全球多分辨率地形环境仿真技术研究

论文摘要

海量地形数据的实时绘制技术在三维地理信息系统、仿真系统、虚拟现实系统和三维游戏等领域中占有十分重要的地位。随着遥感技术、卫星技术以及计算机技术的快速发展,人们希望能够观察到全球多分辨率的三维地形,这对地形的实时绘制提出了更高的要求。本文以全球数字高程模型以及高分辨率卫星影像作为数据源,重点对全球多分辨率地形环境仿真的理论、技术与方法进行了深入研究,改进后的绘制算法大幅度提高了海量地形数据实时绘制的速度和效率,主要工作与创新点包括:1.构建了海量地形数据组织管理的效能模型,然后依据该模型对全球数据进行纵向分层和横向分块,详细说明了分块分层方案的规则、方法和结构,并通过实验验证了方案的可行性,阐述了DEM和纹理数据转换和预处理的生成机制和关键技术,实现了支持文件存储方式的数据引擎。2.提出了基于改进后的Geometry Clipmap算法来进行海量地形绘制,此算法解决了接边上存在的裂缝。通过实验数据对三角形条带化、视锥体裁切、显示列表技术和数据渐进更新这几种优化方法进行论证,并将它们应用到绘制算法中提高绘制效率。对LOD层数的使用进行对比测试,提出了相对合理的方案,平衡了渲染速度和视觉效果的矛盾。3.提出了一种基于球面的视场范围算法,并且以该视场范围为基础,设计出了一种基于全球地形块的实时调度算法,并且测试了该算法的可行性。利用线性样条插值算法来实现对全球三维场景的自动漫游。4.集成地形数据引擎和渲染引擎,利用模块化的思想设计并实现了全球多分辨率地形仿真系统,实现了全球范围多尺度的实时三维地形绘制,在数字地球、3D GIS、战场环境仿真等领域得到了具体应用。介绍了系统的框架体系、结构设计、开发环境、实验数据,并用图片展示了系统的部分实验效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本文研究的主要内容
• 1.3 国内外研究现状概述
• 1.3.1 现有实现技术概述
• 1.3.2 国内的研究现状
• 1.3.3 国外的研究现状
• 1.4 本文的组织
• 第二章 全球多分辨率地形数据的组织管理
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 多分辨率地形数据模型
• 2.1.2 四叉树地形结构
• 2.1.3 金字塔模型
• 2.2 海量地形数据组织管理效能模型
• 2.3 海量地形数据的组织结构
• 2.3.1 分层分块的方案
• 2.3.2 全球金字塔模型的构建
• 2.3.3 分层分块的优化
• 2.3.4 基于四叉树的地形块索引
• 2.4 DEM数据的转换和预处理
• 2.4.1 全球DEM块划分机制的建立与实施
• 2.4.2 空缺DEM块的填充
• 2.4.3 多分辨率DEM数据的生成
• 2.5 纹理数据的转换和预处理
• 2.5.1 全球多分辨率纹理块的生成
• 2.5.2 纹理压缩技术
• 2.5.3 不规则纹理数据的处理
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于LOD的海量地形数据绘制
• 3.1 地形模型
• 3.1.1 基础地形模型
• 3.1.2 离散LOD地形模型
• 3.1.3 连续LOD地形模型
• 3.1.4 多分辨率LOD地形模型
• 3.2 LOD的相关算法回顾
• 3.2.1 四叉树（Quadtree）算法
• 3.2.2 实时优化自适应网格（ROAM）算法
• 3.2.3 GeoMipmapping几何多分辨率算法
• 3.2.4 算法比较
• 3.3 基于Clipmap的海量地形绘制
• 3.3.1 海量地形绘制的基本算法
• 3.3.2 海量地形绘制的算法优化
• 3.3.3 数据测试与结果对比
• 3.4 本章小结
• 第四章 全球多分辨率地形环境的构建
• 4.1 全球空间坐标关系的建立
• 4.1.1 空间坐标系的基本概念
• 4.1.2 空间坐标系的建立
• 4.1.3 空间坐标系的转换
• 4.1.4 三维绘制中的空间坐标简化转换
• 4.2 全球实时漫游的视点控制
• 4.2.1 基于键盘的视点控制
• 4.2.2 自动漫游中的插值算法
• 4.3 基于全球的视场范围确定
• 4.4 基于全球的地形块实时调度
• 4.5 本章小结
• 第五章 全球多分辨率地形仿真系统的设计与实现
• 5.1 系统介绍
• 5.2 系统设计
• 5.2.1 系统结构
• 5.2.2 地形仿真引擎设计
• 5.2.3 数据引擎模块设计
• 5.2.4 渲染引擎模块设计
• 5.2.5 场景更新模块设计
• 5.2.6 仿真驱动模块设计
• 5.2.7 系统中重要类设计
• 5.3 系统实现
• 5.3.1 系统的开发环境
• 5.3.2 系统的实验数据
• 5.3.3 系统的实现效果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