Ứng dụng kỹ thuật 3d phục vụ nghiên cứu địa hình

Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Lê minh ứng dụng kỹ thuật 3D phục vụ nghiên cứu địa hình Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa Mà số: 60.52.85 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đình Dơng H Nội - 2008 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cha đợc công bố công trình khác Hà Nội, ngày 15 tháng 08 năm 2008 Tác giả luận văn Lê Minh H»ng Mơc lơc Lêi cam ®oan .2 Môc lôc Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ .5 Më ®Çu .1 Ch−¬ng Tỉng quan hƯ thèng nghiªn cứu địa hình sư dơng kü tht hiĨn thÞ 3D 1.1 Tæng quan phơng pháp nghiên cứu địa hình 1.2 Tổng quan nghiên cứu địa hình kỹ thuật hiển thị 3D chơng 20 C¬ së lý thuyÕt kü tht hiĨn thÞ 3D vμ 20 lËp tr×nh thư nghiƯm 20 2.1 Cơ sở lý thuyết hiển thị đối tợng 3D 20 2.2 LËp tr×nh thử nghiệm hiển thị bề mặt 3D 34 2.3 C¬ së lý thut hiĨn thị bề mặt địa hình 3D 40 Ch−¬ng 46 øng dơng kü tht hiĨn thÞ 3D phơc vơ .46 nghiên cứu địa hình 46 3.1 Dữ liệu xây dựng địa hình 3D khu vực Hoà bình 46 3.2 Quy trình xử lý liệu xây dựng địa hình 3D 50 3.3 Nghiªn cøu địa hình kỹ thuật hiển thị 3D 55 KÕt luËn vμ kiÕn nghÞ 66 KÕt luËn vμ kiÕn nghÞ 66 danh mơc c«ng trình tác giả 68 Tμi liƯu tham kh¶o .69 Phô lôc 71 Danh mơc c¸c ký hiệu, chữ viết tắt Thứ tự Chữ viÕt t¾t ý nghÜa 2D Dimensional 3D Dimensional ASTER EOS ERSDAC DEM Digital Elevation Model DTM Digital Terrain Model GLU OpenGL Utility Library GLUT OpenGL Utility Toolkit 10 GPS Global Positioning Systems 11 GIS Geographic Information Systems 12 LOD Level of Detail 13 LIDAR Light Detection and Ranging 14 NASA National Aeronautics and Space Administration 15 RGBA Red Green Blue Alpha 16 TIN Triangulation Regulation Model 17 TIR Thermal Infrared Radiometer 18 SWIR Short Wave Infrared Radiometer 19 VNIR Visible and Near Infrared Radiometer Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Earth Observing Systems Earth Remote Sensing Data Analysis Center Danh mục bảng Bảng Tên bảng Trang 1.1 Tổng hợp hệ thống phần mềm hiển thị địa hình 3D 16 2.1 Kí hiệu kiểu liệu OpenGL 22 2.2 Tham số vẽ đối tợng hình học 24 2.3 Giá trị mặc định hiệu ứng nguồn sáng 31 2.4 Giá trị mặc định hiệu ứng bóng bề mặt 32 3.1 Các kênh phổ liệu ảnh ASTER 49 Danh mục hình vẽ Hình Tên hình Trang 1.1 Menu phÇn mỊm MicroDEM 10 1.2 Menu cđa phÇn mỊm SpacEyes 3D 12 1.3 Menu cđa phÇn mỊm TerraExprorer 14 2.1 Hai dạng nối đoạn thẳng OpenGL 22 2.2 Dạng vùng đợc chấp nhận OpenGL 23 2.3 Các dạng đối tợng hình học OpenGL 25 2.4 PhÐp chiÕu phèi c¶nh 27 2.5 PhÐp chiÕu trùc giao 27 2.6 Mô hình màu RGB (Red Green Blue) 28 2.7 Xác định mặt khuất theo thuật toán z - buffer 33 2.8 Đờng cong Bezier 36 2.9 Xây dựng mặt cong Bezier 38 2.10 Kết lập trình thử nghiệm hiển thị mặt cong 3D 39 2.11 Mô hình số độ cao dạng raster 41 2.12 Chồng phủ ảnh lên mô hình số độ cao (DEM) 42 2.13 Cấu trúc bề mặt địa hình 3D chồng phủ ảnh vệ tinh 43 