1 VCL三维重建的意义VCL是连接阴道前壁、 宫颈前外侧壁和输尿管后壁、膀胱底之间的结缔组织束[2],对该韧带的研究一般限于尸体解剖或者手术解剖。我们在数字化可视模型上观察到输尿管从其中穿过,可分为前 叶和后叶,与文献报 道一致[6]。 Wang[7]曾在8例防腐处理的尸体上分离了VCL,报道其长度为41. 2 ± 10. 2 mm; 而我们的研究对象是尸体断面图像,韧带处于静止松弛状态,无人为拉伸,因而测量结果短于他们的报道。VCL在RH中有重要的解剖学意义[6],其前叶有膀胱浅静脉通过,后叶包含自主神经纤维和膀胱上、中、下静脉。分离、切断VCL是手术中最易出血和损伤输尿管的环节,正确识别和分离VCL前后叶可减少出血,避免损伤输尿管入膀胱段[8]。因此,辨认、分离VCL是RH中减少出血及降低术后并发症的关键。我们重建了VCL的三维数字化可视模型,将其细化为前后叶,全方位多角度显示其与宫颈、阴道、膀胱、血管神经之间的关系,为手术模拟提供了三维模型。

3. 2CL三维重建的意义关于CL的名称多种多样,如子宫主韧带、颈横韧带、子宫支持韧带等,有关该韧带是否存在,它的作用、结构、组成、起止点等问题均存在争议[9]。我们从CVH及数字化可视模型上观察与Samaan等[10]的发现一致,他们研究了28具甲醛固定的尸体和10具新鲜尸体后认为CL起源于宫颈两侧,位于骶韧带的前外侧,向上、向外包绕髂内血管,以髂内血管鞘为中心,附着于闭孔内肌筋膜上,左右对称,一直延续至盆底,与肛提肌筋膜融合,在宫颈两侧与骶韧带融合,在近坐骨棘处与尾骨肌筋膜、骶棘韧带融合成一体,向上固定阴道顶端及宫颈,可见髂内动脉的分支和静脉丛穿过其中,输尿管从其中部潜行。关于CL的组成,Range等[11]发现,CL由网状结缔组织包绕血管、神经而成,并非胶原组织; CVH上可见CL包含大量的血管、脂肪和结缔组织,通过纤维隔膜与周围结构分开。有研究发现[12],CL中部含有交感和副交感神经,因此CL中部是保留膀胱自主神经RH的关键部位,宫颈部的致密结缔组织和盆内筋膜融合起到支持阴道顶端和盆底的作用。根据Samaan的理论,我们利用CL与输尿管的关系将其分为3部分: 宫颈部、中部,盆侧部,并建立可视化模型,该模型可指导RH模拟,分离CL中部是关键。

3. 3USL三维重建的意义传统解剖学观点认为, USL起自宫颈及阴道上段侧面,向后绕过直肠两侧, 止于骶骨前面,表面盖以腹膜,形成弧形皱襞,向上牵引宫颈。有研究发现,USL并未和骶骨连接,呈扇形起于第2 ~ 4骶骨,到宫颈处变狭窄,附着于骶棘韧带和坐骨棘上[13]。CVH研究证实了后者,且数字化可视模型上观察USL来源于宫颈及阴道上段,向后包绕直肠形成环状结构,未与骶骨相连。Vu等[14]在尸体上测得USL长12 ~ 14 cm,厚5 ~ 20 mm,在宫颈和阴道壁侧面与主韧带汇合,与我们的研究相近。

数字化可视模型来源于CVH,组织未经过拉伸变形,最接近实物,准确性高。我们将USL从腹侧到背侧方向上分为宫颈部、中部、骶骨部,中部有输尿管及腹下神经穿过,是RH中容易损伤盆腔自主神经和输尿管的位置[15]。有学者[16]做过力学研究,在USL宫颈处可承重17 kg,因此USL中部及宫颈部是骶韧带悬吊术理想的缝合部位。该模型可精确模拟手术缝合点,提高手术的成功率和安全性。

植物的三维可视化研究 篇8

关键词：真三维,地籍,产权

1 地籍管理现状

目前我国城镇地籍管理是以宗地为基础的二维平面地籍管理方式, 主要记载国土资源在二维平面空间的信息。二维基础数据已覆盖了全国大部分省市, 而且在应用上形成了较完善的体系。以地表权利为核心的地籍, 其理论基础是同一宗地在垂直方向上的权籍一致性。在二维平面空间, 通常采用投影方式或根据建筑面积分摊方式, 将三维权利实体投影到二维平面上, 以投影或分摊的方式来代表其权益范围进行登记。

