三维显示发展研究毕业论文.docx

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三维显示发展毕业论文

第一章 概 述

随着我国信息技术与国民经济的发展，我国在工农业生产实践中产生了大量的数据即海量数据。

数据量之大，用我们传统的手工与半自动方法是无法想象的。

解决的方法是借助于计算机来对这些数据进行分析。

这也就是为什么现在我们许多传统技术领域需要计算机的原因。

到如今很多传统领域已发展到定量，而非仅从定性的阶段来研究问题。

我们需要精确的计算，从数据的采集，存储，分析处理，到得出结果。

为我们进行及时，正确的决策提供科学的有力的保障。

我国的煤矿产业尤其如此。

煤矿工业的发展积累了丰富的地质数据，这些数据包含了丰富的地质信息。

随着生产的进行，其中的某些信息又具有动态性。

如何将这些信息有效的组织起来，对其进行空间分析与判断，使之更好的服务于煤矿生产，是一项极具意义的工作。

具体到矿井，巷道：

由于他们在地下的错综复杂性，产生了很多数据，这些数据如何组织，形象地显示出来，是否能被需要使用它的人及时获得是个不小的问题。

传统的方法是将大大小小密如蛛网的巷道用大小比例尺不一的图纸绘出。

结果是工作量大，精确度差，数据更新不及时，更新能力差，直观性不强，使用不便。

要解决这些问题就涉及几项技术。

包括：

数据的存储——数据库技术，三维显示技术，拓扑关系模型的建立。

关于三维管线的软件产品已经出现一些，而煤矿巷道的三维产品还不太多。

煤矿巷道的三维显示也是煤矿现代化的需要，目前一些关于巷道的三维显示是基于三维模型生成软件的，如3DMAX、AUTOCAD等。

在这些软件之上建立的三维模型逼真度很好，但缺少灵活性，可编辑能力差，且不便脱离这些平台。

基于具有开放式的OPENGL图形接口建立的三维显示系统却弥补了以上方法的一些缺陷。

1.1研究的意义

1.1.1三维显示发展的需要

最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术愈来愈完善，这些三维表现技术使我们能够再现世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息。

这点对

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于煤矿巷道的三维显示的应用尤为重要。

三维图形可以使人们更加直观、形象地认识和了解地理信息，使之更好地服务于社会[1]。

反之，生产、生活的需要又会促进三维显示技术的发展。

目前有关实体模型的算法很多，有一些已经得到应用。

一些软件公司已经把一些算法浓缩成了几何原型，如在Windows操作系统中所带的OpenGL（开放的图形库）它就是一种开放式的，适合于多种硬件平台及操作系统的工业标准的三维计算机图形接口软件。

[2]

1.1.2煤矿现代化生产的需要

根据煤矿生产积累的地质数据，建立三维的巷道，实现巷道的全景显示、动态显示，实现地质数据库的快速更新，可以为矿上提供全新的三维动态显示系统、查询系统和决策系统，从而对未采区和采掘工作提供参考。

也就是说，真三维的巷道可以为煤炭生产的决策提供有力保障。

测量数据在采掘工程中始终起着重要的指导作用、而地下采掘工程是随着时间的延续逐步推进的，井下巷道图（包括平面图和立体图）自然要随着巷道的延伸逐步形成、由于井下巷道纵横交错，没有地面测量的通视性与直观性、因此，研究井下巷道的立体显示，三维拓扑关系，并建立一个合适的系统，是对采掘工作有益的辅助。

[3]

1.1.3GIS发展的需要

地理信息系统（GeographicalInformationSystem,简称GIS）是70年代出发展起来的一门新兴边缘学科，在组织空间数据以及进行空间数据分析上具有强大的功能[4-6]。

