大规模GIS数据三维可视化关键技术研究

论文摘要

随着计算机信息技术的飞速发展,地理信息的三维可视化技术在越来越多的领域得到了应用。二维地理信息系统(Geographic Information System, GIS)本质上是基于抽象图形符号的系统,既不能给人以自然界的真实感受,又无法实现灵活的交互。因此,二维GIS在处理许多三维问题(如:电磁、气象、地质等)时,很难精确的反映、分析或显示有关信息。如果能将相关地理信息三维可视化,则这些问题通常将变得清晰、直观。目前,三维空间数据模型理论和技术还不成熟,没有统一的三维可视化框架。相反,二维GIS的发展已经相对成熟,它包含了廉价而丰富的地理数据。本文旨在利用这些GIS数据实现三维虚拟环境的快速构建与绘制。围绕大规模GIS数据的三维可视化问题,本文的主要工作和研究成果包括以下几个方面:深入研究了大规模地形三维可视化方法,在此基础上提出一种基于GIS地形数据的大规模地形可视化框架。这种框架既能满足大规模GIS地形数据的三维可视化要求,又为后续矢量数据的集成奠定了基础。为了实现大规模GIS矢量数据的三维可视化,解决矢量数据量大与计算机实时处理能力有限的矛盾,提出一种多分辨率GIS矢量数据模型构建、组织及实时调度算法。该算法以大规模GIS矢量数据分层、分块及简化等算法为基础。提出了一种GIS矢量数据三维可视化方法。本文结合矢量所代表地物的特性,对基于矢量信息的三维地物进行了分类,综合采用地物匹配地形和地形匹配地物两种方法实现地物与地形的匹配。本文算法还讨论了原始地形数据分辨率较低,以及多个地形匹配影响域相交等特殊情况的处理方法。由于二维GIS中栅格数据和矢量数据的结构及特性均有较大差异,故二者的三维可视化方法也大不相同。在总结上述GIS数据三维可视化方法的基础上,提出了一种基于GIS数据的三维虚拟环境快速构建和绘制框架。该框架为大规模GIS数据三维可视化系统的设计提供了参考。设计并实现了一个大规模GIS数据三维可视化系统——GeoSprite。对基于GIS数据的三维虚拟环境快速构建和绘制框架及相关技术进行了应用和验证。此系统可作为多种应用的基础平台。综上所述,本文研究了大规模GIS数据三维可视化的关键技术,实现了基于GIS数据的三维虚拟环境的快速构建与实时绘制,为相关实际应用打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 问题的提出
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 三维地理信息系统的发展
• 1.2.2 大规模三维地形场景建模与实时绘制
• 1.2.3 三维虚拟环境中矢量数据的可视化
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文的组织
• 第二章 大规模GIS 地形数据三维可视化方法
• 2.1 三维地形的表示方法
• 2.1.1 数字地形模型的定义及表现形式
• 2.1.2 GIS 地形数据三维可视化框架
• 2.2 大规模地形多分辨模型构建
• 2.2.1 地形数据的分块与组织
• 2.2.2 规则格网DEM 数据特征点的选取
• 2.2.3 三角网的构造及分块间裂缝的消除
• 2.2.4 三角网条带化技术
• 2.3 大规模地形视点相关实时绘制
• 2.3.1 地形数据分块的误差度量及分块选取
• 2.3.2 地形数据分块的实时调度
• 2.3.3 地形多分辨率模型的过渡
• 2.4 实验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 大规模GIS 矢量数据多分辨率组织与调度
• 3.1 GIS 矢量数据结构与存储格式
• 3.2 多分辨率GIS 矢量数据模型构建基础
• 3.2.1 矢量数据的分层
• 3.2.2 矢量数据的分块
• 3.2.3 点矢量数据简化算法
• 3.2.4 线、面矢量数据简化算法
• 3.3 多分辨率GIS 矢量数据模型构建与调度
• 3.3.1 静态多分辨率矢量数据模型构建
• 3.3.2 动态多分辨率矢量数据模型构建与调度
• 3.4 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 GIS 矢量数据三维可视化方法
• 4.1 GIS 矢量数据三维可视化框架
• 4.2 GIS 矢量数据三维建模与地形匹配
• 4.2.1 点矢量的三维建模与地形匹配
• 4.2.2 线、面矢量的三维建模与地形匹配
• 4.3 地形匹配中影响域的计算及叠加
• 4.3.1 参数选取及匹配影响域计算
• 4.3.2 多个影响域作用的叠加
• 4.4 实验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 原型系统GeoSprite 的设计与实现
• 5.1 任务背景
• 5.2 大规模GIS 数据三维可视化系统框架
• 5.3 GeoSprite 的系统设计
• 5.3.1 系统的设计思路
• 5.3.2 系统的总体结构
• 5.3.3 系统的功能设计
• 5.4 GeoSprite 的系统实现
• 5.4.1 三维虚拟环境建模与管理子系统
• 5.4.2 三维虚拟环境交互可视化子系统
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果