2 存在的问题

随着城市和人口的不断集聚, 城镇人地矛盾日趋紧张, 为集约用地, 土地利用的立体化趋势越来越明显。以地表为核心的国土权利法规和地籍管理方式, 已经不能满足人们对三维空间的占用与使用, 特别是当与同一土地表面、地下相关的空间归属权不同时, 基于二维地表的传统土地登记和地籍系统将无法清晰的界定土地的权利空间。几个使用者共同使用一块地并且相互之间界线难以划清的情况定为一宗地, 称为共用宗地。大多数的共用宗地只是在水平面上无法划清界线 (如地下管线、高层建筑) , 比如在对城市中林立的高层建筑进行内部权利划分和管理时, 利用二维空间数据难以满足应用需求。一方面国土主管部门无法对其权属进行清晰管理, 另一方面权属界定由于没有明确的保障, 引发了很多权属争议事件。

3 地籍管理新要求

国土资源是一个多维度、多空间的概念, 包括了土地、矿产、地质风貌及其所承载的基础设施和生产生活环境。还有其他很多领域, 涉及到地表、地上及地下, 如城市土地立体利用、立体地价评估、空间权、地下空间权的使用等, 都必然会涉及到土地的三维特性, 也有必要在国土资源管理中得到反映。从税收地籍、产权地籍和多用途现代地籍的演变过程可以看到国土资源利用模式变迁的轨迹, 但这个变迁过程仅停留在国土资源平面利用的范畴。从资源利用效率来看, 国土资源利用由粗放型逐渐向集约型转变, 这个变化也必然要在国土资源管理中得到体现, 而直接体现这一变化的方式就是建立三维国土资源模型。

4 三维技术

目前三维市场主要有3种主流三维构建模式:传统建模、三维实景 (街景) 、全景真三维建模。

人工建模通过单个建模再场景整合, 经过多年发展技术成熟, 主要表现在三维场景的美观上。但技术路线决定了数据先天的缺点。 (1) 由于虚拟建模, 造成了大量城市信息缺失, 即使精细建模也只是对重要建筑、重要区域进行精细表达, 无法做到城市完整信息的真实还原。 (2) 精细建模的模型可以用Lidar来保证, 但其纹理多通过人工拍照获取, 对于高层建筑纹理基于通过复制形式贴上去、这就决定了三维模型上每个点的精度无法保障。

三维实景即为街景, 2007年goolge为解决虚拟三维建模向真实的三维影像过渡, 而提出一项技术。街景是一种通过街景车拍摄街道两旁360°的照片, 然后将这些照片经过处理上传至网站, 供访问者浏览。这与2D平面地图形成了强烈的对比, 使原本无聊的地图更加生动, 更有阅读性和娱乐性。但街景作为过渡性技术, 其他技术特点也局限了其应用的范围。 (1) 街景只是沿街的信息, 无法对整个城市空间进行完整的体现, 如非沿街区域、小区内、院内, 即使沿街区域, 由于中国城市沿街植被较多的特点, 也无法对沿街的信息进行完整的采集。 (2) 街景做为360°拼接的照片, 无法对空间体进行三维旋转浏览、三维空间分析, 也决定了其应该范围只能局限在互联网 (公众浏览) 、城管 (沿街部件管理) , 无法在GIS行业进行深入应用。

全景真三建模通过航空摄影的方式获取多角度倾斜影像和激光点云数据, 快速自动化的建立地面三维模型, 真实反映城市三维影像, 作为近几年快速成熟的新技术, 其真实、完整、高精度三维数据受到越来越多地理空间信息应用单位的追捧。

在全景真三维影像建模生产工艺中, 机载激光雷达技术 (Lidar) 是保证数据精度的关键。机载激光雷达技术是集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元 (IMU) /DGPS差分定位技术于一体, 该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破, 素有“精度之王”的美誉, 作为近几年在测绘领域快速获取空间数据的新型技术, 成为三维城市建设的一把利器。激光扫描对天气情况要求低, 雾霾天也可以进行作业, 这在国内当前天气环境下无疑是最好的选择, 其高精度的特点也保证了三维数据精度的可靠性, 长久以来三维建设因为没有测绘精度保证, 三维应用都停留在展览、显示等层面, 没有深度的行业应用。全景真三维技术也真正解决了长久以来三维数字城市建设“中看不中用”的尴尬局面。

基于3种主流的三维技术本身特点, 针对大量国土资源土地登记、征收、出让、开发等管理要求, 全景真三维建模无论在是数据的精度上保障地籍权属清晰界定、土地登记管理, 还是在为其它各部门数据共享、构建国土管理”一张图”, 都有先天的技术优势。

5 真三维国土资源管理

5.1 二三维地籍管理

随着城市聚集效应加强, 土地利用强度越来越大, 城市空间向立体化利用延伸, 各综合性大楼、建筑综合体、地下停车场、地下商场、通信设施等遍布地上、地表、地下空间, 由于分层开发利用, 造成分层属性不同的权利人, 给当前基于二维宗地的地籍管理制度提出了挑战。

