基于OpenGL 的高程图研究与应用

文/刘盛意 王志鹏 陈癸伶

在计算机图形学领域，三维

高程图显示是一个重要的研究方

向。地形三维建模及可视化技术

是是三维地理信息系统重要研究

内容, 它能使地理信息更直观、

更形象地展现在人们面前。本文

主要采用的是OpenGL 来对高程图

进行绘制，在未来的二次图像重

建技术方向有广阔的应用前景。

因此, 研究如何快速实现地形的

建模以及三维可视化就有非常重

要的意义。

摘 要

一般采用俯瞰视角，这样才能尽可能接近真实

地，自然地观看到地形的全貌。

接下来便是建立四叉树，后来的绘制和

纹理贴图都是基于这棵树，这棵树即要绘制的

地形。

刚才初始化的地形数据，被用来在绘制

地形，每当按下空格键，便会产生新的地形，

实际上是产生新的地形参数，然后这些参数被

实时调用，来绘制新的地形。

有了实时地形数据之后，便是绘制地形，

简单的可以理解为把网格上各个点或者说相邻

的点建立联系，进行平滑处理，高程颜色分类。

最重要的是，四叉树本身是递归树，所以在进

行网格数据处理时，是递归进行的，当处理的

网格元尺寸小到一定程度就不再进行递归，而

是直接当做最小单位来处理。对于距离客观世

界的观察视角比较远的网格元，递归的尺寸界

限适当调高，这样其实就是LOD 技术的实际

应用了。

当线框模式的地形绘制完成后，整个地

形就已经呈现出来了，凹凸不平的特点得以呈

现，而且接缝处进行了平滑。但还不真实，更

重要的是，还没有是实现高程图。最后的纹理

贴图实现了这两方面。根据不同的高度层，分

别进行纹理贴图处理，高海拔的地方，贴图颜

色就浅些，低海拔的地区，就用绿色渲染。这

样渲染出来的效果，基本接近真实地貌，而且

非常具有观赏性。

3 OpenGL高程图实现与应用

采用四叉树作为地形绘制的数据结构。

四叉树（Quad Tree）是一种很有名的树状数

据结构。四叉树划分，是通过递归的方法，将

一个矩形区域不断地进行一分为四的划分，直

到某一种条件得到满足为止。多分辨率地形模

型的四叉树构建过程为：把整个地形作为根节

点，从这个根节点出发，检查根节点是否满足

某种分割条件，若不满足，则不分割，并作为

叶子节点保存；否则，递归地把根节点不断地

分割成相等的四个子节点区域，直到不能再分

割为止。最后，将所有叶子节点绘制渲染。分

割的深度越大，得到的分辨率就会越高，即分

割深度每提高一层，采样密度提高一倍。在用

来描述地形的数据结构中，四叉树非常有效。

具体操作过程如下：

（1）初始化地形的最大、最小高度以及

地形的网格间距；

（2）打开一幅位图，计算出位图的高度

和宽度，以及地形的水平、垂直网格数，找出

位图的最大灰度值与最小灰度值；在这一步骤

中，需要注意的是，如果位图图像的宽或高有

冗余( 也就是位图的高度、宽度不是给定的网

格间距的整数倍)，则必须剪裁掉冗余的部分，

然后在重新计算实际用到的位图图像的宽和

高；

（3）建立位图的灰度值与地形高程的线

型映射关系；

（4）依据网格交点的灰度值以及线型映

射关系，求出对应于该点的地图的高程值；并

将其存储到两维数组中；

（5） 计算出各个顶点的法线， 利用

OpenGL 的显示技术。绘制地形的三角形面片。

本设计的程序，可以绘制不同地貌，不

同海拔高度的地形，模拟范围非常广。图1、

2 是几种典型的地貌模拟图。

对于即将到来的研究，有几个有趣的趋势

已经确定。其中，有希望的方向可以归纳如下：

第一，性能和交互性的程序方法将继续改善，

往往意味着对GPU 的并行编程。第二，有了

上述的算法作为支撑，在大数据下基于多种传

感器的二次图像重建技术将成为可能。

参考文献

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[4] 宋春玉. 基于Google Earth 绘制中小比

例尺高程图可行性研究[J]. 自动化学

报,2013(06).

作者单位

大连东软信息学院电子工程系 辽宁省大连市

116000

图1：远距离整体视图

图2：高海拔地区视图

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