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全球大规模虚拟地理环境构建关键技术研究

作　者: 蒋杰
导　师: 吴玲达
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 虚拟地理环境并行小波处理地形匹配 GPU加速绘制可见性剔除地理分析模型
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着数字地球战略思想的提出并付诸实施,构建面向全球的虚拟地理环境基础平台已成为国家安全、国土资源管理、城市规划与信息化、农林应用、危机处理、灾情监控等大型应用领域的迫切需求。然而,随着遥感技术和空间技术的迅速发展,地理数据的来源越来越多,数据量呈几何增长。如何高效处理、组织与发布全球尺度急剧增加的海量多源地理数据,并实现逼真、流畅的实时三维表现成了亟待进一步解决的研究课题。同时,三维地理环境应用以来,人们已经越来越不满足于只是进行各种信息的简单的三维可视化,全球范围非特定区域的地理空间分析乃至辅助决策已经成为一个非常迫切的需求。为解决上述问题,本文重点研究了全球范围的海量栅格信息处理与组织发布、多尺度矢量数据组织与环境增强、全球地形环境的高效绘制,地理分析模型建模与表现等构建全球大规模虚拟地理环境的关键技术。具体而言,论文的主要工作和贡献体现在以下几个方面：●提出了一种基于并行处理的全球多尺度海量栅格数据组织与发布方法。为解决全球多尺度海量栅格数据的高效处理、组织、调度及面向多应用的数据共享服务等问题,提出了一种基于并行小波处理和有序四叉树结构的全球海量栅格数据金字塔模型构建方法。通过设计全球数据一致性编码规则以及可映射至机器位运算的层次调度机制,以提高海量数据的调度效率；通过分析小波算法的可并行性以及多处理机逻辑拓扑间的数据传递机制,提出了基于多处理器并行计算的多分辨率模型构建方法,以提高海量数据的预处理效率；通过设计按需服务的海量栅格数据管理发布引擎,构建了可扩展的数据发布一致性接口,解决了异构的多客户端系统的并发访问问题,以提高全球海量栅格数据的通用服务能力。●提出了一种矢量数据的多分辨率模型构建、组织及三维可视化方法。提出了一种基于数据简化与层次分块的矢量静态多分辨率层次组织方法和基于视点变化与屏幕误差度量的矢量动态多分辨率层次构建与调度方法,通过两级分辨率模型解决矢量简化问题,实现了场景缩放时的平滑过渡,较好地解决了矢量数据量大与计算机实时处理能力有限的矛盾,能够满足大规模矢量数据三维可视化系统实时绘制需求；针对GIS矢量数据可视化过程中与三维地形的无缝集成问题,结合矢量所代表地物的特性,提出了地物匹配地形和地形匹配地物两种匹配方法,进一步提升了矢量数据的可视化效果。●提出了一种基于GPU的全球海量地形实时绘制算法。针对海量地形数据的特点,充分挖掘GPU的高速并行绘制能力,提出了中心偏移的Geometry Clipmap算法,并结合全球栅格数据多分辨率金字塔模型,采用渐进纹理更新技术,并引入Geometry Instancing技术进一步提升地形渲染速度,将大量的计算过程移植到GPU上面,以减少CPU的计算压力,满足大规模地形可视化的实时渲染要求；针对全球地形绘制的特点,充分考虑了地球曲率和地形起伏对绘制过程的影响,引入了距离系数的概念,对传统的可见性剔除算法进行了改进,进一步减小了海量数据的绘制负担,提高了系统绘制效率及响应速度。●提出了两种典型的地理分析模型及其可视化方法。为增强虚拟地理环境基础平台辅助分析与决策支持能力,针对危机处理、灾情监控等应用领域的典型需求,提出了基于体积法及递归搜索的洪灾演进模型,实现了对给定水位的有源淹没情况下,洪水淹没连通区域的搜索计算及洪灾在空间中推进的动态行为；提出了基于改进RIMPUFF算法的核扩散模型,综合考虑了风场、干沉积和核素放射性衰变等因素的影响,实现了复杂地形、复杂环境条件下的核素扩散过程的动态可视化分析。●设计并实现了一个全球大规模虚拟地理环境原型系统-GVGE。综合前面的各项相关技术的研究工作和算法实践,建立了可扩充的具备可视化分析能力的全球大规模虚拟地理环境原型系统GVGE,该系统不仅是一个集成研究成果、展示具体功能的实验系统,而且是一个支持多种场景数据的组织与管理,可以多种方式对大规模复杂场景进行交互漫游的应用平台。同时,作为虚拟战场环境的重要基础平台,该原型系统在相关项目中得到了应用。