采用二维地籍与三维地籍的混合管理模式, 二维地籍登记中不能解决的复杂权属情况则能够通过三维系统进行登记, 形成二维宗地平面与三维体宗地的混合管理方案。

5.2 不动产登记

我国的不动产登记是由土地、房屋、水利、海域、林业及农村承包土地组成的。目前土地登记制度中存在着大量的土地利用登记缺失状况。诸如商业高层建筑内部权属信息复杂、建筑顶部建造的通信设备、日益增多的电缆设施等。

建立基于倾斜影像和Lidar的真三维模型, Lidar直接获取模型三维坐标, 三维登记地籍图通过界址点、界址线、界址面描述宗地的立体几何特征, 并具有明确的方向性, 三维宗地以体宗地为基本单元, 用体积度量, 精确描述立体空间中的三维产权体。按照不同楼层的实际情况进行地籍登记。通过这种方式将建立三维地籍库, 反映三维产权体的基本情况, 相比传统二维地籍库的信息要丰富许多, 能够清晰的界定地表、地面、地下立体空间的权利, 如图1所示。

5.3 三维地籍综合管理

利用三维地籍库, 系统能够进行综合查询, 实时准确的掌握任意体宗地的平面和空间土地登记情况, 当输入土地使用者名称时, 系统会自动切换到需要查询的宗地, 用三维立体图像展现积宗地土地利用情况, 并采用列表方式显示土地使用者名称、土地坐落、宗地面、土地证号等信息。同时, 该功能还能显示共用宗地中土地使用者的基本用地信息, 如宗地分割登记情况, 当鼠标指向小区内某栋建筑物的任意区域时, 系统就会自动告知该土地使用者的名称、分摊土地面积、土地用途、土地使用期限等主要信息。该功能将实现空间产权的清晰化管理, 能够真实反映土地利用的空间分布情况。

5.4 地籍动态监管

通过实时动态监控系统, 能够自动跟踪和监控新增建设用地审批项目, 审批地块颜色会随着项目的进展而变化, 清晰地显示建设项目获批后, 宗地空间内部建筑物及权籍信息的变更过程, 在建设方案的建筑高度、容积率等指标与登记信息发生出入后, 系统将自动报警, 真正有效地实现了对土地利用审批项目的全周期、立体化监管。

6 结语

全景真三维地籍管理作为国土行业最新的信息化手段, 按照地理三维坐标组织管理空间信息, 将地下、地表、地上等要素的空间信息和属性信息进行准确划分界定, 生成真实的三维场景, 为建立城市空间信息与国土资源管理登记提供了高效的三维模拟平台。基于三维可视化环境的土籍登记、信息查询统计分析, 为业务部门和各级领导提供精细化的工作平台和科学的决策支持, 极大提高了国土部门管理水平和工作效率, 为城市经济发展和建设发挥着巨大的经济效益。

参考文献

[1]艾东, 朱彤.土地立体利用与三维地籍[J].国土资源科技管理, 2007, 24 (5) :126-131.

[2]胡珏.面向我国城镇地籍管理新需求的地籍空间对象模型研究[D].杭州:浙江大学, 2008.

三维地形可视化研究 篇9

地形数据是“数字地球”的最基础的数据,故地形的三维可视化表达模型和可视化研究是“数字地球”最核心和最关键的技术之一。随着现在的卫星手段和各种测绘技术的高度发展,获取高精度的数字高程数据已成为可能,并且数据量呈指数级增长,针对海量的空间数据进行分析和决策的需求越来越高,DEM数据因其数据结构简单,便于存储管理等优越性成为地形可视为表达的最理想数据源。针对大区域地形的海量DEM数据,要实现三维地形可视化,从计算机运算能力来看,一次性载入所有DEM数据是不太现实的,而且也不可能在一个小小的屏幕上显示整个大区域的三维场景且保证其细节显示不会失真。对于任何的三维显示系统,其表现流畅与否直接会影响到系统的成败。基于这样的考虑,需要在实现地形三维可视化时根据视景体方位和大小动态的装载局部DEM数据,以便于有效地减少对系统资源的依赖,提高程序的运行效率,真正做到流畅地实时漫游的动态三维效果。

在大规模地形场景可视化和地形LOD模型问题上,过去已经有不少的工作。从网格特征考虑可分为基于非规则三角网格(Tin)和基于均匀网格(Grid)两种生成方法。从地形分层细分上考虑可以分为二叉树,四叉树,八叉树等。

2 三维地形数据预处理

DEM地形数据的切割预处理一直是海量数据切割的重点。它要求既能保证效率连续性的同时兼顾视野跨度和目标颗粒度的科学性和真实性。为了获取在不同高度能产生真实的渐进的虚拟视觉感受,在地形表达上通常都是通过不同的分辨率数据源来模拟。人们通常使用金字塔模型来解决此类问题。

