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《中国科学院研究生院(遥感应用研究所)》 2004年
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空间信息可视化关键技术研究——以2.5维、三维、多维可视化为例

芮小平  
【摘要】:随着3S技术的融合和空间信息处理技术的发展与广泛应用,空间数据的可视化以及基于可视化技术的空间分析、空间数据挖掘和知识发现已经发展成为空间信息处理的重要手段和关键技术。可视化技术的使用可以帮助我们更加全面和准确地了解空间信息,分析空间规律,甚至可以为空间信息领域的生产及宏观规划进行辅助决策。本文中,笔者分别选择空间信息系统中2.5维、三维和多维信息可视化的典型研究方向进行深入分析,并把这三类问题归结为三个更加具体的研究方向,即:地形可视化、真三维层状体和规则体的可视化以及具有多个专题维的多维信息可视化。本文重点围绕这三个研究方向,对其相关算法的原理和实现进行了深入的探讨。 全文共分七章,第一章为引言,论述了本文研究的背景、目的和意义,介绍了空间信息可视化相关的概念以及国内外研究现状,并给出了论文的总体研究思路。 第二章介绍空间数据的处理方法。首先论述了一种适合非网格化样品点研究区域的插值方法—多重二次曲面函数插值法,阐述了多重二次曲面函数插值方法的数学原理和实现过程。其次,提出了一种基于超曲面样条函数进行三维空间插值的新的三维空间插值方法,该方法将二维的曲面样条函数插值法进一步拓展到三维空间。给出了超曲面样条函数的构造方法以及使用该方法进行三维空间插值的数值实现过程。 第三章在详细介绍地形可视化国内外研究现状的基础上,对基于DEM数据的地形可视化算法进行了深入研究,主要研究成果如下: ·采用Perlin算法生成三维随机地形,给出了用Perlin噪声函数产生不同精度的网格高程数据的数值实现过程,使用这些数据可以生成多分辨率的地形。 ·提出了一种根据Morton码编码思想实现地形DEM数据无损压缩的方法,该方法首先根据Morton码编码规则对原始数据进行简化,然后利用简化的数据绘制地形,绘制地形时进一步根据Morton码编码规则对地形网格面片简化,简化的地形没有降低显示精度。 ·在利用Morton码简化地形数据的基础上进一步建立LOD模型,提出了一种 基于不完全四叉树的实时连续LOD技术。该算法在传统的LOD技术基础上, 提出用“先压缩、后构模”以及“背面剔除”的思想来简化地形网格,提高 了地形可视化的绘制效率。该算法首先利用不完全四叉树存储Morton码简 化后的高程数据,然后根据视点位置和网格空间对象误差的关系建立基于不 完全四叉树的LOD模型。采用逐层找邻法调整不同层次之间的裂缝,给出 了寻找不同类型邻居实现过程。采用背面剔除算法将起伏地形的不可见部分 去除。笔者还给出了高效的四叉树结点存储及访问方式。 针对ROAM算法的缺点,对ROAM算法进行改进。改进算法提出了“先分 块后构模”的思想,首先将大规模高程数据进行分块,然后根据视点与子块 的关系对每一个子块进行细分判断。为了使构建的LOD模型能够适应任意 形状的DEM数据,笔者采用非等腰直角三角形作为地表模型的基本单元, 探讨了基于非等腰直角三角形的LOD模型构建技术实现过程。采用数组的 方式存储二叉树结点信息,运用计算机位移运算提高二又树的访问速度。 论述了在DEM数据上叠加点、弧段、多边形等矢量数据的方法。该方法首 先使用空间插值的方法形成三维的点坐标;为了使弧段和多边形矢量数据能 够紧贴在地形上,对连续两点组成的弧段进一步求解它与DEM网格的交点, 依次连接弧段的顶点、内插点和弧段的终点就可以显示紧贴在地形上的弧 段;对多边形数据则采用联接局部三角网的方法来提高该三角形与三维地形 的吻合程度,其基本思想是将一个大的多边形分割成若干个小于DEM网格 的三角形。 本文第四章在详细介绍真三维空间实体可视化研究现状的基础上对真三维 的层状体和规则体数据可视化进行了研究。对于层状体数据,根据不同的用户需 求,笔者将其可视化类型分为两类:一种类型只显示层状体的外表面,用户看不 到层状体内的内部结构;另外一种类型则用户不仅能够看到三维实体的外部形 态,而且能够看到实体的内部结构。针对第一种情况,提出用规则网格和两层之 间的三角网构建封闭的层状体。针对第二种情况,笔者采用三棱柱作为构建层状 体的基本体元实现层状体的可视化。该方法首先将原始的数据经过预处理形成各 个层上卜对应的网格高程数据,然后连接相邻层上下对应的网格形成四棱柱,将 四棱柱沿网格对角线分开,形成三棱柱基本体元。提出了一种通用的三棱柱数据 结构,以该结构为基础把三棱柱剖分的情况分为完全剖分、特殊剖分和伪剖分三 大类,并给出了三类剖分的特点以及各自包含的三棱柱剖分和重组方法。对于规 则体数据,笔者采用介于直接体绘制和面绘制之间的切片法来实现其可视化,用 双线性插值的方法获取切割面上的属性值,并用颜色编码来表示属性值。本章最 后分别探讨了八叉树结构和小波算法在规则体可视化中的应用,给出了用八叉树 结构和三维小波算法压缩规则体数据的一般方法。 第五章首先介绍了多维空间信息可视化的研究现状,然后详细介绍了SOM 和弹性网络图理论在多维空间信息可视化中的应用。SOM是一种非线性的多维 数
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