2.14 Phân cấp mức độ chi tiết ( LOD) 44 3.1 Phơng pháp nội suy ngời láng giềng gần 51 3.2 Xây dựng lớp thông tin phần mềm MapInfo 8.5 55 3.3 Cửa sổ nhập liệu xây dựng mô hình 3D 55 3.4 Hiển thị địa hình 3D khu vực Hoà Bình 56 3.5 Hình ảnh thị xà Hoà Bình nhìn từ cao 57 3.6 Khả phóng to, thu nhỏ địa hình 58 3.7 Thị xà Hoà Bình nhìn từ góc độ khác 58 3.8 Khả tìm kiếm toạ độ mô hình 3D 58 3.9 Hiển thị đồ địa hình lên mô hình 3D 59 3.10 ảnh vệ tinh đồ địa hình 60 3.11 ảnh vệ tinh đồ địa hình hiển thị mô hình 61 3.12 Hiển thị thông tin đồng thời hai liệu 61 3.13 Mặt cắt dọc địa hình theo tuyến AB 62 3.14 Cưa sỉ Profile cđa phÇn mỊm SpacEyes 3D 63 3.15 Đờng di chuyển máy quay 64 3.16 Vị trí khu nhà khu dân c 64 3.17 Quan sát khu nhà so với cảnh quan xung quanh 65 -1Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu địa hình khái niệm xuất phát từ quân Phơng pháp nghiên cứu địa hình truyền thống chủ yếu dựa vào liệu đồ địa hình dạng sa bàn đắp (địa hình đợc thu nhỏ theo tỷ lệ) Tuy nhiên, phơng pháp nghiên cứu truyền thống có nhiều nhợc điểm nh liệu độ cao đợc thể đờng bình độ điểm độ cao rời rạc Việc xác định toạ độ chậm sử dụng phơng pháp đo toạ độ đồ Bên cạnh đó, thông tin đồ khó cập nhật thờng xuyên Đối với mô hình dạng sa bàn có tính trực quan cao nhng đo đạc mô hình cho độ xác kém, cần phải xây dựng lại địa hình thay đổi, chi phí làm mô hình tốn nhiều thời gian Với phát triển công nghệ thông tin kỹ thuật đồ hoạ, nghiên cứu địa hình kỹ thuật hiển thị 3D đà trở nên phổ biến Nghiên cứu địa hình kỹ thuật hiển thị 3D có u điểm bật so với phơng pháp nghiên cứu địa hình theo phơng pháp truyền thống nh tính trực quan tạo mô hình địa hình 3D máy tính đợc mô tả giống nh sa bàn đắp Đồng thời, toàn địa hình đợc quan sát hớng khác thao tác máy tính Các thông tin thay đổi địa hình đợc cập nhật thờng xuyên liệu mô hình số độ cao (DEM Digital Elevation Model) ảnh vệ tinh đợc cập nhật liên tục độ xác ngày nâng cao Bên cạnh đó, với sở lý thuyết tổ chức xử lý liệu thông tin lớn khả mô phơng án mô hình 3D đà đợc thực thời gian thực thông tin đợc cập nhật thông qua hệ thống mạng Internet, tiến tới xây dựng hệ thống thông tin địa lý không gian 3D (3D GIS) -2Trên giới nhà khoa học đà nghiên cứu sở lý thuyết ứng dụng kỹ thuật hiển thị 3D phục vụ nghiên cứu địa hình, xây dựng sở liệu 3D GIS, xây dựng thuật toán, phần mềm hiển thị địa hình 3D Hiện có nhiều phần mềm hiển thị 3D hÃng tiếng đợc nhập vào Việt Nam nh ArcGIS 3D Analyst, Spaceyes 3D, Skyline, GeoSpatial Kü thuËt hiÓn thị 3D ngày đợc phát triển ứng dụng mạnh mẽ công tác nghiên cứu địa hình giới Việt Nam Những u điểm vợt trội so sánh với phơng phát truyền thống đà đẩy mạnh việc ứng dụng tìm hiểu chất kỹ thuật Trên sở hiểu đợc sở lý thuyết kỹ thuật hiển thị 3D góp phần chọn lựa, đánh giá phần mềm phù hợp tiến tới xây dựng đợc phần mềm đáp ứng đợc nhu cầu xà hội Việt Nam Xuất phát từ thực tế đó, đà nhận đề tài ứng dụng kỹ thuật 3D phục vụ nghiên cứu