早先的GIS来源于地图绘制，其空间信息一般只局限于平面信息，即这种GIS是2维的GIS。

真正的3维GIS软件，其空间坐标（x,y,z）都参加图形的运算，它的数据采集、数据结构、拓扑关系、数据显示和空间分析都要比2维GIS复杂得多。

正因为如此，当前GIS的研究成果和应用系统主要集中于描述2维空间信息，各项技术已较为成熟。

2维的GIS在处理3维实体时一般将实际的3维实体采用2维的方式方法，所以具有很大的局限性，大量的多维空间信息无法得到利用[7]。

而数字地球要求对地球空间进行3维描述，使人类能够突破空间限制，共享地球空间的各种信息。

为了适应数字地球的研究，需要将传统的2维GIS的研究成果拓展到3维空间，即进行3维GIS研究。

为3维GIS构建3维空间数据模型，建立适合的数据结构已经成为图形学、计算机学、数学、地理学等相关学科

普遍关注的问题。

与地球有关的空间信息种类多、信息量大、数据变化快，需要开发一种能方便、快速、精确地对空间信息进行存储、查询、分析和表示的工具，即利用先进的计算机技术建立地理信息系统。

随着计算机系统和应用系统的不断发展，GIS得到了快速发展，使各种空间信息得到了有效地管理与利用，为我们描述空间信息提供了强有力的工具。

1.2国内外研究现状

1.2.1可视化研究（建议增加地学可视化geovisualization的相关内容,特殊性、数据模型、处理方法等）

可视化（Visualization）是指在人脑中形成对某事物（或某人）的图

像，是一个心智处理过程，它可以提高对事物的观察力及建立概念等能力，但是，

1987年美国国家科学基金会报告中的科学计算可视化，却具有新的含义，科学计算可视化是通过研制计算机工具、技术和系统，把实验或数值计算获得的大量抽象数据转换为人的视觉可以直接感受的计算机图形图像，从而可进行数据探索和分析

早期的可视化研究受限于计算机二维图形的软硬件显示技术，大量的研究都放在图形显示的算法上，如画线、颜色选择等。

继二维可视化研究之后进一步发展为对地学等值线图（如数字高程模型）的“三维”图形显示技术的研究,这种方法主要应用三维到二维的坐标转换、隐藏线、而消隐、阴影处理、光照模型等技术把三维空间数据投影到二维屏幕上。

由于这种方法中的地学数据场是二维的而不是真三维实体空间关系的描述，因此这种“三维”只能是2.5维的，也就是说，是假三维的可视化表示。

但现实世界是真三维空间，二维无法描述诸如地质体、矿山、海洋、大气等地学真三维数据场。

随着计算机科学的发展和空间数据库理论的成熟，使得动态处理具有复杂空间关系的大数据量成为可能，也使得时空数据模型、图形实时动态与反馈等研究方兴未艾。

目前，GIS的可视化研究着重在技术层次上，目标是用图形实时地呈现地学模型及其处理结果。

三维显示是指对具有三维地理参考坐标的信息进行输入、存储、编辑、查询、空间处理的计算机系统。

目前的三维现实包括两个方

向：

l）利用三维几何和CAD领域的可视化方法构成3D中交互式的模型和可视化系统。

现在，三维几何造型技术已经发展得很成熟，例如CSG和边界表达法，但是这些方法几乎都没有考虑数据的空间拓扑关系。

2 ）开发3D数据管理和空间处理的能力，它从数据库建模方面考虑，从决策角度上来看，它更具有实用性。

从三维角度出发，分析地质体的空间特征，编制能够自动建立三维模型的分析程序，再借助于人机对话方式把用户的新思想融入三维模型中，应是解决问题的一种可行方法。

1.2.2GIS与虚拟现实的发展

在国外，关于3维GIS及其在虚拟现实中的应用的研究开展的比较早。

Bak、

Smith提出了地学领域信息系统的3维表示方法[8-9]，Raper、Vgn提出了地学领域的一些3维模型[10-11]，这些模型适合于数字地面模型的真实显示，实际上他们是采用2.5维的方式来表达地层曲面，仅仅从视觉上显示3维曲面的效果，井不能对曲面进行3维空间分析和运算。