金字塔模型是一种多分辨率层次模型。在地形场景绘制时,在保证显示精度的前提下为提高显示速度,不同区域通常需要不同分辨率的数字高程模型数据和纹理影像数据。数字高程模型金字塔和影像金字塔则可以直接提供这些数据而无需进行实时重采样。尽管金字塔模型增加了数据的存储空间,但能够减少完成地形绘制所需的总时间。分块的金字塔模型还能够进一步减少数据访问量,提高系统的输入输出执行效率,从而提升系统的整体性能。当地形显示窗口大小固定时,采用分块金字塔模型可以使数据访问量基本保持不变。分块金字塔模型的这一特性对海量地形实时可视化是非常重要的。

在构建地形金字塔时,首先把原始地形数据作为金字塔的底层,即第0层,并对其进行分块,形成第0层块矩阵。在第0层的基础上,按每2*2个像素合成为一个像素的方法生成第1层,并对其进行分块,形成第1层块矩阵。如此下去,构成整个金字塔结构。

为了便于标识的方便,我们预定的第0级的块大小能被180度整除,基数增加一次,块的大小一分为四,可以根据公式第N级的块大小=第0级块大小/2的N次方来获取。

数据预切割完毕后,每一个DEM数据文件均表示某个方位的一块地面高程数据,利用这种动态载入的方式来进行地形构造。当系统中观察者的视锥体停留在某个区域时,程序会自动地计算可视区域内可显示数据自动选择其级数,调入该方位所对应的DEM块文件,离开视点越远,数据精度就越低。而当某块可视场景离开截头体视域外,程序则及时卸载该DEM数据块,从而保证有效的、充足的系统资源供程序使用。当数据块离视点较远时,整个数据块可以用最粗略的层次,即用四叉树的根节点来显示,当视点逐渐靠近时,数据块的误差超过了指定的误差阈值,则将根节点分割为4个子节点来显示,即调入4个子节点的数据,同时从内存中清除父节点的数据。对各子节点递归调用此过程,直至所有节点的误差在限定的误差范围内。视点远离数据块的过程与此相反,当子节点的误差小于指定的误差阈值时,4个子节点合并为上一级父节点,即调入父子节点的数据同时从内存中清除4个节点的数据。考虑到地形的连续性,如果节点内的一个边顶点被简化,则相邻节点的对应点也应被简化。

3 基于单块地形的显示方法

对于单块地形的显示,其基本步骤如下:

读取并解译二进制的高程文件头文件信息,设置基本参数。通常的DEM数据文件的头文件中包含关于本文件的基本信息,如:左下角的起始点经纬度,阵列的行列数目,间距,最大高程和最小高程等。

根据当前点的行列号可以算出其对应点的经纬度坐标,循环计算每个高程点的世界坐标位置,存入顶点缓冲区中,并计算索引编号,纹理坐标,存入索引缓冲区,同时计算顶点法向量,用于处理光照的强弱效果。读取完毕,进行渲染。

4 自动剔除递归显示机制

实现地形可视化最主要的算法在于自动递归搜索机制上。在这一过程中算法要同时进行剔除和添加两个操作任务。剔除掉不在视野范围内的数据块,按照当前视觉的焦点提取当前高度上最高精度的数据块并添加到哈希表中进行处理。

根据人类的视觉原理,按照物体的远近自动的调节眼球焦点,产生最佳的视觉效果。与视点距离越近清晰度也就越高,对于金字塔模型的数据,需要采用不同的区域对应不同级别的地形搜索,因此在区域搜索过程中需要进行级度测试。如下左图所示,假设E为视点位置,白色矩形表示与视锥体相交而且需要参与地形绘制的数据。矩形越小表示数据级别也越高。

以每块的中心点为特征点以递归的方法进行判别,算法如下:

第一步:通过屏幕中心点,分别得到第0级NE,SW,NW,SE四个子块的Tile,因为其都有一个点在视域中间,按照其ID索引存入哈希表中,如果哈希表中存在同样的ID,跳过不再存入。

第二步:分别以上一步生成的四块区域进行判断,如果完全包含在视域中,计算当前的可视点所在级别,如果比当前级别更高,则继续分裂重复第二步,如果不是,则存入哈希表,如果已经存在,跳过不再存入。跳出。如果与视锥体相交,继续分裂,重复第二步;

5 三维场景渲染效果

本递归算法在进行LOD数据查询时较为便利,通过计算和判断可以将当前视域中所有的数据块查找出来并存储在哈希表中,并予以显示标记,如果未被标记,当哈希表中存储的对象数目达到一定数量的时候将剔除掉,其运行效果如下:

摘要：数字地球是近年来国内外的研究热点,其中地形的三位可视化研究是最关键的技术之一,该文通过研究DEM地形数据的预处理方法-影像金字塔模型、单块地形的显示方法、自动剔除递归显示机制以及三位场景渲染等技术较好的解决了三位地形可视化的问题。

关键词：DEM,LOD,可视化,金字塔模型

参考文献

[1]李德仁.数字地球与“3S”技术[J].中国测绘,2003(2):28-31.

[2]王永明.地形可视化[J].中国图象图形学报,2000,5(6):449-456.

[3]戴晨光,张永生,邓雪清.一种用于实时可视化的海量地形数据组织与管理方法[J].系统仿真学报,2005(2).