địa hình Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài bao gồm nghiên cứu sở lý thuyết để hiển thị đối tợng 3D máy tính điện tử xây dựng số modul thử nghiệm Sử dụng liệu DEM, ảnh vệ tinh ASTER xây dựng mô hình địa hình 3D ứng dụng kỹ thuật hiển thị 3D nghiên cứu thực nghiệm địa hình khu vực Hoà Bình Chứng minh đợc u điểm kỹ thuật hiển thị 3D công tác nghiên cứu địa hình Đối tợng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tợng nghiên cứu đề tài sở lý thuyết hiển thị bề mặt cong 3D máy tính Phạm vi nghiên cứu đề tài nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hiển thị 3D phục vụ nghiên cứu bề mặt địa hình - 63 - Hình 3.14 : Cưa sỉ Profile cđa phÇn mỊm SpacEyes 3D 3.3.2.4 Chức xây dựng hoạt cảnh ( animation) Trong u điểm phần mềm hiển thị 3D phải kể đến khả quan sát đối tợng từ cao (Birds eyes view) Kết hợp với kỹ thuật ghi lại trình thay đổi điểm nhìn cách liên tục tạo đợc hoạt cảnh xem lại với phần mềm tơng ứng Các hệ thống hiển thị địa hình 3D có chức tạo hoạt cảnh Khả tạo đợc hoạt cảnh giúp cho việc nghiên cứu địa hình cách tốt có tác động bên nh lũ lụt, động đất, núi lửa, quy hoạch đô thịQuá trình xảy tợng đợc giả định mô hình 3D ghi lại thành đoạn phim Dựa vào quan sát trực quan thông số đa phán đoán định kịp thời Kỹ thuật tạo hoạt cảnh dựa nguyên lý tốc độ thay đổi hình ảnh 15 cảnh/giây tạo cho mắt ngời cảm giác cảnh vật đợc thay đổi - 64 liên tục Đờng di chuyển máy quay (camera) đợc thiết kế đờng cong trơn liên tục qua loạt điểm quan sát Hình 3.13: Đờng di chuyển máy quay Mỗi điểm quan sát đợc chọn xác định vị trí thời, hớng khoảng cách tiêu cự máy quay Đờng di chuyển máy quay hai điểm liên tục đợc nội suy phần mềm chơng trình Giả sử cần quy hoạch xây dựng khu nhà Trờng Công nghiệp Cơ giới thị xà Hoà Bình Sử dụng kỹ thuật hiển thị 3D chức hoạt cảnh để nghiên cứu vị trí phơng án bố trí khu nhà khu dân c thị xà Hoà Bình Các đối tợng 3D nh hình dạng khu nhà, vị trí cối, loại đợc sử dụng để xây dựng phơng án quy hoạch Vị trí, số tầng, độ cao khu nhà, vị trí bố trí cối xung quanh, loại thay đổi trực tiếp mô hình 3D Sau số hình ảnh phơng án: Hình 3.15 : Vị trí khu nhà nhìn từ cao khu dân c - 65 - Hình 3.16 : Quan sát khu nhà so với cảnh quan xung quanh Toàn phơng án quy hoạch đợc ghi lại dới dạng đoạn phim đợc xem lại phần mềm Window Media Player Phơng án quy hoạch đợc thể sinh động trực quan Từ đó, có định quy hoạch xây dựng hợp lý phù hợp víi c¶nh quan cđa khu vùc - 66 - Kết luận v kiến nghị Qua thời gian nghiên cứu thực đề tài ứng dụng kỹ thuật 3D phục vụ nghiên cứu địa hình có số kết luận kiến nghị nh sau: A Kết luận Phơng pháp nghiên cứu địa hình kỹ thuật hiển thị 3D có u điểm vợt trội so với phơng pháp nghiên cứu địa hình truyền thống sử dụng liệu dạng 2D bao gồm đồ địa hình dạng giấy dạng số, ảnh hàng không ảnh vệ tinh u điểm mà kỹ thuật hiển thị 3D đem lại tính trực quan tính liên tục cho địa hình Ngoài ra, liệu để hiển thị địa hình 3D bao gồm DEM