论文摘要
随着地理信息系统与虚拟现实、增强现实等交叉结合应用的不断深入,虚拟地理环境逐步成为GIS研究的重要方向。视频作为一种常用的媒体,在地理空间表达上具有很强的真实感、现势性以及逼真度,对地理空间信息可进行有益补充。结合虚拟地理环境的空间虚拟表达与视频的直观真实表达,将视频图像与地理数据有机集成和“无缝”动态融合,为地理环境监控目标的空间定位和场景深度沉浸式表达提供了新的解决途径。本文主要工作和研究成果如下：（1）阐述了虚拟地理环境的研究现状及其发展历程,评述了视频监控技术与地理信息结合和增强现实技术在虚拟地理环境领域应用的国内外研究现状,以及相关研究成果与不足,并且分析了以视频图像为载体的地理数据增强现实可视化方法的实际应用与发展前景。（2）介绍了虚拟地理场景各要素类型的建模方法与技术。根据各方法和技术的优势,本文采用开源地形绘制引擎（osgEarth）和图形绘制引擎（OpenSceneGraph）,利用其四叉树数据存储结构、分页调度策略和场景图数据组织管理,构建虚拟地理环境。（3）根据OpenGL透视成像与摄影测量原理一致性,提出了基于三维场景仿真成像并依靠视频图像进行地理场景中地表目标的空间定位方法。根据视频成像时获得的摄像机内外方位元素信息,在三维虚拟场景中模拟实际摄像机成像过程,依据监控目标所在的视频图像中的像素坐标,通过虚拟成像的逆过程反推出地表目标的空间坐标。采用地面激光扫描仪+同步拍照相机组成的三维场景采集系统来模拟实际的高精度摄像机+数字云台组成的视频监控系统,验证并分析了本方法的定位精度。（4）针对三维GIS的虚拟表达问题,在上述目标空间定位方法的基础上,根据透视匹配原理,在已知摄像视频帧时的内外方位参数条件下,建立摄像机坐标系与虚拟场景坐标系之间的变换关系,通过帧序列图像与虚拟场景实时动态的融合,实现“实景”（视频图像）与“虚景”（虚拟环境）的无缝融合。（5）在森林景观可视化系统VisForest基础上,扩展了三维场景虚拟成像、目标定位和虚拟场景与视频帧的虚实融合等模块。通过实验,验证了上述方法是可行的。