学习在 C++ Builder 中可视化地形 3D 数据开发GIS地理信息系统软件

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-08-29 12:53 10阅读 0赞

![94256eecfce75c98cfdfdfbd443709af.png][]

您想学习如何可视化地形数据吗？我们如何查看 3D 功能？我们可以像 AI 中的激活函数一样在 3D 中显示特定功能吗？我们如何在 C++ 中创建 3D 地图？  
  
[地形数据][Link 1]是有关表面（通常是地球表面）高程的数据集。通常使用两种这样的数据类型，第一种是**数字地形数据**，表示通常在地形四边形地图上找到的信息，第二种是**数字地形模型 (DEM)**由数据网格组成。第一种数据模型，通常在四边形地形图上找到，例如等高线、道路、河流、铁路、城镇等。为简单起见，第一类数据将被称为数字地形图数据。第二种是数字高程模型或 DEM，由数据网格组成，网格中的每个单元格代表地球上某个点的高程。

[C++ Builder][C_ Builder] 很容易构建这些简单的可视化。C++ 是一种快速编程语言，您可以开发完全本机的应用程序，这些应用程序以机器的全速运行。您可以使用 OpenGL 或 Direct3D 库或其他一些 3rd 方 3D 引擎。在 [C++ Builder 中，][C_ Builder] 您可以直接创建自己的 3D 对象，您可以在运行时为它们设置动画。 C++ Builder FireMonkey 项目中的**Viewport3D** ( [TViewportd3D][] ) 组件可以很好地显示许多基本的 3D 对象，如平面、立方体、球体、圆锥、平面、Ellipse3D 等。请参阅这篇关于 [在现代 Windows C++ 开发中使用 3D 的文章以][Windows C_ _ 3D] 创建这些 3D 对象. 您还可以使用**Model3D**轻松地将 3D 对象加载到 Viewport3D ( [TModel3D][] )。

要创建要在**Viewport3D 中**使用的 3D 对象， 我们需要使用 **TMesh** 类。 [TMesh][]是一种自定义的 3D 形状，可以通过绘制 3D 形状进行自定义。它是一个从其祖先[TCustomMesh][]发布一组属性的类 ，以便让您在设计时从 IDE 中通过**Object Inspector**设计新的 3D 形状 。使用 [Data][] 属性指定每个点的点、法线和纹理，以及绘制生成的三角形的顺序。设计的形状填充有通过[MaterialSource][] 属性指定的 [材料][MaterialSource]。如果未指定材质，则形状填充为红色。

## **视口3D** ##

Viewport3D ( TViewport3D ) 是一个 3D 组件，用于在其空间中显示 3D 对象。 TViewport3D 实现了 [IViewport3D][] 方法来描述如何看到 3D 对象。开发一些小型 3D 游戏或在您的应用程序中添加一些 3D 功能真的很简单也很好。Viewport3D 是一个组件，用于显示相机的视口或默认视图。您可以在表单的任何位置安排它的位置、宽度和高度，也可以在客户端视图中使用它来进行全屏显示。我们可以在没有 3D 相机的情况下使用 viewport3D，它使用自己设计的相机视图。如果您想使用相机并希望从该相机的视图中查看视图，则必须从其属性或如下所示将其**UseDesignCamera**属性设置为 false；

Viewport3D1->UseDesignCamera=false;

您可以使用**BeginUpdate()**、**EndUpdate()**方法更新 Viewport3D 中的任何对象，如下所示；

Viewport3D1->BeginUpdate();
        // Move or set Objects, Cameras, Lights here
    Viewport3D1->EndUpdate();

这将一次性更新 Viewport3D 的完整 3D 矩阵。您还可以像这样更改此 Viewport3D 组件的**背景颜色**；

Viewport3D1->Color=claBlack;

## **TPlane 是做什么的？** ##

![d8423904af12173d13b66b2839361200.png][]

该 TPlane 在的Viewport3D组件中使用，它是一种类实现的2D平面，可以放置一个3D FireMonkey形式，它表示可以在3D形式使用2D平面。平面支持 3D 旋转和对齐。TPlane 是一个可视对象，可以从**Tool Palette**添加 。

Plane1->BeginUpdate();
       Plane1->Width=10;
       Plane1->Height=10;
     
       Plane1->SubDivisionsHeight=10;
       Plane1->SubDivisionsWidth=10;
     
       Plane1->Position->X=0;
       Plane1->Position->Y=0;
       Plane1->Position->Z=0;
     
       Plane1->Rotation->X=0;
       Plane1->Rotation->Y=0;
       Plane1->Rotation->Z=0;
     
       Plane1->MaterialSource =TextureMaterialSource1; //MaterialSources should be defined or dragged
    Plane1->EndUpdate();

