面向三维显示的海量地形数据管理及实时交互技术研究

论文摘要

利用可视化手段对流域地形地貌进行仿真模拟是数字流域中的一个重要课题,也为许多应用,如流域分析、防洪减灾分析、洪水演进、土木工程应用等提供了方便、直观的手段。这些应用中一个共同的核心问题就是复杂地形的地形地貌可视化的问题。而地形地貌可视化的核心问题是解决由海量地形数据构成的复杂地形表面模型与计算机图形硬件有限的绘制能力之间的矛盾。目前,对于具有海量数据特征的地形来说,既要保持视觉效果,又要提供较高的刷新频率,基于当前计算机硬件的发展现状,仍是一大难题。利用现有的硬件资源,从软件着手,建立合理的地形模型应是解决这一问题的出路。海量地形的三维可视化要解决的主要矛盾来自于两个方面,一是有限的计算机处理能力与复杂的地理地形表述之间的矛盾,二是有限的计算机内存与海量的地形数据之间的矛盾。针对这两个主要矛盾,本文在地形可视化模型、海量地形管理、可视化交互三个方面进行了重点的阐述。本文的研究工作主要体现在以下几个方面:(1)对地形可视化的发展过程及相关基础知识进行了阐述,重点介绍了地形可视化从数据存储到数据建模,直到最后的地形绘制的各个环节的相关技术及目前所面临的问题。(2)由于海量地形不可能一次性的装入可视化系统的内存,必须采用分块的方式进行处理或者类似于纹理Clipmap的方式进行处理。本文在充分分析了目前四个重要的地形简化模型的基础上,结合海量地形的特点,提出了基于网络分块的LOD模型。(3)在网络分块LOD模型的支持下,结合当前主流的网络存储技术,提出了基于集群的海量地形管理系统,并根据地形数据本身的特点及地形显示的要求讨论了海量地形的组织分布算法。(4)可视化系统与地形管理系统之间的交互技术也是本文讨论的一个重点,针对网络分块LOD模型的显示和海量地形存储系统,提出了一套优化显示的数据压缩算法及数据传输和数据调度策略。(5)针对目前计算机图形硬件技术发展迅速的特点,地形显示计算并不一定完全都由计算机CPU来承担,GPU也能承担相当部分的显示计算任务。为此本文在参照纹理Clipmap的基础上,研究实现了Hoppe提出的一种新的专用于大地形绘制的Geometry Clipmap算法,并针对该算法的特点进行了改进,提出了非中心对称的Geometry Clipmap算法。通过对比实验,该算法比原算法在性能上有很大程度地提升。上述研究成果已部分或全部应用于相关的课题和项目,如“数字佛山”、“清江流域河道三维漫游”等等,取得了较好的可视化效果。最后,对本文的工作进行了总结,并在冗余存储,地形遮挡,地形数据压缩和分布式应用等方面提出了进一步研究的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 地形可视化的发展概述
• 1.3 海量地形实时交互技术的研究
• 1.4 海量地形数据管理的研究
• 1.5 海量地形绘制面临的挑战
• 1.6 论文研究内容与论文组织
• 2 海量地形可视化技术综述
• 2.1 数字高程模型
• 2.2 三维地形可视化中的关键技术
• 2.3 三维地形可视化的基本方法
• 2.4 本章小结
• 3 基于网络分块LOD模型的显示算法研究
• 3.1 地形模型简化与多分辨率表示
• 3.2 多分辨率地形表示技术研究
• 3.3 基于分块的网络LOD模型
• 3.4 本章小结
• 4 基于海量地形数据的集群管理设计
• 4.1 大区域地形可视化对地形数据存储的要求
• 4.2 地形的数据结构和存储方式
• 4.3 目前典型文件存储系统
• 4.4 海量地形集群管理系统设计
• 4.5 地形数据的分块规则
• 4.6 地形数据预处理的策略研究
• 4.7 建立海量地形的空间索引
• 4.8 本章小结
• 5 三维地形可视化系统与TCMS的实时交互技术研究
• 5.1 地形服务管理系统端的数据管理
• 5.2 三维可视化系统端的数据管理策略研究
• 5.3 数据的预装载与实时装载的实现
• 5.4 本章小结
• 6 基于GPU的海量地形实时显示算法
• 6.1 关键技术概述
• 6.2 对Geometry Clipmap算法的改进
• 6.3 运动中的网格的更新
• 6.4 各层网格之间的平滑过渡
• 6.5 算法实现及对比结果
• 6.6 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 实际应用
• 7.3 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读学位期间参加科研项目目录