三维矢量场可视化方法研究

论文摘要

近年来,在地学领域中,包括地质,水文,气象,流体动力学,大地测量等,关于三维空间信息的研究与日俱增。三维可视化作为获取信息最直观快捷的方式,在信息表达方面具有独特的优势。矢量场描述了许多非常重要物理现象。矢量场可视化是理解矢量场运动规律的有力工具,在科学计算和工程分析中发挥着重要作用,已被广泛应用于地质勘探、天文气象等领域。随着计算流体力学的快速发展迫切需要一种能有效帮助研究人员分析理解大量数据集所蕴含规律的技术,特别是在工程计算、地学领域,矢量场研究者需要耗时更少,性能更好的可视化方法。三维矢量场的可视化一直是矢量场可视化中的重点和难点,目前能够描述三维矢量场有点图标法、矢量线法、矢量面法、矢量管法等,点图标法能够表现出矢量场的在三维空间中的运动轨迹,但其无法体现出矢量场的整体特征。因此本文基于地学领域的三维可视化,针对地学机理与过程所产生的三维矢量场数据,在对已有的三维矢量场算法的研究和实现的基础上,采用四面体多分辨率网格自适应生成技术来进一步提高点图标法在进行三维表达时的整体特征和质量。同时实现了三维矢量场与标量场的融合表达。具体成果包括以下方面：(1)四面体多分辨率网格自适应生成根据模型计算和三维可视化的要求,基于网格离散方法的研究,提出了四面体网格自适应生成算法,通过平面网格模型构建、模型几何特征识别、尺寸控制、模型自适应平面网格生成、四面体多分辨率网格生成四个步骤实现对四面体多分辨率网格的自适应生成,并应用到太湖流场和浓度场的三维可视化中。(2)三维矢量场与标量场的融合表达主要研究矢量场与标量场融合表达的理论,点图标法、矢量线法、矢量面法、矢量管法的三维矢量场可视化表达及其与三维标量场的融合表达,使得三维矢量场和标量场的三维可视化表达更加的清晰、直观。(3)原型系统设计本文在研究基于地学的三维矢量数据场可视化算法的基础上,基于.net和VTK来构建三维矢量场可视化原型系统。通过实例证明本文所提算法可靠高效,可在一定程度上解决地学机理与过程模型分析中产生的三维矢量场数据对三维矢量场可视化的需求。

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摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.1.1 选题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三维矢量场可视化方法研究

1.2.2 自适应网格生成算法研究

1.2.3 地学三维可视化应用研究

1.3 研究目标与研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 研究方法与技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

1.5 论文组织

第2章三维矢量场模型构建

2.1 三维矢量场数据的组织

2.1.1 基于六面体单元的矢量场数据组织

2.1.2 基于四面体单元的矢量场数据组织

2.2 三维风场模型构建

2.2.1 大气动力学基本方程组

2.2.2 空气的地转运动和非地转运动

2.2.3 大气运动的相关因子

2.2.4 简单风场模型构建

2.3 本章小结

第3章三维矢量场可视化方法

3.1 矢量场可视化基本流程

3.2 矢量场可视化方法分类

3.3 矢量场可视化方法实现

3.3.1 基于三维箭头的点图标法

3.3.2 基于质点追踪的矢量线法

3.3.3 基于自适应采样密度的矢量带和矢量面法

3.3.4 基于矢量带的矢量管法

3.4 多分辨率网格自适应生成

3.4.1 网格离散方法概述

3.4.2 自适应网格的类型

3.4.3 四面体多分辨率网格生成算法

3.4.4 实例模拟

3.5 本章小结

第4章三维矢量场与标量场融合表达

4.1 数据融合与表达的理论和方法

4.1.1 数据融合的级别

4.1.2 地理空间数据融合

4.1.3 常见的数据融合表达方法

4.1.4 数据融合绘制目标

4.2 三维标量场可视化

4.2.1 三维标量场可视化方法

4.2.2 标量场可视化基本流程

4.2.3 实例模拟

4.3 三维矢量场与标量场融合表达

4.3.1 三位矢量场与标量场的融合表达的框架

4.3.2 点图标与标量场融合

4.3.3 流线与标量场融合

4.3.4 矢量场与标量场一体化融合

4.4 本章小结

第5章三维矢量场可视化原型系统的设计与实现

5.1 概述

5.2 可视化类库VTK

5.3 系统设计

5.3.1 系统设计目标

5.3.2 系统设计原则

5.4 系统功能模块设计

5.5 原型系统运行实例

5.6 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录查询彩图

攻读硕士期间参加科研工作和发表学术论文情况

致谢

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