我们可以使用TPlane来显示人脸的各个部分。但是使用 TMesh 设置 4 个角节点要简单得多。

## **TMesh 如何帮助我们进行可视化？** ##

使用 TMesh 显示 3D 地形数据。使用 TPlane 及其 4 个坐标可以显示 3D 面、3D 函数、3D 地面形状和任何其他数据。  
  
TMesh 表示可以自定义的 3D 形状。该**TMesh**类出版了一套从它的祖先，性能 [TCustomMesh][TCustomMesh 1]，为了让您在IDE中设计在设计时新的3D图形，通过 **对象观察**。

使用 [Data][Data 1] 属性指定每个点的点、法线和纹理，以及绘制生成的三角形的顺序。设计的形状填充有通过[MaterialSource][MaterialSource 1] 属性指定的 [材料][MaterialSource 1]。如果未指定材质，则形状填充为红色。

TMesh *mesh=new TMesh(Form1->Dummy1);
    mesh->Parent=Form1->Dummy1;
    // ....
     
     
    // when done free from the memory
    mesh->Free();

## **如何在 C++ 中生成地形数据** ##

在我们的示例中，我们将使用 TMesh 来显示表面，我们将使用数字高程模型 (DEM)。我们将使用 x 和 y 坐标及其 z 高程创建我们自己的数据。让我们先定义我们的 100×100 网格数据和一个 TMesh 对象。

#define GRIDSX 100
    #define GRIDSY 100
     
    double data[GRIDSX][GRIDSY];
    TMesh *mesh;

现在让我们生成一个数据。我们可以生成如下所示的随机数据，或者我们可以使用如下所示的 3D 函数。

void generate_topographic_data()
    {
     srand(time(0));
     
     float ev= 1.0;
     
     for(int j=0; j<GRIDSY; j++)
     for(int i=0; i<GRIDSX; i++)
     {
     data[i][j] = 0.005*(pow(i-GRIDSX*0.5,2)+pow(j-GRIDSY*0.5,2));
     }
     
    /*	for(int j=0; j<GRIDSY; j++)
     for(int i=0; i<GRIDSX; i++)
     {
     if(rand()%5==1) data[i][j]+= (50-rand()%100)/100.0;
     }
     */
     
    }

## **从数据生成地形 3D 网格** ##

我们可以从网格数据中生成 4 个点的网格的每个平面，每个点都有 x、y、z，我们可以缩放它以获得更好的可视化。下面看看它是如何工作的，

void generate_topographic_mesh()
    {
     TPoint3D P0,P1,P2,P3;
     int NP=0, NI=0;
     float scale =2, scaleZ=2.0;
     
     float OX = GRIDSX*scale/2;
     float OY = GRIDSY*scale/2;
     
     if(mesh!=NULL) mesh->Free();
     
     mesh=new TMesh(Form1->Dummy1);
     mesh->Parent=Form1->Dummy1;
     
     mesh->Width=1;
     mesh->Height=1;
     mesh->Depth=1;
     
     mesh->Position->X=0;
     mesh->Position->Y=0;
     mesh->Position->Z=0;
     
     mesh->Scale->X=1;
     mesh->Scale->Y=1;
     mesh->Scale->Z=1;
     
     mesh->RotationAngle->X=0;
     mesh->RotationAngle->Y=0;
     mesh->RotationAngle->Z=0;
     
     mesh->RotationCenter->X=0;
     mesh->RotationCenter->Y=0;
     mesh->RotationCenter->Z=0;
     
     mesh->WrapMode=TMeshWrapMode::Original;
     mesh->TwoSide=true;
     mesh->Visible=true;
     mesh->Opacity=1.0;
     
     mesh->Data->Clear();
     mesh->Data->VertexBuffer->Length=4*GRIDSX*GRIDSY;
     mesh->Data->IndexBuffer->Length= 6*GRIDSY*GRIDSY;
     
     
     for(int j=0; j<GRIDSY-1; j++)
     for(int i=0; i<GRIDSX-1; i++)
     {
        P0.X = i*scale-OX;
        P0.Y = data[i][j]*scaleZ;
        P0.Z = j*scale-OY;
     
        P1.X = (i+1)*scale-OX;
        P1.Y = data[i+1][j]*scaleZ;
        P1.Z = j*scale-OY;
     
        P2.X = (i+1)*scale-OX;
        P2.Y = data[i+1][j+1]*scaleZ;
        P2.Z = (j+1)*scale-OY;
     
        P3.X = i*scale-OX;
        P3.Y = data[i][j+1]*scaleZ;
        P3.Z = (j+1)*scale-OY;
     
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+0] = P0;
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+1] = P1;
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+2] = P2;
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+3] = P3;
     
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+0] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+1] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+2] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+3] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
     
        //mesh->Data->Normals=".....";
     
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+0] =NP+0;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+1] =NP+2;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+2] =NP+1;
     