[4]许妙忠,李德仁.基于点删除的地形TIN连续LOD模型的建立和实时动态显示[J].武汉大学学报:信息科学版,2003(3).

植物的三维可视化研究 篇10

校园三维地理信息系统将GIS技术与传统的管理信息系统相结合, 采用三维成像﹑虚拟现实技术构建虚拟校园漫游系统, 将校园风光和电子地图有机结合起来表现校园的各种空间及属性要素[1-2]。本文首先使用MultigenCreator建立了三维校园数字模型, 然后分别使用ArcGISEngine的二次开发技术和Vega Prime完成对场景的驱动和漫游的实现。在ArcGIS Engine的开发中采用了C#语言进行开发, 使用Personal Database完成对数据的管理工作, OpenFlight格式与Multipatch格式之间的转换使用C#语言利用ArcGIS Engine的二次开发类库来完成。在Vega Prime中主要使用C语言和Lynx Prime2.0完成程序开发和对配置文件的配置工作。

1 软件开发平台

1.1 ArcGIS Engine简介

ArcGIS是美国ESRI (Environmental Systems Re-search Institute美国环境系统研究所公司) 推出的一款为不同需求层次的用户提供的全面、可伸缩的GIS产品解决方案。ArcGIS Engine是一套完备的嵌入式GIS组件库和工具库, 使用ArcGIS Engine开发的GIS应用程序可以脱离ArcGIS Desktop而运行。ArcGIS Engine面向的用户是GIS项目的程序开发员。对开发人员而言, ArcGIS Engine是一个用于开发新应用程序的二次开发功能组件包。

ArcGIS Engine组件库中的组件在逻辑上分为基本服务 (Base Services) 、数据存取 (Data Access) 、地图表达 (Map Presentation) 、开发组件 (Developer Components) 、扩展功能 (Extensions) 等5个主要部分[2-3]。

1.2 Vega Prime简介

VegaPrime基于VSG (Vega Scene Graph-MPI公司先进的跨平台场景图形API, 底层为OpenGL) , 同时包括Lynx Prime GUI (用户图形界面) 工具, 让用户既可以用图形化的工具进行快速配置, 又可以用底层场景图形API进行特定应用功能的创建。它将先进的功能和良好的易用性结合在一起, 帮助用户快速、准确地开发实时三维应用, 加速成果的发布[4-5]。

针对用户的特定要求, VegaPrime还设计了多种功能增强模块, 和VegaPrime结合在一起, 进一步提升了应用开发的效率和适用性。

2 基于ArcGIS Engine的三维可视化与漫游

2.1 三维数据格式转换

由Multigen Creator建模软件建立起来的模型以OpenFlight数据格式保存, 而ArcGis中的三维数据主要以Multipatch数据格式保存, 为了能够在ArcGIS Engine的平台下进行二次开发, 并以Creator的数据为基础建立起三维GIS系统, 必须实现两者数据间的转换。

在ArcObjects中对于 (*.3ds, *.flt, *.wrl) 这三种数据结构是直接支持的, 通过IImport3DFile这个接口可以完成将这三种数据转换为Multipatch数据格式, Multi-patch要素类通过ArcCatalog建立数据库。

在IImport3DFile这个接口中, 完成数据转换的方法为CreateFromFile函数, 该函数带有指向文件地址的参数, 本文通过OpenFileDialog来获得这个参数。具体代码如下:

2.2 数据装载和显示

上文中完成的数据保存在Personal GeoDatabase中, 可以通过程序使用工作空间的方法打开。Personal Geo-Database基于Microsoft Access一体化存储空间数据和属性数据。地理数据库模型的Workspace (工作空间) 对象代表了一个地理数据库。

Workspace (工作空间) 是一个类 (Class) , 这意味着用户为了获得一个工作空间, 需要使用WorkspaceFactory (工作空间工厂) 对象来创建一个Workspace。 Work-spaceFactory是GeoDatabase的入口。它是一个抽象类, 派生于很多的子类, 不同类型的文件不需要不同的工作空间工厂对象来打开一个工作空间, 在这里我们使用的是AccessWorkspaceFactory。具体代码如下:

2.3 漫游控制

本文通过对键盘的控制完成场景漫游, 漫游控制主要通过ICamera这个接口来实现, 该接口位于Analyst3D程序集中, 在SceneControl中可以获得其实例, 进行对Sce-neControl的控制, 部分演示代码如下:

3 基于Vega Prime的三维可视化与漫游

应用配置文件 (ACF) 是Vega Prime的格式文件, 它包含了VP应用在初始化和运行时所需的一切信息。通过编译不同的ACF文件生成不同种类的应用。ACF文件为扩展Mark-up语言 (XML) 格式。 可以使用VegaPrime的编辑器Lynx Prime来开发一个ACF, 然后使用VP API动态地改变应用中的模型运动[6]。

