在数字地形建模与三维地理可视化领域，高程数据的获取与处理一直是核心挑战。HeyWhatsThat 作为一个知名的在线地形分析平台，其背后依赖的 SRTM（航天飞机雷达地形测绘任务）数据集为公众提供了覆盖全球的开放高程信息。然而，将这类数据应用于离线环境、并支持多种坐标参照系（Coordinate Reference System, CRS）的三维地形引擎，涉及从数据解析、坐标转换到实时渲染的一系列工程问题。本文旨在探讨基于 HeyWhatsThat SRTM 数据，设计并实现一个支持多 CRS 的离线三维地形引擎，重点阐述数据流水线、瓦片管理和视锥体剔除等关键技术环节。
1. SRTM 数据解析与 HeyWhatsThat 数据接口
SRTM 数据由 NASA 发布，提供约 30 米（美国地区）和 100 米（全球其他地区）水平分辨率的高程信息，垂直分辨率为 1 米。HeyWhatsThat 并未直接开源其内部处理代码，但通过技术文档公开了数据接口与格式细节。其高程数据可通过 API 获取为 CSV 格式，或直接读取原始的 SRTM 文件。
SRTM 文件以 1 度 ×1 度的网格组织，文件名遵循 “方向 + 纬度 + 方向 + 经度” 的规则，如S10W012.hgt表示西南角位于 10°S、12°W 的网格。每个文件包含 3601×3601 个采样点（对于 1 角秒分辨率），数据格式为 16 位有符号整数、大端序，其中 - 32768 标记数据空洞（如水域或缺失区域）。HeyWhatsThat 的技术 FAQ 中提供了一段 C 代码示例，展示了如何根据经纬度计算文件偏移并读取高程值。该示例指出 “第一行数据对应网格的西北角，随后按经度增加方向排列，直至东北角，再回到西侧下一纬度线”。这种布局要求读取时准确计算行列索引。
2. 多 CRS 处理流水线设计
在多 CRS 环境下，坐标操作分为 ** 变换（Transformation）与转换（Conversion）** 两类。变换用于不同基准面（Datum）之间的坐标映射，通常采用 7 参数赫尔默特变换，其参数需通过公共点对拟合获得；转换则是在同一基准面下不同坐标系统间的映射，如地理坐标与投影坐标之间的转换。CRS-EU 的文档强调，变换参数的符号与旋转顺序存在多种约定，实现时必须与数据源保持一致。
引擎的离线处理流水线设计如下：
- CRS 识别：读取输入数据附带的 CRS 元数据（如 EPSG 代码）。
- 基准面变换：若源 CRS 与目标基准面不同，应用 7 参数赫尔默特变换将坐标转换到 WGS84 基准面。
- 投影转换：将地理坐标（经纬高）转换为目标投影坐标（如需要）。
- 统一空间转换：将所有坐标转换到地心地固坐标系（ECEF），作为引擎内部统一的世界空间。ECEF 以地球质心为原点，X 轴指向本初子午线与赤道交点，Z 轴指向北极，Y 轴构成右手系。该空间避免了投影变形，便于全局三维计算。
- 局部坐标系建立：为每个地形瓦片创建局部东 - 北 - 天（ENU）坐标系，原点位于瓦片中心，用于存储顶点数据、计算法线与进行视锥体剔除，以提高数值稳定性。
3. 瓦片系统与裂缝处理
地形瓦片采用四叉树结构组织，叶子节点对应不同层次细节（LOD）。瓦片划分基于地理坐标进行，确保每个瓦片在投影后仍保持规则的网格结构。在瓦片生成阶段，顶点坐标从 ECEF 转换到局部 ENU 空间，并计算轴对齐包围盒（AABB）用于后续剔除。
裂缝是 LOD 切换时的常见问题。当相邻瓦片处于不同细节级别时，边界顶点位置可能不匹配，导致视觉裂缝。解决方案包括：
- 强制共享边界顶点：在瓦片生成时固定边界上的顶点位置，确保相邻瓦片在相同位置使用同一顶点。
- 裙边（Skirt）技术：沿瓦片边界向下延伸一层三角形，遮盖可能出现的缝隙。
- 渐变过渡：在 LOD 边界附近使用着色器渐变混合不同细节的几何，实现平滑过渡。
4. 视锥体剔除在局部空间的实现
视锥体剔除是提升渲染性能的关键。传统做法是在世界空间（ECEF）中计算视锥体平面，并测试瓦片的包围球或包围盒。然而，ECEF 空间数值范围大（坐标值可达数百万米），直接计算可能带来精度损失。更稳健的方法是将视锥体平面变换到每个瓦片的局部 ENU 空间，然后在局部空间中进行 AABB 测试。
具体步骤为：
- 根据相机视图与投影矩阵，提取世界空间中的 6 个视锥体平面方程。
- 对于每个瓦片，计算从世界空间到局部空间的变换矩阵的逆矩阵。
- 将视锥体平面方程变换到局部空间（平面法向量需使用逆转置矩阵变换）。
- 在局部空间中测试瓦片 AABB 与视锥体平面的相交关系，若完全在外则剔除，若完全在内则全部保留，若相交则递归测试其子瓦片（若存在）。
此方法将大量计算分散到每个瓦片，但通过矩阵预计算与层次化测试，仍可保持高效。对于大规模地形，还可考虑将瓦片包围盒信息上传至 GPU，通过计算着色器进行并行剔除。
5. 工程实践要点
5.1 离线预处理
所有 CRS 变换、投影转换、瓦片划分与顶点计算均在离线阶段完成。预处理流水线输出序列化的瓦片数据文件，包含局部坐标顶点、索引、法线、纹理坐标及元数据（如包围盒、LOD 级别）。此步骤可借助 GDAL 等地理数据处理库进行坐标转换，或自行实现核心变换公式。
5.2 运行时加载与缓存
运行时引擎按需加载瓦片。根据视点位置与视线方向，通过四叉树快速定位所需瓦片，检查内存与磁盘缓存，异步加载缺失数据。采用 LRU 策略管理缓存，确保内存占用可控。
5.3 空洞与边界处理
SRTM 数据中的空洞值（-32768）需在预处理时进行插值（如邻近像素平均）或标记为特殊区域，在渲染时可通过着色器识别并处理（如渲染为水面）。瓦片边界处的数据需从相邻文件读取，确保连续性。
5.4 性能监控与调试
在开发阶段，应实时显示渲染统计信息：加载瓦片数量、剔除瓦片数量、三角形数量、帧时间等。可视化调试工具可绘制视锥体、瓦片包围盒、LOD 级别颜色编码，帮助快速定位性能瓶颈与渲染异常。
6. 总结
基于 HeyWhatsThat SRTM 数据构建离线多 CRS 地形引擎，是一项融合地理信息处理与实时图形学的系统工程。从 SRTM 文件解析到多 CRS 坐标变换，从瓦片四叉树管理到局部空间视锥体剔除，每个环节都需要仔细设计以实现精度与性能的平衡。本文概述的技术方案提供了一条可行的实现路径，但实际应用中仍需根据具体需求调整，例如支持更多 CRS 类型、集成矢量数据、实现动态光照与阴影等。随着开源地理数据与图形硬件的持续发展，离线地形引擎将在模拟训练、地理分析、游戏开发等领域发挥更大价值。
参考资料
- HeyWhatsThat Technical FAQ – 详细说明了 SRTM 文件格式、墨卡托投影公式及数据读取示例代码。
- CRS-EU: Changing of Coordinate Reference Systems – 系统阐述了坐标变换（7 参数赫尔默特变换）与坐标转换的区别与实现方法。