虚拟地理环境中典型树种的三维符号建模研究

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地图语言是地图表达的形式。编图者通过地图语言传递地理空间信息。其中,被称之为图解语言的地图符号及其系统是最重要的地图语言。随着科学的进步和生产力发展的需要,地理空间信息的表达形式经历了从传统纸质地图发展到计算机制图,从二维GIS到三维GIS的过程,演化出虚拟地理环境、数字地球、数字城市、智慧地球、智慧城市等多种应用形态,符号作为表达地理空间信息的图解语言在这些应用中始终保持着其独特的不可替代的作用。对三维GIS而言,表达维度有了拓展,符号也随之产生了新的形式——三维符号。三维符号既是对二维符号的继承与发展,也是在透视视角下重新认知客观世界并对其进行科学抽象的结果。如同没有单词就无从谈起语言一样,没有三维符号,也难以实现诸如虚拟地理环境中若干要素的构建与表达,因此从三维符号角度对地理空间信息的可视化表达开展研究显得异常重要。  目前,国内外针对三维符号及其系统的研究相对较少,其基本概念、设计原则和构建方法等研究仍处于初步阶段。三维符号作为对客观世界中地理事物抽象表达的图解记号,需要携带的信息增多,表达难度也自然增大。树木作为重要的地表附着物,是虚拟地理环境不可或缺的组成部分,也是三维符号表达的重要内容之一。相对于其它地理现象,如人造建筑物与构筑物、地形地貌等,树木种类繁多、形状不规整、结构复杂,在采用传统欧氏几何方法对其进行描述时存在很多困难,有必要针对其开展专门研究。  本文在二维符号理论基础之上,参考现有针对三维符号的相关研究,给出了对三维树木符号的理解,针对三维树木符号的设计原则和构建方法开展了探索,提出了基于植物学知识的三维树木符号参数化模型,研发了三维树木符号生成器,归纳如下:  (1)分析与总结了现有关于三维符号的观点,给出了对三维树木符号的理解,从定义、结构和功能三个方面阐述了三维树木符号与真实感模型的差异。  (2)结合树木对象的特殊性,概括总结了八条三维树木符号设计原则:合理约定与自然识读、参数化与调参直观化、兼顾树种区分与概括、兼顾抽象性与形象性、兼顾相似性与差异性、可定位性以及方向性、细节与季节多样性和生产与应用可行性。  (3)在三维树木符号设计原则的指导下,借鉴现有二维符号的构建方法,提出了三维树木符号的构建方法,主要步骤包括:树木特征抽象与分析、三维树木符号参数化模型构建、三维树木符号生成流程设计、三维树木符号评价内容设计与三维树木符号修订规则制定。  (4)树形和树叶是人感知树木的两个最重要的视觉因素。结合植物学知识将树形和树叶分解为可表达的视觉形态属性参数,由这些属性参数合理组合,提出三维树木符号参数化模型。  (5)采用OSG结合Qt技术架构对相关算法进行实现,研发了三维树木符号生成器。  生成的三维树木符号的效果表明,本文提出的三维树木符号参数化模型对典型树种具有良好的适用性,较好地兼顾了符号的抽象性和具象性。所设计的三维树木符号生成器简单易用,可以帮助设计者快速生成期望的三维树木符号。
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