LynX Prime用户界面包括四个部分:实例树形显示区 (Instance Tree View) 、用户操作区 (GUI View) , 应用程序区 (API View) 、工具条 (Toolbar) 和目录区 (Menus) 。所有这些区域将显示同一选定的对象信息, 但是这些信息是以不同格式进行安排的。

当LynX Prime中的参数发生变化时, 显示运行一个基本Vega Prime应用, 这个应用接收LynX Prime发送的参数, 可以通过这个应用观察所设置的程序参数。

本文中所使用的数据为flt格式, 在设置模型的路径参数时, 尽量避免使用中文, 因为在LynX Prime中无法识别中文, 其次在设置文件路径时需要加上纹理的路径, 否则整个模型将没有纹理, LynX Prime路径参数设置如图1所示。

模型的添加则采用在myScene中新建Insatanse的方式, 类型选择为Object, 设置Object的父节点为MyScene, 路径为Flt文件所在的位置。 加入这个文件时LynXPrime会将文件目录加入到SearchPath中, 如果纹理文件和模型文件在同一个文件夹下, 那么纹理文件会被加入, 否则需要在SearchPath中加入纹理文件的地址, LynXPrime实体设置如图2所示。

Vega Prime中对于漫游的实现是通过添加一个实体后将视角定位在实体后面, 采用让实体移动的方式来完成。

具体方法为先将需要作为观察点的实体载入, 之后新建一个Transform, 再将Transform的父节点设置为刚才的实体, 同时设置离实体的位置, Transform的Positon参数设置如图3所示。

设置myObserver中的LookFromTarget为刚才新建的Transform, Transform的Obsrver参数设置, 如图4所示。

将实体运动模式设置为MotionUFO (无重力模式) , 系统会增加一个MyMotion, 同时, 可以在这里设置物体的移动速度等。

4 结语

通过对ArcGIS Engine和Vega Prime技术在三维可视化应用中的研究, 将两者进行对比分析如下:

(1) 开发性能方面。利用两者进行三维校园模型显示和漫游二次开发均十分方便。ArcGIS Engine组件式的开发易于搭建程序框架, 很多复杂的GIS功能只需要少量的代码即可实现。而Vega Prime带有图形开发界面, 大量程序参数通过配置文件来完成, 节约了开发时间, 同时也提供了一系列的C++类库用于搭建程序和实现一些较为复杂的功能。

(2) 渲染效果方面。Vega Prime在渲染效果上比ArcGIS Engine更好, 场景更加的逼真, 整个系统的动态性更强, 实时仿真有较大优势, 同时对交互式的操作十分的重视, 能给人带来沉浸式的体验。而ArcGIS Engine相比Vega Prime而言显得静态, 并且没有LOD节点等很多用于实时仿真的结构, 使得实现一些较为复杂的功能显得有些困难。

(3) GIS功能方面。ArcGIS Engine中, 空间数据库和属性数据库的结合使得更容易开发出功能完备的系统, 其GIS功能组件式开发技术使得开发十分高效, 渲染非常快速, 同时又能和传统的二维GIS系统相结合, 能够兼容传统的GIS功能, 这些优势都是Vega Prime所没有的。

因此, 在笔者看来Vega Prime更侧重于实时仿真系统的构建, 类似于游戏的开发, 而ArcGIS Engine则侧重于对模型的显示以帮助用户对事物进行全方位多角度的理解。

参考文献

[1]王平.校园三维GIS的模型构建与可视化研究[D].西安:西安理工大学, 2007.

[2]穆扬, 柳锦宝, 张永福.基于ArcGIS Engine的三维校园系统的设计与实现[J].航空计算技术, 2009 (6) .

[3]吴玮, 李小帅, 张斌.基于ArcGIS Engine的GIS开发技术探讨[J].科学技术与工程, 2006 (6) .

[4]方琦峰, 康凤举, 张楚鑫, 等.OpenGL在Vega Prime开发环境中的应用研究[J].计算机仿真, 2008 (6) .

[5]张鹏林, 胡文敏.基于Vega的三维GIS开发技术研究[J].测绘信息与工程, 2006 (4) .

植物的三维可视化研究 篇11

新疆油田作为中国西部第一个千万吨级大油田, 经历了50多年的勘探开发, 地表地理环境和地下地质条件越来越复杂, 勘探开发的难度越来越大, 因此必须大力推进信息技术的应用, 以信息化、智能化来提升油气勘探开发的水平和效益。

在此形势下, 新疆油田公司勘探开发研究院于2005年建成了勘探协同环境, 利用“网络存储+服务器+胖客户端”的解释软件运行模式, 实现了多学科、多专业的协同工作, 极大地提高了勘探科研人员的工作效率。然而随着技术的进步和勘探研究大协同需求的出现, 利用云计算技术对原有协同环境进行升级已经迫在眉睫。其中, 石油勘探研究中所使用的主流专业软件 (如Open Works、Geoeast等) , 都在向着体解释的方向发展, 三维显示处于越来越重要的位置, 如何实现远程三维可视化, 将是协同环境升级为云计算平台至关重要的一步。

