基于大数据集的DEM数据管理与调度关键技术研究

论文摘要

随着科学技术的高速发展,大规模地形场景交互系统在虚拟现实、战场仿真、机器人导航和太空探索等领域都有着广泛的应用。但是,大规模地形场景交互系统面临着最主要的问题是如何提高图形的实时绘制效率。为了提高图形的实时绘制效率,通常有两个方法：第一,在不影响场景显示效果的前提下尽可能的减少地形模型的复杂度,即利用简化模型代替原始模型。这种方法下模型误差评估方法的选取对模型的质量控制影响很大。第二,不同的显示区域采用不同的细节层次(LODs)。这种模式下,距离观察点越远的区域其显示分辨率会更低,模型误差也会更大；反之亦然。鉴于LODs并不能减少原始数据的规模,为了解决大规模地形场景实时绘制的问题,本文将在地形建模方法的改进、误差评估方法的选取以及模型简化算法的选取等方面做深入细致的研究。首先,介绍了大规模地形场景交互系统的应用背景和国内外研究现状；研究了大规模地形场景建模的理论基础；分析了两种主要的建模方法：金字塔模型和多分辨率层次模型的优点与不足,做为后续研究工作的基础。第二,在以往建模方法的研究基础上,提出了一种改进的地形建模方法——基于向量的多分辨率模型。给出了该模型的相关定义、定理和性质,通过数学方法证明了相关结论的正确性与合理性；给出了模型的构建方法和相关数据结构的设计。第三,分析了模型裂缝的产生原因和几种模型裂缝的修补方法,在此基础上提出了基于分裂族的裂缝修补方法,并通过仿真验证了该方法的可行性与可靠性。第四,研究了两种主要的模型误差评估办法：基于高程差和基于法向量的误差评价。分析了两种方法各自的优点与不足,给出了两种误差评价方法在基于向量的多分辨率模型下的误差评价函数,并通过仿真验证了两种方法的适用性和差异性。最后,研究了分治法在模型简化方面的不足；将粒子群算法应用到模型的简化,给出了粒子的定义、粒子的评估、粒子的速度更新等策略；通过仿真验证了算法的收敛性与可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 数据组织与管理
• 1.2.2 离散高程点建模
• 1.2.3 多分辨率层次建模
• 1.2.4 简化模型的误差评价
• 1.3 本文的工作和目标
• 1.4 论文的章节安排
• 第2章 地形建模理论基础
• 2.1 四叉树
• 2.1.1 四叉树的定义
• 2.1.2 四叉树的性质
• 2.2 金字塔模型
• 2.2.1 金字塔模型的定义
• 2.2.2 金字塔模型的索引结构
• 2.2.3 分块拓扑结构
• 2.3 基于地形特征的多分辨率模型
• 2.3.1 FMRH的定义
• 2.3.2 FMRH的误差评价
• 2.3.3 FMRH的构造算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于向量的多分辨率模型
• 3.1 基于向量的多分辨率模型的定义
• 3.2 网格的剖分
• 3.2.1 剖分法则
• 3.2.2 数据结构的设计
• 3.2.3 基于分裂族的裂缝修补
• 3.3 VMRM的重要定理及应用
• 3.3.1 层次与向量转换定理
• 3.3.2 父子结点的快速索引
• 3.4 模型简化的误差评价
• 3.4.1 基于高程差的误差评价
• 3.4.2 基于法向量的误差评价
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于粒子群的地形简化算法
• 4.1 分治法
• 4.1.1 VMRM构造算法
• 4.1.2 算法时间复杂度
• 4.2 粒子群算法理论基础
• 4.2.1 标准粒子群算法
• 4.2.2 拓扑结构和邻域结构
• 4.3 VMRM-PSO算法
• 4.3.1 粒子定义
• 4.3.2 粒子评价策略
• 4.3.3 粒子速度更新
• 4.3.4 算法描述
• 4.4 本章小结
• 第5章 数据组织与综合仿真分析
• 5.1 数据的物理存储
• 5.2 三角形条带化
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 裂缝的修补效果
• 5.3.2 模型简化效果的评价
• 5.3.3 VMRM-PSO算法收敛性验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