CN110738718A - 一种国土数据的三维可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种国土数据的三维可视化方法，包括预处理阶段和实时绘制阶段，预处理阶段包括以下步骤：将国土数据切片形成数据瓦片并根据数据瓦片所在的图层的上下关系构建数据瓦片的上下层级关系，国土数据包括地形数据和矢量数据，数据瓦片包括地形瓦片和矢量瓦片；将矢量瓦片中的线段配置成符号样式，同时根据上下层级关系指定图层在绘制时的优先级，符号样式包括线宽、颜色和透明度；以及将所有的矢量瓦片中构成线段的顶点数组和优先级均记录在RGB的三个通道中，形成一张矢量块纹理；采用线段这一线状符号进行渲染，矢量数据与地形数据完美贴合，避免矢量失真等情况，解决了三维环境下矢量瓦片与地形瓦片匹配的问题。

Description

一种国土数据的三维可视化方法

技术领域

本发明涉及三维可视化方法技术领域，具体来说，涉及一种国土数据的三维可视化方法。

背景技术

全国国土数据的内容包括土地资源数据和其他资源数据的影像数据、矢量数据、属性数据、报表数据和其他数据，数据种类多、数据体量大、数据关系复杂。从全国第二次土地调查开始，每年开展土地利用现状调查以及变更调查。由县级逐级汇总汇交至国家的土地调查成果数据，在空间上覆盖了全国范围（港澳台除外），时间上覆盖了2009至2017年共9个年份，数据总量约为300TB。其中，矢量数据总量约为15TB，包含约35亿个矢量要素。

随着城市地区在土地垂直空间的土地利用活动日益增多，传统的二维可视化方式难以对现实世界的三维土地利用空间进行直观表达，因此，国土数据的三维可视化是土地管理的现实需要，对矢量数据的三维可视化更是其中的重点和难点。

现有的矢量数据三维可视化方法主要为：基于纹理的三维可视化方法和基于几何的三维可视化方法。

（1）基于纹理的三维可视化方法中，直接将线状符号作为纹理图像的一部分，通常是预先将符号融合到纹理图像中，再将包含线状符号的纹理图像映射到地形表面，该方法保证符号与地形完全匹配。但纹理是有限分辨率的栅格图像，因而在场景缩放过程中栅格化的矢量边缘易产生锯齿走样现象，严重时将使用户对原始矢量形状判读错误，并且绘制效果不够灵活。同时，栅格纹理占用网络带宽和存储空间都较大，与地形强行贴地后拉伸扭曲严重，影响了矢量数据的三维可视化效果。

（2）基于几何的三维可视化方法中，矢量符号被当作独立的几何模型处理，预处理时利用DEM为原始矢量线节点赋予高程值，并根据实时地形条件对矢量线节点进行增删，从而实现线状符号与三维地形表面的贴合。但是根据地形起伏对矢量数据进行细分，增加了计算量和存储空间，在大范围多分辨率地形环境或动态地形环境中绘制效率很低，每帧都需要调整矢量折线的几何节点，在渲染大规模矢量数据时将造成系统无法承受的开销，严重影响到交互体验。虽然能够保证矢量要素在贴地显示时不变形，但只能适用于较小范围和数据量的矢量数据三维展示。

因此，现有的矢量数据三维可视化技术，均无法满足海量全国范围国土数据的三维可视化需求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种国土数据的三维可视化方法，其针对现有的矢量数据三维可视化方法中与地形贴合后拉伸扭曲严重和大规模矢量数据渲染效率低等问题，将线状符号的渲染嵌入到地形渲染过程中，实现二维地图符号在三维地形表面上的高质量贴合渲染。再通过采用基于GPU加速的矢量数据高效渲染方法，以纹理图像为载体，对矢量数据进行编码、传输、重建，实现了矢量数据的GPU并行高速渲染，达到可实时交互级别的渲染性能。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种国土数据的三维可视化方法，包括预处理阶段和实时绘制阶段，所述预处理阶段包括以下步骤：

将国土数据切片形成数据瓦片并根据所述数据瓦片所在的图层的上下关系构建所述数据瓦片的上下层级关系，所述国土数据包括地形数据和矢量数据，所述数据瓦片包括地形瓦片和矢量瓦片，所述地形瓦片与所述矢量瓦片在空间范围上一一对应；

将所述矢量瓦片中的线段配置成符号样式，并使同一所述图层中所有的所述符号样式保持一致，同时根据所述上下层级关系指定所述图层在绘制时的优先级，所述符号样式包括线宽、颜色和透明度；

