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《吉林大学》 2004年
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全球三维地形建模与可视化研究及原型系统实现

张慧杰  
【摘要】:数字地球是万维网、仿真、虚拟现实与遥感等多学科技术的高度结合。其特点是嵌入海量地理数据、实现多分辨率、从三维空间角度对地球信息进行科学描述,即“虚拟地球”。三维地形可视化是“数字地球”构架中的基础核心技术,近年来备受关注。 目前地理信息系统的空间数据模型及其操作设计,多数仍是面向二维平面结构,实质并没有实现三维处理的能力。大多数国内GIS软件仍然停留在没有高程信息的基于二维平面的GIS软件的二次开发上,或是采用三维实体表面造型的方法,解决地形地貌的表现问题,处理功能非常有限,使GIS在许多领域的应用受到限制。譬如:对于上下水地下管线规划,军事目的三维地形景观设计和规划等方面,高程信息都是必不可少的。随着人类获取数字化空间数据的手段和能力的不断提高,以及GIS在各个领域的广泛深入应用,人们已经不再满足GIS简单的二维表现形式,开始利用GIS空间数据,构建真实的三维地理信息系统,这些数据包括DEM栅格数据和表现道路、湖泊等地物的矢量数据以及航空像片、实景照片等影像数据,这也是本论文研究的重点内容之一。 作者广泛的查阅了数字地球、三维地理信息系统以及三维地形建模等方面大量的论文及资料,对研究现状进行了分析和总结。在此基础上,提出了本论文的研究目标:实现基于地球椭球的三维真实地形景观,其中涉及到一些诸如海量数据存储、插值算法、空间表面构模、数据自动定位、数据无缝拼接、场景的无边界漫游等主要技术。三维地形建模基本过程包括:①原始数据采集;②建立数据模型;③空间地表建模;④表面剖分⑤三维可视化处理。本文花费了一定的篇幅在讨论数据模型问题,因为数据在三维地形建模中起着至关重要的作用,如果没有数据,那么整个研究及开发将无从入手。本文所采用的数据由GTOPO30(全球的数字高程模型)提供,它是由美国地质勘查地球资源勘测卫星(EROS,Earth Resources Observation Satellite)数据中心(EDC)的工作人员收集整理完成。本文从该数据入手,针对当前3D-GIS研究中三维地形可视化的难点问题进行了探索,结合面向对象理论,采用基于距离熵的插值算法,建立了基于全球数据的地表模型。该模型适合于人类赖以生存的三维空间,可以方便清晰地存储和管理空间数据,并且有利于三维空间对象的分析与显示。本论文实现了如下关键技术: 实现了基于局部地形块的数据处理,支持GRID和TIN两种格式及其相互转化。DTM主要由GRID(栅格)与TIN(不规则三角网)两种数据格式 WP=76 来表示,前者的优点是,充分表现了高程的细节变化,拓扑简单,算法实现容易,某些空间操纵及存储方便;它的不足之处是不规则的地面特征与规则的数据表示之间的不协调性。后者的优点是数据结构简单,与不规则的地面特征和谐一致,可以表示线性特征和迭加任意形状的区域边界,易于更新,可适应各种分布密度的数据;它的局限性是算法实现比较复杂和困难。不难发现GRID较适合大规模地形数据存储,TIN较适合地形变化复杂的小范围数据存储,由于本文只要针对全球地表进行基础性研究,局部地形块处理只是附带功能,所以,这里将采用TIN格式数据转换成GRID格式统一管理。 全球高程模型进行统一规划管理。采用分区分块以对象形式存储GB级海量数据。不再采用传统的图层式存储方式。为系统带来了极大的灵活性和和可扩展性。 采用基于距离熵的曲面拟合方法,对原始基于二维平面高程模型还原为地球椭球上真三维高程模型,由于地球椭球向两极方向平行圈半径越来越小,对于平面上等精度的数据量来说,在三维地球椭球上精度不等,即同一个地球比例尺精度不同,本文对这一问题进行了详细的讨论,提出了统一比例尺精度详细的解决方案。 实现了海量数据分区分块存储的数据块自动识别技术。巧妙运用图形学中多边形剪裁算法,对当前景观每帧所要提取的数据快速检索、提取和载入。实现全球范围内的无边界漫游及数据无缝拼接。 改变了统一软件开发过程RUP以用例驱动的开发模式,而是从领域专家入手,采用以概念模型和用例模型共同驱动的全新软件开发模式。 采用OpenGL和基于.NET技术的VC++实现了三维地形景观可视化处理。包括三维真实感地形、三角网地形、基于LOD的实时地景漫游、表面纹理、缩放、鸟眼等。 实现异构系统之间的数据格式转化。由于各种网格数据产生的背景和原因不同,在它们之间进行转换时会牵扯到跨平台的问题。通常有两种存储方式:小端字节序、大端字节序。多字节数据的存储方式是将低字节存储在起始地址,称为小端(Little Endian)字节序;多字节数据的存储方式是将高字节存储在起始地址,称为大端(Big Endian)字节序。在将转换数据保存时必须考虑数据的物理存储结构,这样才能保证数据转换的正确性。 综上所述,本论文建立了一个可行的全球三维地形建模方法,并实现其原型系统,为3DGIS的进一步开发及数字地球的建立奠定了一个良好的基础。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TP399

【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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