本篇計算機論文闡述基于VPB的大規模地形構建辦法。《計算機工程》以最快的速度、科學求實的精神，精選刊登代表計算機行業前沿科研、技術、工程方面的高、精、尖優秀論文。貫徹黨的“雙百”方針，繁榮科技創作，促進國內外學術交流，探討和傳播計算機科學的理論和實踐，加速和促進我國計算機事業的發展。

　　在地理信息系統和仿真系統開發中，對大規模真實地形進行高逼真度仿真起到了至關重要的作用，但目前許多圖形引擎實現較為困難。提出了一種利用VPB構建大規模高精度地形的方法，并對其構建的地形的組織結構進行分析。

　　關鍵詞：VPB;地形;場景創建;仿真

　　在地理信息系統和仿真系統開發中，對大規模真實地形進行高逼真度仿真起到了至關重要的作用。雖然目前許多圖形引擎實現了對大規模地形的仿真，但其構建的地形大多由計算機虛擬出來，而非真實世界，主要原因是此類圖形引擎采用的地表紋理并不是真實地形的衛片。而有些圖形引擎(如CTS和 VegaPrime)雖然可以采用真實地形衛片，但又會出現由于調度資源量巨大，導致運行不夠流暢等問題。為了解決該問題，提出一種利用VPB構建大規模高精度地形的方法。

　　1OSG和VPB簡介

　　OSG(OpenSceneGraph)是一個開源的場景圖形管理開發庫，主要為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化功能[1]。 OSG采用可移植的C++作為開發語言，實現了對OpenGL底層渲染API的封裝，具有良好的跨平臺性，同時極大地提高了三維圖形應用的開發效率。目前 OSG在虛擬現實、科學計算、航空航天、人工智能、游戲、視景仿真、可視化等方面應用廣泛[2]。

　　OSG在地形創建方面提供了VirtualPlanetBuilder(簡稱VPB)工具。VPB是OSG中提供的專門用于創建地形的工具，它使用著名的GDAL庫讀取各種地理圖像和高程數據，不僅可以建立一個小面積的地形數據庫，甚至可以建立整個地球的大型分頁數據庫。它能夠很好地支持地形數據的動態載入(數據動態分頁PagedLOD)，因此在OSG中能非常流暢地運行。

　　同其它開源軟件一樣，利用VPB進行大規模場景創建同樣也存在編譯過程復雜、相關資料稀缺等問題。對于VPB的編譯可按如下幾個步驟進行：

　　①獲取VPB源代碼。獲取VPB源代碼的地址為：http：//www.openscenegraph.org/projects /VirtualPlanetBuilder/。在下載VPB源代碼時，還需要注意VPB版本所對應的OSG版本;②獲取GDAL插件，GDAL插件可以從GDAL的官方網站http：//www.gdal.org上下載;③使用CMake完成配置，并生成解決方案;④利用編譯器(如VS2010)編譯 VPB，最終生成VPB的可執行文件。

　　2高程數據和影像數據預處理

　　2.1高程數據獲取與處理

　　數值高程模型(DigitalElevationModel，簡稱DEM)是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。其數據源及采集方式主要是地面測量和航空航天測繪。獲取高程數據的途徑很多，對于高精度的高程數據需要從當地測繪院申請，對于精度要求不是很高的高程數據可以直接從國家地理信息網站下載。目前可以獲取的精度有30m和90m，由于30m精度的高程數據地面凹凸不平，因此本文采用了90m精度的高程數據。對于下載的數據還需作進一步處理，如重新設定坐標系統、分割和融合、銳化增強等。這些操作都可以采用專業的GIS軟件來實現(如ERDASIMAGINE等)。

　　2.2影像數據獲取與處理

　　影像數據(地表紋理)獲取與處理要比高程數據復雜得多，首先需要采集影像數據，然后對其進行拼接、坐標校正和切割分塊等處理。影像的獲取可以向專業的衛片提供商購買，也可以通過相關公司購買軟件，自行從網絡下載。但無論從何種渠道獲取的影像數據都通常無法和高程數據完美地匹配，尤其是國內的衛片還存在偏移問題，因此還需進行一項極其重要和繁瑣的工作——坐標校正。通常坐標校正也是通過GIS軟件(如ERDASIMAGINE和 GlobalMapper)來實現。

　　3大規模地形文件構建

　　3.1基于VPB的地形構建

　　在完成了以上兩步后，對處理好的高程數據和影像數據使用osgdem命令行，并配置好詳細參數，即可生成OSG所支持的“.ive”或 “.osga”格式。本文采用的命令行如下：osgdem-tT.tif-geocentric-dD.tif-l8-v10-oT.ive，其中 “-t”指定要處理的紋理文件，“-d”指定要處理的高程圖，“-l”指定生成模型的LOD等級，“-v”指定垂直比率，“—geocentric”設置以地心為坐標的坐標系，”-o”指定所產生的數據頁的輸出文件名。由VPB生成地形文件的過程會根據高程數據和影像數據的大小以及生成層級的不同而耗時不同，最后會在”-o”參數所指定的目錄中產生一系列按照四叉樹結構命名的“.ive”文件，這些就是用于地形仿真的地形數據庫文件。最后還可以采用 osgarchive工具將生成的各地形文件打包為一個單獨文件。

　　3.2地形文件組織結構分析

　　由VPB生成的地形文件中每個節點代表一塊地形，每個節點的影像數據大小為256×256像素。在組織結構中，最頂端為 “T_L0_X0_Y0_subtile.ive”文件，它是四叉樹的根節點，該節點相當于整個地形的縮略圖，同時也是所有地形文件的頭文件，在調用該地形數據庫時只需調用該文件即可;其次是跟節點的下一級節點“T_L1_X0_Y0_subtile.ive”、 “T_L1_X0_Y1_subtile.ive”、“T_L1_X1_Y0_subtile.ive”和 “T_L1_X1_Y1_subtile.ive”節點，它們所表示的面積總和與上一級節點相同，但地形表現的精度為上一級的2倍。

　　每個“*.ive”文件在存儲了地形信息的同時還存儲了該地形文件的下一級4個子地形塊的結構信息，地形文件的四叉樹結構如圖1所示。由于VPB 生成的地形數據文件采用了四叉樹結構進行組織，因此將該格式用于OSG的場景渲染，可以直接由OSG引擎本身進行揀選，從而有效、合理地進行渲染。

　　在OSG進行渲染的過程中會根據攝像機所在位置(如圖2所示)，調用不同位置和級別的地形文件進行渲染，而其它不可視的地形文件則不會被渲染到顯示器中，從而大大減少計算機的資源消耗，實現了對任意級別和任何規模的真實地形的高精度渲染，同時也保證了渲染的流暢性，這就是OSG地形渲染算法(PagedLOD)的基本原理。

　　4結語

　　在本研究中，利用VPB制作了面積為400km×400km的我國北方某地的地形數據庫，其局部效果如圖3所示。該地形無論在精度、規模還是執行效率上均能滿足地理信息系統和仿真系統的開發要求，為此類項目的開發打下了堅實基礎。基于VPB構建的地形結合OSG圖形渲染引擎，采用了如坐標系轉化、分塊調度、裙拼接、四叉樹管理和多重紋理等先進的地形渲染處理關鍵技術，在理論上能夠實現對任意規模和精度的地形進行仿真。基于VPB的開源軟件 osgEarth目前已實現了對整個地球任意精度的仿真。因此，VPB在地形仿真領域具有良好的應用前景。