根据所述符号样式绘制Shader 脚本；以及

将所有的所述矢量瓦片中构成所述线段的顶点数组和所述优先级均记录在RGB的三个通道中，形成一张矢量块纹理；

所述实时绘制阶段包括以下步骤：

获取所述Shader 脚本，并解析出相应的所述符号样式；

获取所述地形瓦片；

获取所述矢量块纹理，并解析出所述顶点数组和所述优先级，通过所述顶点数组生成所述线段，根据所述符号样式配置所述线段，并将所述线段扩展成多边形后，生成几何面片；以及

将所述几何面片进行光栅化处理后生成像素，将所述像素贴合在对应的所述地形瓦片上，并根据所述优先级来使所述地形瓦片和所述像素逐级压盖。

进一步地，所述顶点数组在记录时将其坐标值转化成该顶点数组相对于其对应的所述矢量瓦片中左上角原点的偏移值。

进一步地，通过对所述地形瓦片的裁剪调度来完成对所述几何面片的裁剪调度。

进一步地，通过GPU中的顶点着色器来解析出所述顶点数组。

进一步地，通过GPU中的几何着色器来将所述线段扩展成所述多边形以及生成所述几何面片。

进一步地，通过GPU中的片元着色器来生成所述像素。

进一步地，在将所述像素与对应的所述地形瓦片贴合的过程中，保证所述像素的深度值小于所述地形瓦片的背景纹理的深度值。

进一步地，将所述数据瓦片以金字塔形式组织并以四叉树为索引构建所述上下层级关系。

进一步地，所述地形瓦片以高度图的形式保存。

本发明的有益效果：采用线段这一线状符号进行渲染，矢量数据与地形数据完美贴合，避免矢量失真等情况，解决了三维环境下矢量瓦片与地形瓦片匹配的问题；利用GPU加速来对矢量数据进行高效渲染，解决了三维环境下浏览全国范围任意尺度的国土数据时渲染和交互操作延迟的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的国土数据的三维可视化方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例所述的一种国土数据的三维可视化方法，包括预处理阶段和实时绘制阶段，所述预处理阶段包括以下步骤：

将国土数据切片形成数据瓦片并根据所述数据瓦片所在的图层的上下关系构建所述数据瓦片的上下层级关系，所述国土数据包括地形数据和矢量数据，所述数据瓦片包括地形瓦片和矢量瓦片，所述地形瓦片与所述矢量瓦片在空间范围上一一对应；

将所述矢量瓦片中的线段配置成符号样式，并使同一所述图层中所有的所述符号样式保持一致，同时根据所述上下层级关系指定所述图层在绘制时的优先级，所述符号样式包括线宽、颜色和透明度；

根据所述符号样式绘制Shader 脚本；以及

将所有的所述矢量瓦片中构成所述线段的顶点数组和所述优先级均记录在RGB的三个通道中，形成一张矢量块纹理；

所述实时绘制阶段包括以下步骤：

获取所述Shader 脚本，并解析出相应的所述符号样式；

获取所述地形瓦片；

获取所述矢量块纹理，并解析出所述顶点数组和所述优先级，通过所述顶点数组生成所述线段，根据所述符号样式配置所述线段，并将所述线段扩展成多边形后，生成几何面片；以及

将所述几何面片进行光栅化处理后生成像素，将所述像素贴合在对应的所述地形瓦片上，并根据所述优先级来使所述地形瓦片和所述像素逐级压盖。

在本发明的一个具体实施例中，所述顶点数组在记录时将其坐标值转化成该顶点数组相对于其对应的所述矢量瓦片中左上角原点的偏移值。

在本发明的一个具体实施例中，通过对所述地形瓦片的裁剪调度来完成对所述几何面片的裁剪调度。

在本发明的一个具体实施例中，通过GPU中的顶点着色器来解析出所述顶点数组。

在本发明的一个具体实施例中，通过GPU中的几何着色器来将所述线段扩展成所述多边形以及生成所述几何面片。

在本发明的一个具体实施例中，通过GPU中的片元着色器来生成所述像素。

在本发明的一个具体实施例中，在将所述像素与对应的所述地形瓦片贴合的过程中，保证所述像素的深度值小于所述地形瓦片的背景纹理的深度值。

在本发明的一个具体实施例中，将所述数据瓦片以金字塔形式组织并以四叉树为索引构建所述上下层级关系。

在本发明的一个具体实施例中，所述地形瓦片以高度图的形式保存。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本发明所述的国土数据的三维可视化方法包括预处理阶段和实时绘制阶段两个阶段，其中预处理阶段在服务端完成，实时绘制阶段在客户端完成，客户端应至少包括CPU和GPU。