ảnh vệ tinh thờng xuyên đợc cập nhật Vì vậy, thông tin địa hình đợc cập nhật nhanh chóng Khả kết hợp liệu khác cung cấp nhiều thông tin cho trình nghiên cứu địa hình nói chung Việc sử dụng th viện hỗ trợ đồ hoạ nh OpenGL tạo thuận lợi cho trình xây dựng đối tợng 3D từ đơn giản đến phức tạp Quá trình hiển thị đối tợng mặt cong dựa vào giải thuật Bezier BSpline đơn giản nhờ th viện đồ hoạ có sẵn OpenGL Hiện nay, nhiều phần mềm hiển thị địa hình 3D sử dụng hỗ trợ đồ hoạ OpenGL để xây dựng chơng trình nh phần mềm SpacEyes 3D đợc nghiên cứu luận văn Để hiển thị địa hình 3D sử dụng liệu DEM ¶nh vƯ tinh cđa mét khu vùc réng lín th× cần phải nghiên cứu đến toán chất lợng hiển thị tốc độ hiển thị Trên sở lý thuyết thuật toán để hiển thị đối tợng không gian chiều thờng đợc tính toán số thực nhng hiển thị hình số nguyên Do đó, để tăng tốc độ hiển thị th viện OpenGL thực tính toán hiển thị số nguyên Đồng thời, để giảm dung lợng nhớ để tăng tốc độ hiển thị cần phải phân cấp mức - 67 độ chi tiết (LOD) đối tợng hiển thị hình máy tính tuỳ thuộc vào khoảng cách tới vị trí quan sát Hiện nay, phần mềm hiển thị 3D thơng mại giới đợc xây dựng mức độ khác Đối với phần mềm có khả hiển thị địa hình 3D thờng đợc sử dụng miễn phí Đối với hệ thống phần mềm 3D có khả cập nhật, chỉnh sửa liệu, tra cứu thông tin đối tợng, kết hợp trao đổi thông tin thông qua mạng LAN mạng Internet có khả hiển thị liệu thời gian thực đòi hỏi chi phí cao b Kiến nghị nghiên cứu Nghiên cứu sở lý thuyết thuật toán hiển thị địa hình 3D sử dụng liệu DEM ảnh vệ tinh khu vực rộng Đồng thời, với phát triển kỹ thuật kết nối liệu qua mạng, cần phải có nghiên cứu sở lý thuyết trình hiển thị cập nhật liệu địa hình 3D thời gian thực thông qua mạng Internet Nghiên cứu việc kết hợp liệu nh GPS, GIS ảnh viễn thám mô hình 3D để nâng cao khả ứng dụng kỹ thuật hiển thị 3D lĩnh vực nghiên cứu tài nguyên môi trờng Nghiên cứu tổ chức liệu ứng dụng 3D GIS có sử dụng liệu DEM ảnh vệ tinh công tác mô phỏng, phân tích, dự đoán tợng thực tế - 68 - danh mục công trình tác giả Lê Minh Hằng, Nguyễn Đình Dơng (2008), ứng dụng công nghệ hiển thị không gian chiều phục vụ nghiên cứu địa hình, (Đà gửi xin đăng Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Đại học Mỏ - Địa chất) - 69 - Ti liệu tham khảo Phạm Văn ất ( 2006), Kỹ thuật lập trình C sở nâng cao, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội Nguyễn Đình Dơng (1998), Kỹ thuật phơng pháp viễn thám (Bài giảng cao học), Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Lê Tấn Hùng, Huỳnh Quyết Thắng (2004), Kỹ thuật đồ hoạ, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Lê Quý Thức (1987), Địa hình quân , Cục đồ BTTM K.A.Xalisep (Dịch giả Hoàng Phơng Nga, Nhữ Thị Xuân) (2006), Bản đồ học, NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội Stephen M Ervin, Hope H Hasbrouck (2001), Lanscape Modelling: Digital Techniques for Landscape Visualization, McGraw – Hill, NewYork ASTER User’s