3DGIS中大数据量场景可视化研究

【摘要】：近年来随着数字地球的提出，数字城市的发展正方兴未艾。无论是数字城市还是数字地球都需要作为空间信息处理平台的GIS强有力的支持。数字地球涉及的空间数据是多维的，要求GIS能够处理多维信息，因此3DGIS已经成为当前GIS发展的一个重要方向。可视化是GIS固有的特征，可视化是信息的集成，为人脑认识世界提供了一个立体环境。可视化的效率与质量影响着认知的状态和深度，因而追求高水平的可视化是3DGIS的必然要求。然而数字地球涉及的是纷繁复杂的对象，包含的信息是的海量数据，如何构建一个能够表现如此庞杂场景的可视化环境成为了3DGIS所面临的巨大挑战。因为可视化对象的庞杂就要求可视化过程中能够处理庞大的场景数据，而且还要保持相当高的场景逼真度。传统的GIS可视化技术与方法显然对此无能为力，引入新的理论与技术成为必然。 对于大数据量场景的可视化，应当从两个方面进行考虑：一是减少“不必要”的数据，它是通过研究减少可视化对象本身模型表达中的“冗余”来实现的。具体就是研究模型的简化。另一方面增加可视化过程中的单位时间信息表达量。它就是通过研究增加可视化的效率，即增加绘制的速度来实现的。这是一种用时间换空间的方式。它包括了可视化加速的软件机制和硬件机制。 从这两个方面入手，在前人的研究基础上，本文试图对于地理空间的可视化对象模型简化方法做出进一步的改进。针对地形的简化提出了基于四叉树的兼顾自然特征和用户自定义特征的模型简化规则，并巧妙地将三角形二又树与四叉树结合实现对三角化中裂缝的处理。同时还研究了基于缓冲区机制的场景数据组织与管理。对于树木等植被的可视化，本文提出了用线画模型、billboard模型和符号化模型等三个层次LOD模型来表达的方式。使得数据量大为减少。 空间数据的搜索是影响场景绘制的重要过程。R树是常用的空间数据索引结构。本文指出了前人在此方面研究的不足之处，提出了新的R树结构和算法。实验证明搜索效率具有较大改善。 绘图硬件是可视化的物质基础，硬件资源的利用程度对场景绘制具有直接的影响。本文研究了在特定硬件条件下如何充分利用资源，发挥其加速功能，并通过实验予以证实。 摘要 场景可视化的目标是要获得真实“还原”的世界，可视化的研究不能放弃这 一主旨。而真实感的场景绘制离不开光照的渲染。本文比较了常用的Phong光照 模型与BRDF光照模型的区别。并研究了如何将基于多角度遥感的MJSR数据应 用于实际的BRDF光照模型中。 最后结合863课题，以数字淄博为例，基于OpenGL图形引擎开发了实用 的三维可视化核心组件，并实现了一个基于网络分布式的可视化实验系统，可以 进行大区域范围的场景浏览。