全文目录

摘要  13-15
Abstract  15-18
第一章绪论  18-32
  1.1 研究背景  18-20
    1.1.1 问题的提出  18-19
    1.1.2 课题研究的意义  19-20
  1.2 国内外研究现状  20-28
    1.2.1 三维地理信息系统的发展  20-22
    1.2.2 大规模栅格数据组织  22-25
    1.2.3 三维虚拟环境中矢量数据的可视化  25-26
    1.2.4 大规模三维地形场景建模与实时绘制  26-28
  1.3 本文的主要工作  28-30
  1.4 论文的组织  30-32
第二章全球多尺度海量栅格数据并行处理与组织发布  32-59
  2.1 全球多尺度海量栅格数据组织管理  33-38
    2.1.1 海量栅格数据的分块组织  33-36
    2.1.2 全球栅格数据金字塔模型  36-38
  2.2 基于并行小波算法的海量栅格数据多分辨率模型构建  38-43
    2.2.1 二维离散小波变换及Mallat算法  39-40
    2.2.2 小波变换的可并行性分析  40-41
    2.2.3 海量栅格数据多分辨率模型生成  41-43
  2.3 海量栅格数据索引调度  43-51
    2.3.1 栅格数据的索引设计  43-45
    2.3.2 栅格数据的调度机制  45-51
  2.4 按需服务的全球海量栅格数据管理发布引擎设计  51-56
    2.4.1 基于ISAPI的WEB发布  52-55
    2.4.2 通用平台接口的实现  55-56
  2.5 实验结果及分析  56-58
  2.6 本章小结  58-59
第三章基于矢量数据的大规模虚拟环境增强技术  59-81
  3.1 大规模GIS矢量数据多分辨率组织与调度  60-67
    3.1.1 GIS矢量数据结构与存储格式  60-61
    3.1.2 多分辨率GIS矢量数据模型构建基础  61-65
    3.1.3 多分辨率GIS矢量数据模型构建与调度  65-67
  3.2 GIS矢量数据三维可视化方法  67-77
    3.2.1 GIS矢量数据三维可视化框架  67-68
    3.2.2 GIS矢量数据建模与地形匹配  68-72
    3.2.3 地形匹配中影响域的计算及叠加  72-74
    3.2.4 利用矢量数据三维建模  74-77
  3.3 实验结果及分析  77-80
  3.4 本章小结  80-81
第四章基于GPU的全球地形环境实时绘制  81-111
  4.1 基于改进Geometry Clipmap算法的海量地形实时绘制  81-99
    4.1.1 经典LOD算法分析  81-86
    4.1.2 Geometry Clipmap算法  86-90
    4.1.3 改进Geometry Clipmap算法的高效实现  90-99
  4.2 数字地球上的可见性剔除算法  99-105
    4.2.1 数字地球上的视域剔除算法  99-103
    4.2.2 数字地球上的遮挡剔除算法  103-104
    4.2.3 算法步骤  104-105
  4.3 海量地形数据预取与调度  105-107
  4.4 实验结果与分析  107-109
  4.5 本章小结  109-111
第五章地理分析模型构建与表现  111-133
  5.1 地理分析模型概述  111-114
  5.2 基于体积法及递归探测的洪灾演进建模与表现  114-122
    5.2.1 对水灾的淹没分析和概化  115-116
    5.2.2 洪灾演进模型的设计思路  116-117
    5.2.3 建立格网模型  117-118
    5.2.4 "体积法"洪水淹没范围模拟计算  118-120
    5.2.5 搜索连通区域  120-122
  5.3 基于改进RIMPUFF模型的核扩散建模与表现  122-128
    5.3.1 核扩散模型  122-126
    5.3.2 核扩散动态过程的可视化  126-128
  5.4 实验结果与分析  128-132
  5.5 本章小结  132-133
第六章原型系统的设计与实现  133-146
  6.1 任务背景  133-134
  6.2 GVGE系统的设计  134-135
    6.2.1 GVGE系统框架  134
    6.2.2 系统的功能设计  134-135
  6.3 GVGE系统的实现  135-141
    6.3.1 场景生成管理子系统  136-137
    6.3.2 数据发布引擎子系统  137-138
    6.3.3 态势交互表现子系统  138-139
    6.3.4 灾害影响分析子系统  139-141
  6.4 系统应用验证  141-145
  6.5 本章小结  145-146
第七章结束语  146-149
  7.1 本文的主要贡献  146-147
  7.2 进一步工作展望  147-149
致谢  149-150
参考文献  150-162
攻读博士学位期间发表论文与参与的科研项目  162-163

全球大规模虚拟地理环境构建关键技术研究

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