Guide Part III (2002), 3D Ortho Product (L3A01), ERSDAC Earth Remote Sensing Data Analysis Center øng dông Progressive Meshes (Internet) [online], URL: http://www.dohoavietnam.com LËp tr×nh OpenGL víi th− viƯn AUX (Internet) [online], URL : http://www.diendantinhoc.net/tute/laptrinh/c/opengl/ddth-opengl.doc 10 Giáo trình kiến thức đồ hoạ (Internet) [online], URL: http://www.ntu.edu.vn/bomon/mangtt/privateres/bomon/mangtt/file/baigiang/d ohoa/gt_ktdh.pdf.aspx 11 Commercial Terrain Visualization Software Product Information (Internet) [online], URL : http://www.tec.army.mil/TD/tvd/survey/survey_toc.html 12 MicroDEM (Internet) [online], URL : http://www.usna.edu/Users/oceano/pguth/website/microdem.htm 13 OpenGL Programming Guide (Internet) [online], URL : - 70 http://www.glprogramming.com/red/ 14 TerraExplorer (Internet) [online], URL : http://www.skylineglobe.com/SkylineGlobe/corporate/home/index.aspx 15 Terrain Visualization systems: Rapid Path to Terrain Understanding (Internet) [online], URL : http://www.wood.army.mil/ENGRMAG/PDFs%20for%20AprJun%2003/Bergman2print.pdf 16 ERMapper User Guide 17 SpacEyes3D Builder User’s Manual - 71 - Phô lôc - 72 #ifdef unix #include #else #include #include #include #include #include #include #include #endif //KHAI BAO TOA DO DIEM DIEU KHIEN GLfloat ctrlpoints[4][4][3] = { {{-7.5, -7.5, 10.0}, {-6.5, -8.5, 8.0}, {7.5, -7.5, -7.0}, {7.5, -7.5, 8.0}}, {{-7.5, -6.5, 7.0}, {-6.5, -6.5, 9.0}, {6.5, -6.5, 6.0}, {7.5, -6.5, -7.0}}, {{-7.5, 6.5, 10.0}, {-6.5, 6.5, 6.0}, {6.5, 6.5, 9.0}, {7.5, 6.5, 10.0}}, {{-7.5, 7.5, -8.0}, {-6.5, 7.5, -8.0}, {6.5, 7.5, 6.0}, {7.5, 7.5, -7.0}} }; //KHAI BAO TOA DO CUA ANH CHONG PHU GLfloat texpts[2][2][2] = {{{0.0, 0.0}, {0.0, 1.0}}, {{1.0, 0.0}, {1.0, 1.0}}}; //TAO NGUON SANG CHO VAT THE void initlights(void) { - 73 GLfloat ambient[] = {1.0, 0.0, 0.0, 1.0}; GLfloat position[] = {20.0, 20.0, 20.0, 1.0}; GLfloat mat_diffuse[] = {1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; GLfloat mat_specular[] = {1.0, 1.0, 1.0, 1.0}; GLfloat mat_shininess[] = {50.0}; glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_AMBIENT, ambient); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, position); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK, GL_DIFFUSE, mat_diffuse); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_SPECULAR, mat_specular); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_SHININESS, mat_shininess); } //VE VA HIEN THI MOT MAT CONG THEO GIAI THUAT BEZIER void bezier(void) { glRotatef(60.0,1.0,1.0,1.0); glMap2f(GL_MAP2_VERTEX_3, 0, 1, 3, 4, 0, 1, 12, 4, &ctrlpoints[0][0][0]); glEnable(GL_MAP2_VERTEX_3); glMapGrid2f(9,0.0,1.0,9,0.0,1.0); glEvalMesh2(GL_LINE,0,9,0,9); glShadeModel(GL_FLAT); - 74 - } //DOC DU LIEU TU FILE ANH #define imageWidth 64 #define imageHeight 64 GLubyte image[3*imageWidth*imageHeight]; void makeImage(void) { int i, j; FILE *fp; fp=fopen("Hoabinh.b1","rb"); for (i = 0; i