预处理阶段包括四个步骤，具体如下：

步骤一：地形与矢量数据预处理切片。为了提高地形数据与矢量数据的加载效率，需要对地形数据和矢量数据预先切片。切片规则保持与栅格瓦片的切片规则一致，切片后形成的数据瓦片以金字塔形式组织并以四叉树为索引构建上下层级关系。在数据瓦片中，地形瓦片以高度图的形式保存，矢量瓦片以矢量瓦片的形式保存，矢量瓦片中的所有顶点的高程值可通过对应的地形瓦片获取，从而可减少绘制过程中实时插值的次数。

步骤二：配置矢量图层的符号样式列表。按照矢量数据表达的内容和视觉效果，需要将矢量瓦片中的线段配置为各种符号样式。对矢量瓦片以图层为单位，定制符号样式列表，给矢量瓦片中的线段设置好线宽、颜色、透明度等样式信息，同时指定图层绘制的优先级，保证图层绘制时，相互压盖的顺序正确。

步骤三：生产矢量符号绘制Shader 脚本。矢量瓦片的绘制，需要在CPU中实时将矢量线（即线段）通过算法扩展为多边形并构建成三角面片（即几何面片）。这种带有符号样式的矢量瓦片绘制会占据大量的 CPU资源，严重降低绘制效率。本发明将符号样式的创建过程移植到GPU绘制阶段，通过GPU中的几何着色器（Geometry Shader），完成矢量数据几何线到面的拓展，以及构建三角面片。三角面片按照图层进行组织，同一图层中的符号样式是一致的，所需的符号样式全部保存在步骤二中的符号样式列表中，一种符号样式可以对应一种Shader脚本。

步骤四：构建矢量块纹理。矢量瓦片是以顶点形式组织的json数据，GPU中无法直接读取该信息，需要通过构建矢量块纹理的形式，将矢量瓦片中的顶点数组转换为GPU可以读取的形式。在GPGPU（General Purpose Graphic Process Unit，通用目的图形处理单元）中，纹理和数组是相通的概念。将矢量瓦片块中的顶点数组以纹理形式存储下来，通过GPU的 VTF技术（Vertex Texture Fetch）即可将纹理当作数组形式读取其中的数据信息。矢量瓦片中一条线段可由两个顶点数组表达，该矢量瓦片中所包含的所有线状矢量可以通过多个线段组合表达，将所有的顶点数组和优先级顺序均记录在纹理的RGB的三个通道中，即可形成一张矢量块纹理。为了减少存储数据量，顶点数组在存储记录时需要将其坐标值转化成该顶点数组相对于该矢量瓦片中左上角原点的偏移值。

实时绘制阶段包括五个步骤，具体如下：

步骤一：客户端获取样式列表。矢量瓦片的相关数据和符号样式列表都是存储在服务端，服务端会有多中符号样式组成的符号样式列表，客户端通过绘制符号样式列表的解析，即可得到目前支持的符号样式，通过客户端来对符号样式进行选择，确定符号样式的参数，为后续的Shader脚本的获取提供依据。

步骤二：按照配置样式加载绘制Shader脚本。通过在客户端中获取的符号样式列表以及客户端选定的符号样式的参数，通过服务请求可获取GPU绘制所需要的Shader脚本，通过指定必须的脚本参数可定制当前的所需的Shader脚本。复杂的Shader脚本加载和解析是一个耗时的过程，可以作为静态资源提前获取到缓存中，根据图层的加载情况，可以动态的调整加载Shader脚本。

步骤三：统一调度地形和矢量数据。地形网格是三维场景中的基础数据，在预处理阶段中，地形数据和矢量数据采用相同的空间范围切片，矢量瓦片的空间范围会和地形瓦片的空间范围一一对应，这样在实时绘制阶段通过对地形瓦片的裁剪调度，便可完成对矢量瓦片的裁剪调度，避免了矢量瓦片在多个图层的调度与裁剪剔除计算操作，减少了CPU的计算量。

步骤四：GPU解析矢量块纹理。在服务端生成的矢量块纹理需要在客户端实时的解析，矢量块纹理传入到GPU中后，通过顶点着色器（Vertex Shader ）的VTF技术，将矢量块纹理中的顶点数组解析出，传入到几何着色器（Geometry Shader）中，通过顶点数组生成线段，并将线段拓展为指定符号样式的多边形，实现几何面片的生成，为最终在屏幕空间绘制准备好几何面片。