进入90年代以后，人们开始寻求一种适合3维GIS的数据结构，Fritsch、

LIR、MOIenaar阐述了3维GIS的数据结构[10-13]，从理论上讨论了3维GIS的矢量结构、栅格结构及其应用方法：

Pigot、Meij、Molenaar等针对空间信息系统的特点，提出了3维GIS模型的拓扑结构[14-18]，3维空间拓扑结构的建立，使得3维GIS的空间分析能力大大加强，为3维GIS向实用化方向转变确立了理论依据；在此之后，又有一些专家（如Arnaud）提出了针对3维GIS的空间数据分析方法，较为系统地阐述了3维空间拓扑结构和3维GIS可视的方法

[19]。

随着3维GIS理论的不断成熟，有关3维GIS的研究也逐渐开展起来。

早在1996年，Michael就探讨了反映真实景观的3维UGIS的数据库构建方法［20］，Sinning等还提出了适合空间分析和设计的3维城市模型[21]；Haala等提出了基于2维

GIS和数字表面模型建立3维城市模型的方法，即同时结合数字高程模型

（DigitalElevationModel，简称DEM）引入了数字表面模型，但数字表面模型的引入并没有针对单个3D实体进行建模[22]；RanZinger等研究了可用于3维城市规划的3维GIS数据集[23];Klaus分析了UGIS的拓扑映射关系[24]；Koninge等

详细阐述了适合城市的3维GIS的构建方法[25]：

Wolf和Danahy在1999年分别提出了3维城市模型数据获取和空间计算的方法以及城市规划中数据可视化的方法

［26-27］。

3维城市可视化模型的建立为城市模型的真实显示以及虚拟现实的进一步研究奠定了基础。

1.2.3三维管线的研究

我国自20世纪80年代开始研究建立城市地下管网信息管理系统，1990年北京市地下管线信息管理系统获得批准；自那时起，上海，无锡，常州，佛山等城市相继开展地下管线信息管理系统的建立工作，且都选择了工作站上的ARC／INFO为基础支撑软件。

在上海，自来水公司选用Intergraph软件管理到每户的自来水表，电缆输配电公司用SGI工作站上的ARC／INFO管理全市区各类电压等级的电力电缆，有近7000张电缆电路图（1：

500）以及数亿万计的电缆台帐卡作为信息源。

我国地下管线信息管理系统的建立，既有建立在城市规划管理部门的综合性管线信息系统，也有专业管线主管部门与企业建立的详细的专业管线信息系统。

据不完全统计，到目前为止，我国的厦门、克拉玛依、广州、中山、盘锦、呼和浩特、郑州、瓦房店等多个城市己建立了城市地下管线信息管理系统，另有200多个城市建立了单一专业的地下管线信息管理系统。

各城市在系统的建立过程中，均对信息系统的建立模式。

功能模块设计等相关内容进行了多方面的研究。

尤其是对于综合性地下管线信息系统，北京市的做法构成了一种典型：

以工作站的CRC／INFO为支持，以竣工测量表格化结果为主要数据源，结合数字化地图，构建地下管线查询与输出系统，这要求历史上有一套行之有效的管线竣工测量管理制度与实施方法，历史资料较完整。

但现实中我国许多大城市是没有约束机制来确保每条管线工程施工前有报建，铺设埋土前有竣工测量的。

许多城市历史上没有搞过管线竣工测量，或管线竣工测量不完整，即历史资料不完整，精度不高，与现状不符，在施工过程中经常造成地下管线损坏事故的发生。

在这种情况下，首先必须完成地下管线情况的普查，然后在查清现状的情况下进行动态管理。

广州市90年代中期在国内首先提出一套“探测与辅助成图内外、体化作业，同步建库和动态管理”的管线普查技术方案；并以GIS技术为支撑，研制开发了

广州市地下管线信息系统，为实现城市地下管线动态管理提供了技术保障，具有很高的先进性和科学性。

形成了对新建地下管线较为完善的规划报建、施工、技术监督与竣工验收管理体制，从而保证了地下管线资料动态更新，资料与现状的一致性。

广州市的地理信息系统，使广州市的规划管

理、地籍管理、市政施工管理计算机网络一体化，真正进入了实用阶段。

广州市地下管线信息系统