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+3] =NP+0;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+4] =NP+3;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+5] =NP+2;
     
        NP+=4;
        NI+=6;
     }
     
     mesh->MaterialSource=Form1->LightMaterialSource1;
     mesh->Data->CalcFaceNormals(true);
     mesh->Repaint();
    }

## **地形 3D 网格的完整示例** ##

这是完全最大化的 C++ Builder FMX 示例的屏幕截图。这里我们有 100×100 的网格和一个功能高度。

![学习在 C++ Builder 中可视化地形 3D 数据 - 3D 网格的完整示例][C_ Builder _ 3D _ - 3D]

如果我们使用上面的generate\_topographic\_data()的remmed行随机生成数据，我们可以看到这一点。

![1ff78062dc3e2b42e1f7ce5a93624cf4.png][]

下面列出了这个例子的全部代码，

//---------------------------------------------------------------------------
     
    #include <fmx.h>
    #include <time.h>
     
    #pragma hdrstop
     
    #include "DataVisualization3D_TopographicData_Unit1.h"
    //---------------------------------------------------------------------------
    #pragma package(smart_init)
    #pragma resource "*.fmx"
    TForm1 *Form1;
     
    #define GRIDSX 100
    #define GRIDSY 100
     
    double data[100][100];
    TMesh *mesh;
    float LX,LY;
    bool rotation=false;
     
    //---------------------------------------------------------------------------
    __fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)  : TForm(Owner)
    {
    }
    //---------------------------------------------------------------------------
    void generate_topographic_data()
    {
     srand(time(0));
     
     float ev= 1.0;
     
     for(int j=0; j<GRIDSY; j++)
     for(int i=0; i<GRIDSX; i++)
     {
     data[i][j] = 0.005*(pow(i-GRIDSX*0.5,2)+pow(j-GRIDSY*0.5,2));
     }
     
     //for(int ev=0; ev<5; ev++)
     
    /*	for(int j=0; j<GRIDSY; j++)
     for(int i=0; i<GRIDSX; i++)
     {
     if(rand()%5==1) data[i][j]+= (50-rand()%100)/100.0;
     }
     */
     
    }
    //---------------------------------------------------------------------------
    void generate_topographic_mesh()
    {
     TPoint3D P0,P1,P2,P3;
     int NP=0, NI=0;
     float scale =2, scaleZ=2.0;
     
     float OX = GRIDSX*scale/2;
     float OY = GRIDSY*scale/2;
     
     if(mesh!=NULL) mesh->Free();
     
     mesh=new TMesh(Form1->Dummy1);
     mesh->Parent=Form1->Dummy1;
     
     mesh->Width=1;
     mesh->Height=1;
     mesh->Depth=1;
     
     mesh->Position->X=0;
     mesh->Position->Y=0;
     mesh->Position->Z=0;
     
     mesh->Scale->X=1;
     mesh->Scale->Y=1;
     mesh->Scale->Z=1;
     
     mesh->RotationAngle->X=0;
     mesh->RotationAngle->Y=0;
     mesh->RotationAngle->Z=0;
     
     mesh->RotationCenter->X=0;
     mesh->RotationCenter->Y=0;
     mesh->RotationCenter->Z=0;
     
     mesh->WrapMode=TMeshWrapMode::Original;
     mesh->TwoSide=true;
     mesh->Visible=true;
     mesh->Opacity=1.0;
     
     mesh->Data->Clear();
     mesh->Data->VertexBuffer->Length=4*GRIDSX*GRIDSY;
     mesh->Data->IndexBuffer->Length= 6*GRIDSY*GRIDSY;
     
     
     for(int j=0; j<GRIDSY-1; j++)
     for(int i=0; i<GRIDSX-1; i++)
     {
        P0.X = i*scale-OX;
        P0.Y = data[i][j]*scaleZ;
        P0.Z = j*scale-OY;
     
        P1.X = (i+1)*scale-OX;
        P1.Y = data[i+1][j]*scaleZ;
        P1.Z = j*scale-OY;
     
        P2.X = (i+1)*scale-OX;
        P2.Y = data[i+1][j+1]*scaleZ;
        P2.Z = (j+1)*scale-OY;
     
        P3.X = i*scale-OX;
        P3.Y = data[i][j+1]*scaleZ;
        P3.Z = (j+1)*scale-OY;
     
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+0] = P0;
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+1] = P1;
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+2] = P2;
        mesh->Data->VertexBuffer->Vertices[NP+3] = P3;
     
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+0] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+1] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+2] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
        mesh->Data->VertexBuffer->TexCoord0[NP+3] =PointF(0, (P0.Y+35)/45);
     
        //mesh->Data->Normals=".....";
     
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+0] =NP+0;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+1] =NP+2;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+2] =NP+1;
     