2 技术要求

在云计算平台的建设规划中, 为了满足大协同的需求, 将所有计算、存储和网络资源统一整合到数据中心, 利用数据中心的资源开展勘探研究工作, 通过网络把结果传输到客户端, 科研人员直接面对的客户端将不再承担计算任务。而将后端的硬件资源与前端的客户端有效连接起来的正是云计算平台。云计算平台在整个系统中所处的位置如图1所示。

而在云计算平台的众多功能中, 远程图形可视化是硬件设备与用户沟通的桥梁, 是与用户体验直接相关的部分, 其功能的完善与否将直接影响科研人员对云计算平台的评价, 是极其重要的部分。其中二维图形的远程可视化技术已经非常成熟, 诸如Xmanager之类的远程桌面软件已经得到了广泛应用。而三维图形的远程可视化技术也在近年来取得突破。远程三维可视化技术可以将应用软件服务器渲染好的图像 (包括二维和三维) 经过压缩后, 通过网络发送给客户端, 客户端只需将图像解压后显示。但是要将远程三维可视化技术应用到勘探云计算平台中, 就必须满足油田勘探研究的需求:

首先, 科研人员在使用油田勘探研究专业软件时, 对显示的色彩和形状的准确度和清晰度要求非常高, 这就要求远程三维可视化技术需要能够提供无失真的高清晰度画面。

其次, 由于客户端通常位于科研人员的办公室, 甚至有可能位于公网上, 在图像传输时不能占用太大的网络带宽, 因此要求远程三维可视化技术在保证图形不失真的前提下有优秀的图形压缩率, 保证科研人员在低带宽网络中也能流畅使用。

再次, 由于油田勘探研究专业软件种类较多, 而且横跨Windows平台和Linux平台, 需要远程三维可视化技术有足够出色的兼容性, 保证勘探研究中所使用的专业软件都能通过其发布。

最后, 原有协同环境已经实现了科研数据的共享, 在此基础上, 为了进一步加强不同地区科研人员之间的交流和协作, 需要实现远程协同工作, 即多名用户能同时登录到同一画面, 其中任何一名用户的操作对其他用户均可见。

3 远程三维可视化技术在油田勘探研究中应用的实践

3.1 实践准备

目前主流的远程三维可视化技术有Citrix公司的Xen App, NICE公司的DCV, Halliburton公司的v Site-3D, HP公司的RGS和Schlumberger公司的Live Quest。只有对这些技术进行充分的研究和测试, 深入了解其功能和性能, 才能筛选出适合石油勘探研究的远程三维可视化技术。

经过长时间的研究和测试, 根据研究和测试的结果, 经过综合考虑, 勘探云计算平台决定使用Xen App来承担Windows平台软件的远程三维可视化工作, 而由DCV来承担Linux平台软件的远程三维可视化工作。两者能够实现的功能如表1所示。

可以看到, 在值得关心的技术指标上, 这两种技术都能满足要求:

(1) 能准确地显示三维图形的颜色和形状。

(2) 在带宽占用方面, 公司内部的千兆网都能较轻松地承担传输任务, 而在公网上, 可以通过调低画面质量来实现流畅运行 (两种技术均采用差分算法, 调低画面质量只对运动画面有影响, 静止画面质量不变) 。

(3) 在兼容性方面, Xen App不支持Linux平台软件, DCV虽然支持两种平台, 但Windows服务器必须架设在KVM虚拟机上, 不仅性能损失较大, 而且硬件资源部署的灵活度也较低。使用Xen App发布Windows平台软件, 使用DCV发布Linux平台软件可以发挥它们各自的优势, 同时互相弥补各自的不足。

(4) 在协作模式上, Xen App只支持管理员与客户端的协作模式, 不过Windows平台的远程协作方式很多, 可以一定程度地弥补这一不足。而DCV支持各种协作模式。

(5) 在定制研发方面, 两者都能提供定制研发服务。

(6) 显卡复用是指一块显卡能支持多用户同时使用需三维渲染的软件, 这项功能能够提高硬件资源的利用率和部署的灵活度。两者都支持此项功能。

(7) 在服务方式方面, Xen App提供的是Saa S服务, DCV提供的是Paa S服务。相比之下, Saa S服务在系统安全性、使用便利性和用户接受度上较Paa S服务更有优势。不过值得注意的是, 科研人员在使用Linux平台的专业软件时经常需要打开Terminal来组织数据, 此时Paa S服务反而具有一定的便利性。

3.2 实际部署

在实际部署中, 由于Xen App已经集成了一整套云计算系统, 能够实现云计算系统所需的全部功能, 而DCV则仅有远程三维可视化功能, 其他功能均需要自主研发组件来实现, 其中包括用户管理系统、性能监控系统、负载均衡系统和用户访问门户。在研发这些组件时, 考虑到研究人员使用的便利性, 将Xen App和DCV两者整合为一个整体, 这其中涉及跨平台的用户管理和同步、跨平台的软件授权管理、负载均衡算法的设计、软件单点登录的实现等一系列问题。在攻克了这些问题后, 勘探云平台得以成功发布, 其门户界面如图2所示。

