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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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构建三维数字地球的关键技术研究

张立强  
【摘要】:三维数字地球是一项跨越多学科的理论和系统工程。虽然有关的理论技术研究已经取得了一些进展,但在网络或普通计算机上难以达到实时显示和交互的要求。这主要是在海量多分辨率数据的组织与管理,空间索引的效率,数据压缩技术,网络技术,复杂数字城市模型的建立与可视化,多源数据的无缝集成,超大规模场景的实时漫游与交互,空间分析和查询等方面存在着亟待改进的地方。 针对开发数字地球系统存在的挑战,本文从“3S”技术的角度出发,讨论了海量DEM数据、矢量数据、影像数据以及三维建筑模型数据的组织、检索、传输以及在三维数字地球系统中实时可视化的一些关键技术;着重研究了三维数字地球的网络模型,压缩技术,大规模地理数据的动态显示,空间分析和查询等问题。作者所在的课题组研究并独立的从底层开发了一个三维数字地球平台GeoBeans3D,它最终要在Internet环境下实现海量多源数据的无缝集成和实时可视化,三维城市的重建,气象检测,战场仿真和模拟,导航和空间分析等功能,支持普通计算机浏览。该系统2003年被科技部评为国产优秀三维影像信息平台,并在多个部门中得到了应用。本篇论文阐述的理论和算法大部分集成到GeoBeans3D中并取得了良好的效果。 在分析总结国内外大量相关文献的基础上,本文以基于网络的三维数字地球平台为基础,以作者研究构建三维数字地球的关键理论技术为系统构架,组织整篇博士学位论文。本文的研究内容主要具有如下创新之处: 1.提出了利用提升格式构造二次平均插值小波,实现海量影像和DEM的多分辨率表达与建模。该方法具有计算量小,简化模型精度高等优点,解决了传统金字塔技术不能精确重建的弊端。 2.作者在Ottoson(2001,2002)工作的基础上,改进了椭球四叉树空间索引的算法,并将其应用到全球地理数据的索引中,极大提高了数据的访问速度。 3.比较了几种预测方法的优缺点,在此基础上提出了最小二乘预测模型,并优化了自适应算术编码的数据结构以加快编码的进程;最后对不同的无损编码技术的压缩结果进行了分析。验证表明,本文提出的压缩方案对DEM的压缩率高于CAB和Winzip,能够有效的缩短数据在网络上的传输时间。 4.针对现有JPEG_LS上下文模型的缺陷,改进了JPEG_LS的模型预测方法,提高了像素预测的精度。 5.提出“先压缩后建模”的思路。以视相关和地形地貌为准则,集成“多进制小 波十二叉三角形树”的方法实现高分辨率、大场景地形数据的实时简化,基本 做到了地形的漫游速度与场景的数据量大小无关,为全球地形可视化提供了一 条行之有效的解决途径。 此外,作者还对如下几个问题做了较为深入的研究: (l)利用wGS84大地基准面和GRS80参考椭球构建地球模型描述了在全球海量数 据显示的过程中,随着视点和视角的变化,当前细节层次(LOD)中视景体内地 球椭球体面积的裁减方法,并给出了具体的公式。 (2)研究了矢量线状和面状实体与DEM、影像的无缝叠加算法。针对线状实体和 规则DEM的几何特征,提出自左向右、自下而上的绘制算法。提出分别用 Delannay和DEM分块构网两种方法实现面状实体和三维地形场景的叠合并对 其作了比较,为超大规模DEM、影像和矢量数据的实时无缝显示提供了一个 现实可行的方案。 (3)研究了三维城市建筑模型的建立方法以及大区域、高密度复杂建筑模型的组织 和管理:给出了从空间任意点以任意倾斜角观看地球景观的算法,实现了多角 度、不同方向浏览场景。 (4)给出了计算三维数字地球中可视点的三维直角坐标(X,Y,幻和大地坐标林,树的 算法,这是查询和三维空间分析的基础。设计了某些侦察设备360度监控地形 或空中目标的可视域算法;并论述了属性数据库与几何模型关联,进行空间实 体查询的算法。 (5)作为主要参加人员之一开发了基于网络的三维数字地球平台系统 GcoBeans3D,该平台在海量空间数据的组织、管理、传输和显示上有了突破, 实现了全COM组件体系架构;在数据管理和显示引擎上完成了向海量三维数 据引擎的转化,实现了二三维动态关联的关键技术。 为了验证本文的理论和技术的正确性和可行性,作者在Interne班ntranet环境下 进行了实验研究。结果表明,通过把海量空间数据发布到不同的客户端,能够满 足多用户并发浏览、查询、分析的需要。 本文的研究内容只是三维数字地球系统的一小部分。在下一步工作中,除了 继续增强海量空间数据管理能力和空间分析功能外,还要更好的将其与分布式计 算技术、数码城市技术、GPS导航监控技术以及虚拟现实技术紧密结合起来,真正 解决三维数字地球的信息发布、系统仿真、空间分析查询等问题。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(遥感应用研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P208

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