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+3] =NP+0;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+4] =NP+3;
        mesh->Data->IndexBuffer->Indices[NI+5] =NP+2;
     
        NP+=4;
        NI+=6;
     }
     
     mesh->MaterialSource=Form1->LightMaterialSource1;
     mesh->Data->CalcFaceNormals(true);
     mesh->Repaint();
    }
     
    void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
    {
     generate_topographic_data();
     generate_topographic_mesh();
     Viewport3D1->Repaint();
    }
    void __fastcall TForm1::Viewport3D1MouseDown(TObject *Sender, TMouseButton Button,   TShiftState Shift, float X, float Y)
    {
     LX=X; LY=Y; rotation=true;
    }
    //---------------------------------------------------------------------------
     
    void __fastcall TForm1::Viewport3D1MouseUp(TObject *Sender, TMouseButton Button, TShiftState Shift,   float X, float Y)
    {
     rotation=false;
    }
    //---------------------------------------------------------------------------
    void __fastcall TForm1::Viewport3D1MouseMove(TObject *Sender, TShiftState Shift, float X,  float Y)
    {
     if(rotation)
     {
     Dummy1->RotationAngle->X=(Y-LY)*0.4;
     Dummy1->RotationAngle->Y=(LX-X)*0.4;
     }
    }
    //---------------------------------------------------------------------------

正如这里给出的，您可以生成自己的 3D 地形，您可以在此网格上添加纹理，[颈椎枕][Link 2]还可以为河流和山脉等创建不同的纹理网格。您可以创建颜色纹理，您可以用颜色显示高程。您可以使用此方法来显示您的函数，即人工智能中的激活函数。您可以开发具有随机或精心设计的地形图的 3D 游戏，如上例所示。请注意，互联网上有很多地形数据。例如，您可以从[https://opentopography.org/][https_opentopography.org]获取此类数据  
  
[C++ Builder][C_ Builder]真的很棒，您的梦想没有限制！只是梦想和编码！

### **[Clang：下载 C++Builder 并用更少的代码以 10 倍的速度构建 Windows C++ 应用程序][C_ Builder]** ###

[![0e81c8a8d2906e112b57a46222df3001.png][]][C_ Builder]

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### **[GCC：安装 Embarcadero Dev-C++，这是一个低内存 Windows Native C++ IDE][GCC_ Embarcadero Dev-C_ Windows Native C_ IDE]** ###

[![f1d02c177808dd56e64ce2b12f57d602.png][]][GCC_ Embarcadero Dev-C_ Windows Native C_ IDE]

[94256eecfce75c98cfdfdfbd443709af.png]: /images/20220829/d089ae29fede43b5833173c373959b25.png
[Link 1]: https://serc.carleton.edu/research_education/geopad/topographic_data.html
[C_ Builder]: https://www.embarcadero.com/products/cbuilder
[TViewportd3D]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Rio/en/FMX.Viewport3D.TViewport3D
[Windows C_ _ 3D]: https://learncplusplus.org/learn-about-working-with-3d-in-modern-windows-c-development/
[TModel3D]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Syndey/en/FMX.Objects3D.TModel3D
[TMesh]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Sydney/en/FMX.Objects3D.TMesh
[TCustomMesh]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Rio/en/FMX.Objects3D.TCustomMesh
[Data]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Rio/en/FMX.Objects3D.TMesh.Data
[MaterialSource]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Rio/en/FMX.Objects3D.TMesh.MaterialSource
[IViewport3D]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Rio/en/FMX.Controls3D.IViewport3D
[d8423904af12173d13b66b2839361200.png]: /images/20220829/66773234bd4643bfa4e6c1509d3ea1bb.png
[TCustomMesh 1]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Sydney/en/FMX.Objects3D.TCustomMesh
[Data 1]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Sydney/en/FMX.Objects3D.TMesh.Data
[MaterialSource 1]: http://docwiki.embarcadero.com/Libraries/Sydney/en/FMX.Objects3D.TMesh.MaterialSource
[C_ Builder _ 3D _ - 3D]: /images/20220829/0a6190f0fc8346a9b72632f20d281d1d.png
[1ff78062dc3e2b42e1f7ce5a93624cf4.png]: /images/20220829/503aa94e49754588b81eabbc5f6f3b19.png
[Link 2]: http://www.taishanlaofu.com
[https_opentopography.org]: https://opentopography.org/
[0e81c8a8d2906e112b57a46222df3001.png]: /images/20220829/1e9dc8d3b37a4baaaf885aca2bc20b82.png
[GCC_ Embarcadero Dev-C_ Windows Native C_ IDE]: https://www.embarcadero.com/free-tools/dev-cpp/free-download
[f1d02c177808dd56e64ce2b12f57d602.png]: /images/20220829/9b2682cf58fd48348dce3563c7b998ad.png