可以看到Windows平台的Discovery、Geo Map与Linux平台的Open Works等软件在统一的门户向用户发布。用户点击软件图标后, 会根据其所属平台自动使用Xen App或DCV来向用户提供远程可视化服务, 为云计算平台的建设奠定了基础。目前该平台已经成功上线运行, 效果良好。用户通过远程三维可视化技术使用勘探研究专业软件如图3所示。

3.3 实践中的一些问题

在现阶段, 石油勘探研究用的专业软件并不是所有模块都需要三维显示, 这部分工作并不需要显卡参与。那么最经济的做法应该是将软件在无显卡的服务器群和有显卡的服务器群各安装一份, 并分别作为二维应用和三维应用发布, 用户根据自己当前工作的需求在其中进行选择。但在实际测试时, 用户无论其实际需求如何, 大部分情况下都倾向于选择三维应用, 造成三维应用服务器繁忙而二维应用服务器空闲的现象, 并不符合提高硬件资源利用率的初衷。另外给用户额外的选项也会增加用户的困扰, 使整个云计算平台的接受度降低。新疆油田勘探公司云计算平台为了提供更好的用户体验, 将应用全部部署于有显卡的服务器群, 但这就对负载均衡提出了更高的要求。

理想状况是, 能将CPU计算资源与显卡计算资源隔离开, 形成各自的资源池, 当软件仅使用二维显示时, 由CPU资源池独立完成用户请求;而当软件需要三维显示时, 会调用Open GL库, 此时将这部分请求转移到显卡资源池, 两个资源池合作为用户提供完整的图像。这与DCV的工作原理是相似的, 其工作原理如图4所示。

DCV就是将图形中的二维和三维部分分离, 分别交给CPU和显卡处理, 然后在客户端将两者融合显示, 而且DCV也提出了远程渲染服务器的概念, 图形中的三维部分将通过“网络”传输给远程渲染服务器处理, 可以说是云计算的理想架构。但是在实际的DCV产品中, 这里的“网络”只能是KVM虚拟机及其宿主机之间的虚拟网络, 不同的物理服务器之间是无法进行这样的协作的。而且目前显卡普遍使用的PCI-e 3.0接口的双向带宽高达32GB/s, 现有服务器支持的网络无法承载如此高速的数据传输, 这种架构必然将造成性能下降。

3.4 展望

随着技术的进步, 特别是网络技术的快速发展, 400G以太网技术的出现将使CPU资源池和显卡资源池的分离成为可能。当网络技术和远程三维可视化技术都支持这样的分离时, 勘探云计算平台的架构应尽可能地向这一方向转变。

同时服务器虚拟化技术也在不断发展, 逐渐有虚拟机软件支持显卡, 而底层硬件虚拟化的好处是显而易见的, 虽然现在勘探云计算平台底层硬件均未使用虚拟机, 但从维护工作量和故障转移等方面考虑, 当支持显卡的服务器虚拟化技术[1]成熟后, 应将其与远程三维可视化技术结合, 更好地为研究人员提供服务。而且Nvidia的VGX显卡虚拟化技术的出现也预示着显卡虚拟化时代的到来, 虽然石油勘探专业软件更期望多块显卡的整合而非目前的将一块显卡拆分, 但是显卡虚拟化技术也为远程三维可视化技术提供了新的可能。

4 结束语

随着信息技术的进步和勘探研究大协同需求的出现, 云计算技术已经成为油田信息化智能化进一步发展的不二之选, 而远程三维可视化技术在其中扮演着至关重要的角色。在建设勘探云计算平台的过程中, 以大量的研究和测试工作为基础, 在现有的主流远程三维可视化技术中选择了Xen App技术和DCV技术作为云计算平台的核心, 收到了良好的效果。但技术进步的脚步不会停歇, 远程三维可视化技术将与网络技术、虚拟化技术进一步结合[2], 使勘探云计算平台不断完善和发展。

摘要：云计算技术作为新兴的信息技术, 非常符合石油勘探研究大协同的需求, 而在面向石油勘探研究的云计算平台建设过程中, 远程三维可视化技术的应用至关重要。根据石油勘探研究的实际技术要求, 经过长期的研究和测试, 对比多款主流远程三维可视化技术, 最终选择以XenApp和DCV两种技术为核心构建勘探研究云计算平台, 为勘探研究提供专业软件的远程可视化服务, 建立了远程协同工作的新模式, 满足了在不同地点开展勘探研究的需求, 提高了工作效率和成果质量。

关键词：石油勘探,协同,云计算,平台,远程,三维,可视化

参考文献

[1][美]Nelson Ruest, Danielle Ruest.虚拟化技术指南[M].陈奋, 译.北京:机械工业出版社, 2011:110.