步骤五：基于屏幕空间的矢量贴地绘制。准备好的几何面片在GPU中会自动进行光栅化处理，最终通过片元着色器（Pixel Shader）完成最终的像素绘制，并进行接下来的图层绘制，图层绘制过程中一次只绘制一个图层，由于同一个图层中的符号样式相同，此时GPU状态是一致，绘制效率最高。在像素绘制过程中，片元着色器以像素为单位在屏幕空间进行绘制，在这里产生的像素最终值即为屏幕空间输出的最终结果，在这个过程中，通过图层的优先级顺序，控制像素绘制的先后顺序，实现图层之间的像素压盖正确。图层中像素的深度值应小于地形瓦片的背景纹理的深度值，这样可保证线段不会被地形瓦片压盖。基于屏幕空间绘制，像素就会和地形瓦片的背景纹理的像素相对位置正确，这样就能保证像素紧密贴合在地形瓦片上。

Shader脚本以模板形式存储在服务端，客户端使用时候需要参数化指定，相同符号样式对应相同的Shader脚本。

将矢量数据绘制融入到地形数据绘制过程中，并通过图层优先级和像素深度值完成矢量在屏幕空间的贴地绘制。

本发明具有以下特点：

1）对地形数据和矢量数据进行切片，两者切片方案保持一致，切片后的地形瓦片和矢量瓦片一一对应。同时，矢量瓦片块的顶点数组根据对应的地形瓦片的提前插值获取高程值。

2）对矢量数据逻辑上按照图层管理，每一个图层中符号样式相同，所有的符号样式配置组成该符号样式列表。

3）根据符号样式列表，编码生产对应的GPU的绘制脚本，该绘制脚本为Shader脚本，可作为资源重复利用，通过客户端的具体参数指定，形成完整的绘制脚本。

4）将矢量瓦片中的顶点数组转化为顶点数组记录在纹理的RGB通道中，以纹理的形式保存，方便GPU的读取。

5）由于地形数据与矢量数据在空间上切片方案一致，对地形的裁剪调度结果可直接应用到矢量图层瓦片的裁剪和调度，减少了CPU的计算量。

6）通过GPU的VTF技术（Vertex Texture Fetch），在GPU阶段完成对矢量瓦片数据解析，并用GPU的几何着色器完成矢量的几何面片的绘制。

7）利用GPU的片元着色器，通过图层的优先级以及像素的深度信息实现矢量在屏幕空间的贴地绘制。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，采用线段这一线状符号进行渲染，矢量数据与地形数据完美贴合，避免矢量失真等情况，解决了三维环境下矢量瓦片与地形瓦片匹配的问题；利用GPU加速来对矢量数据进行高效渲染，解决了三维环境下浏览全国范围任意尺度的国土数据时渲染和交互操作延迟的问题。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种国土数据的三维可视化方法，其特征在于，包括预处理阶段和实时绘制阶段，所述预处理阶段包括以下步骤：

将国土数据切片形成数据瓦片并根据所述数据瓦片所在的图层的上下关系构建所述数据瓦片的上下层级关系，所述国土数据包括地形数据和矢量数据，所述数据瓦片包括地形瓦片和矢量瓦片，所述地形瓦片与所述矢量瓦片在空间范围上一一对应；

将所述矢量瓦片中的线段配置成符号样式，并使同一所述图层中所有的所述符号样式保持一致，同时根据所述上下层级关系指定所述图层在绘制时的优先级，所述符号样式包括线宽、颜色和透明度；

根据所述符号样式绘制Shader 脚本；以及

将所有的所述矢量瓦片中构成所述线段的顶点数组和所述优先级均记录在RGB的三个通道中，形成一张矢量块纹理；

所述实时绘制阶段包括以下步骤：

获取所述Shader 脚本，并解析出相应的所述符号样式；

获取所述地形瓦片；

获取所述矢量块纹理，并解析出所述顶点数组和所述优先级，通过所述顶点数组生成所述线段，根据所述符号样式配置所述线段，并将所述线段扩展成多边形后，生成几何面片；以及

将所述几何面片进行光栅化处理后生成像素，将所述像素贴合在对应的所述地形瓦片上，并根据所述优先级来使所述地形瓦片和所述像素逐级压盖。

2.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，所述顶点数组在记录时将其坐标值转化成该顶点数组相对于其对应的所述矢量瓦片中左上角原点的偏移值。

3.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，通过对所述地形瓦片的裁剪调度来完成对所述几何面片的裁剪调度。

4.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，通过GPU中的顶点着色器来解析出所述顶点数组。

5.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，通过GPU中的几何着色器来将所述线段扩展成所述多边形以及生成所述几何面片。

6.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，通过GPU中的片元着色器来生成所述像素。

7.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，在将所述像素与对应的所述地形瓦片贴合的过程中，保证所述像素的深度值小于所述地形瓦片的背景纹理的深度值。

8.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，将所述数据瓦片以金字塔形式组织并以四叉树为索引构建所述上下层级关系。

9.根据权利要求1所述的国土数据的三维可视化方法，其特征在于，所述地形瓦片以高度图的形式保存。