面向虚拟城市的三维空间数据引擎设计与实现

论文摘要

空间数据具有关系复杂、非结构化、数据量大、多比例尺、随时间变化等特点。如何实现海量空间数据的管理、共享与高效访问是有效应用空间数据的关键问题。随着虚拟现实、地理信息系统等领域学科的迅速发展,各种虚拟城市相关的三维空间数据在城市规划、仿真训练、应急指挥、智能信息系统等领域得到了广泛应用,同时,也对软件系统的空间数据调度、存取效率提出了极高的要求。本论文以面向虚拟城市的空间数据索引、海量数据高效调度模型等空间数据引擎关键技术为研究对象;以构建行之有效的三维空间数据引擎为目标;以实现虚拟城市中海量异构空间数据的高效查询与传输方法为主要研究内容;采用从空间索引算法研究、设计、实现,到内外存交换策略与I/O加速方法研究,再到系统无缝集成的技术路线,对面向虚拟城市的三维空间数据引擎进行了设计与实现,并根据研究成果进行三维空间数据引擎在虚拟地理信息系统VR-GIS平台中的集成与应用。论文的主要工作及所取得的研究成果如下:（1）基于Cell-Rtree的三维空间数据高效索引与存储方法本文通过分析面向虚拟城市的三维空间数据的特点,提出了适用于虚拟城市三维空间数据的Cell-Rtree索引方法,并结合Hilbert空间填充曲线对空间数据的存储结构进行了优化,提高了数据的索引和存储效率。实验结果表明,在虚拟城市应用环境下Cell-Rtree索引与R-tree、四叉树等传统索引方法相比具有更高的空间查询效率和空间利用率。（2）面向虚拟城市的高性能数据服务模型设计本文针对虚拟城市平台需要承载海量三维空间数据的特点,基于Cell‐Rtree空间索引,利用Out‐of‐core技术和IOCP分发机制实现了对百GB数量级三维空间数据的承载与实时调度能力,构建了高效的空间数据引擎数据服务模型,解决了虚拟城市平台中海量空间数据传输的效率问题。?（3）空间数据引擎性能优化方法针对空间数据访问的突发性、离散性,以及在访问过程中需要占用大量的内存、CPU等硬件资源的特点。本文对空间数据索引和内外存数据调度时的系统性能进行了分析,通过建立线程池、内存池和I/O队列管理等方法提升了空间数据引擎的整体性能。（4）面向虚拟城市的空间数据引擎与VR-GIS平台的无缝集成本文实现了面向虚拟城市的三维空间数据引擎在VR-GIS平台中的无缝集成,基于空间数据引擎实现了一套面向城市/区域级大场景的虚拟地理信息系统。借助空间数据引擎对海量空间数据的高效索引与调度能力,突破了VR-GIS平台在海量数据承载与实时调度等方面的技术瓶颈,实现了空间数据引擎与虚拟城市应用的有效结合,为空间数据引擎的推广与应用提供了范例和参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 虚拟城市与空间数据引擎发展现状
• 1.2.1 虚拟城市平台应用与发展现状
• 1.2.2 空间数据引擎发展现状
• 1.3 课题研究内容与意义
• 1.3.1 课题研究内容
• 1.3.2 课题研究意义
• 1.4 论文组织结构
• 2 面向虚拟城市的三维空间数据引擎架构
• 2.1.1 插件式软件体系架构
• 2.1.2 三维空间数据引擎架构
• 2.1.3 相关实现技术
• 3 面向虚拟城市的 Cell-Rtree 空间数据索引算法
• 3.1 多维空间数据索引算法
• 3.2 面向虚拟城市的多维空间数据分析
• 3.3 三维空间数据引擎数据索引算法研究
• 3.3.1 面向虚拟城市的三维空间数据索引总体设计
• 3.3.2 Cell-Rtree 空间索引设计与实现
• 3.3.3 基于Hilbert 曲线的存储优化算法
• 3.4 实验结果与分析
• 4 三维城市模型空间数据引擎数据服务模型设计与实现
• 4.1 面向虚拟城市的内外存交换策略
• 4.1.1 内外存交换模型设计
• 4.1.2 引用计数与延迟请求策略
• 4.1.3 预读判断与缓存算法
• 4.2 空间数据引擎I/O Server 设计与实现
• 4.2.1 基于IOCP 的异步I/O 服务模型
• 4.2.2 线程池与内存池设计
• 4.2.3 I/O 队列管理
• 4.2.4 高性能并发处理
• 4.3 实验结果与分析
• 5 面向虚拟城市的空间数据引擎与 VR-GIS 平台无缝集成
• 5.1 面向城域仿真的VR-GIS 平台
• 5.2 三维空间数据引擎与VR-GIS 平台的无缝集成
• 5.2.1 三维渲染引擎与空间数据引擎集成
• 5.2.2 空间数据存储与访问服务集成
• 5.3 系统应用测试
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表论文与研究成果
• 参加项目情况