江河流域虚拟视景可视化技术的研究与应用

论文摘要

水是人类生存和发展不可缺少的重要资源,用计算机生成真实感强的流域虚拟视景,并与视景实时交互是虚拟现实领域最具挑战性的研究方向之一。本文在认真分析和总结相关工作的基础上,系统研究江河流域视景的三维建模、多细节层次模型简化及视景交互等实时绘制加速技术,以及江河水质污染扩散三维可视化,所做的主要工作和研究成果如下:本文首先基于ArcGIS建立了部分湘江流域长沙段的数字高程模型,通过水流向、汇流能力生成相应河网,并采用距离加权逐点插值法使得河网更加完整。在此基础上,针对传统方法以图像质量换取速度的缺点,提出一种自适应四叉树多分辨率混合算法,该方法结合ROAM算法与分块思想,将研究区域江河流域进行逻辑分层分块,子块内部通过误差判断确定是否需要进一步ROAM细化,这样即保证了图像的质量,又保证漫游的实时性要求,从而大大提高了渲染速度。同时,针对流域仿真的真实感需要,提出了一种优化的Tiling纹理映射算法,该算法将纹理的四叉树与几何地形的四叉树很好对应起来,从而减少纹理坐标的计算量。同时,将纹理的颜色阶与水质污染模型结合,对江河流域水污染扩散情况进行时间纬度上的动态显示,为预测水质变化状况提供了科学依据。最后,本文设计开发了一个虚拟流域交互漫游系统,对前述的流域三维可视化关键技术进行应用,通过实例验证了文章所研究的关键技术的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地理信息系统的发展和研究现状
• 1.2.2 流域可视化的发展和研究现状
• 1.2.3 层次细节模型可视化技术的发展和现状
• 1.2.4 纹理映射技术的发展和研究现状
• 1.2.5 视景仿真漫游技术的发展和研究现状
• 1.3 论文组织
• 第二章 流域数字高程的建立及河网提取
• 2.1 研究区流域DEM的获取
• 2.1.1 水流向确定
• 2.1.2 汇流能力分析
• 2.1.3 生成流域河网
• 2.2 DEM的高程插值方法
• 2.2.1 距离加权逐点内插
• 2.2.2 DEM数据修正
• 2.2.3 网格DEM数据组织
• 2.3 本章小结
• 第三章 流域实时绘制层次细节简化
• 3.1 LOD的数据类型表示
• 3.2 ROAM算法的缺点分析
• 3.3 自适应四叉树多分辨率混合算法
• 3.3.1 块划分原则及更新
• 3.3.2 数据结构的设计
• 3.3.3 层次间的误差计算
• 3.3.4 算法的实现
• 3.4 实验结果测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 流域视景的纹理映射技术
• 4.1 纹理映射算法比较分析
• 4.2 Tiling纹理生成算法的优化
• 4.2.1 优化算法的基本原理
• 4.2.2 纹理数据冗余处理
• 4.2.3 实验结果分析
• 4.3 水污染扩散模型及其纹理映射
• 4.3.1 稳态水质污染扩散模型及求解
• 4.3.2 基于纹理的水污染扩散可视化模拟
• 4.3.3 模拟结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 江河流域视景交互漫游的设计与实现
• 5.1 交互漫游系统的设计
• 5.1.1 系统设计目标
• 5.1.2 交互漫游方式
• 5.1.3 系统框架结构
• 5.2 实时交互漫游系统功能的实现
• 5.2.1 地形的初始化
• 5.2.2 三维场景管理
• 5.2.3 交互漫游控制
• 5.2.4 水污染扩散模拟
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 参加的项目
• 发表的论文