基于AUV测量信息的时空3D数据地形构建

论文摘要

基于AUV传感器采集数据实现海底地形的可视化建模与计算机显示,是AUV地形勘测数据处理与可视化研究的关键技术之一。本文通过对AUV各传感器的测量信息进行处理,获得海底地形点的大地坐标,基于Delaunay三角网构建算法与OpenGL平台,完成了具有真实感的三维海底地形矢量模型的构建,可以实现对所勘测海底地形的连续化数据处理与分析。本文主要对以下几个方面进行了研究：首先,建立了AUV测量中常用的坐标系及其转换关系,定义了多波束船参考坐标系、当地水平坐标系及两者之间的关系；剔除了姿态传感器测量信息的异常值,根据前后两次采集数据对缺失点进行插值；针对AUV多波束声呐的测量数据,通过格式转换和多波束测深数据的脚印归位计算,生成地形点的大地坐标,完成测量数据的空间配准；采用线性插值的方法,将各传感器的异步数据归算为相同时刻下的同步数据,完成了测量数据的时间配准。其次,针对数字地形建模中的建模速度问题,设计了一种优化的三角网生长算法。设计了点、边和三角形数据结构,并将分治算法中的点排序思想融入到三角网生长算法中,以横坐标为主,纵坐标为辅,进行升序排列,连接横坐标最小的两点,其中纵坐标大的点作为第一点,确定初始基线方向；基于正负区判别原理确定基线扩展方向,限定搜索方向,快速锁定有效点的搜索范围,缩短搜索时间；利用张角最大原则查找第三点,设计并实现了Delaunay三角网构建算法。再次,基于OpenGL实现了模型可视化与真实感表达。通过模型视图变换、投影变换、视口变换等模型可视化操作,实现三维地形的可视化；通过纹理贴图、光照计算、明暗效应处理、抗锯齿等特效操作,实现了地形模型的真实感表达。最后,基于VC2005和OpenGL平台,模块化设计了三维海底地形仿真显示界面。对大连海试获取的海试数据进行处理后,通过接收海试数据,生成了具有真实感的三维地形矢量模型,并且具有视角切换、地形缩放、地形漫游,以及地形点、线框、面模式切换的功能。本课题基于AUV传感器的采集数据,进行了时空3D数据地形构建与计算机显示。试验结果表明：本文所设计的Delaunay三角网构建算法是可行性的,可以用于基于AUV测量信息的时空3D数据地形构建。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 AUV三维地形可视化的发展现状
• 1.3 三维地形构建技术的研究现状
• 1.3.1 基于RSG的地形构建
• 1.3.2 基于TIN的地形构建
• 1.4 主要研究内容和关键问题
• 1.5 论文章节安排
• 第2章 AUV测量信息的处理
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的建立及坐标转换
• 2.2.1 地心坐标系与参心坐标系
• 2.2.2 多波束船参考坐标系与当地水平坐标系
• 2.2.3 坐标转换
• 2.3 传感器数据处理
• 2.3.1 AUV姿态传感器测量数据处理
• 2.3.2 地形勘察多波束声呐传感器测量数据处理
• 2.3.3 测量数据时空配准
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于不规则三角网的地形模型构建
• 3.1 引言
• 3.2 数字高程模型
• 3.2.1 数字高程模型的定义
• 3.2.2 DEM数据结构
• 3.2.3 数字地形建模的基本问题
• 3.3 数字TIN地形建模
• 3.3.1 TIN的基础知识
• 3.3.2 Delaunay三角网的定义及基本特性
• 3.3.3 Delaunay三角网基本构建算法
• 3.4 融合分治排序思想的D-TIN地形建模算法设计
• 3.4.1 Delaunay三角网的数据结构
• 3.4.2 D-TIN地形建模算法设计
• 3.4.3 D-TIN地形建模算法的实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 三维海底地形的真实感表达
• 4.1 引言
• 4.2 OpenGL概述及其工作原理
• 4.2.1 OpenGL概述
• 4.2.2 OpenGL在Windows下的工作机制
• 4.2.3 基于MFC框架的OpenGL编程
• 4.2.4 OpenGL中的坐标系统
• 4.3 模型的可视化操作
• 4.3.1 模型视图变换
• 4.3.2 投影变换
• 4.3.3 视口变换
• 4.4 特效操作
• 4.4.1 纹理贴图
• 4.4.2 光照计算
• 4.4.3 明暗效应处理
• 4.4.4 抗锯齿
• 4.5 本章小结
• 第5章 三维海底地形的仿真显示
• 5.1 引言
• 5.2 仿真条件
• 5.3 三维地形构建与显示
• 5.3.1 三维地形构建与显示界面的功能
• 5.3.2 不同漫游方式
• 5.3.3 不同显示模式
• 5.3.4 基于海试数据的地形仿真
• 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