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《中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)》 2015年
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地磁场空间结构和强度分布的可视化

高广大  
【摘要】:地磁场与人类的生产生活密切相关,对地磁场进行研究有重要的理论意义和应用价值。科学可视化是研究地磁场的一个重要的手段,可以为地磁场的空间结构和强度分布提供丰富的表达形式,其中磁力线和磁壳是地磁场可视化中的两种常见的形式。本文主要利用磁力线和磁壳两种形式对地磁场的空间结构和强度分布进行可视化。磁力线可视化中有两个关键问题是种子点选取和磁力线追踪。种子点选取主要是确定磁力线追踪的起点,磁力线追踪则是以种子点为起点,产生出磁力线上的其他点。有效的地磁场磁力线可视化应该能够表现出地磁场的物理特征。从磁力线的物理含义上说,在磁场强度越大的区域,单位面积内的磁通量越大,表现在视觉效果上磁力线分布应该越密;反之在磁场强度越小的区域,磁力线越疏。因此可以将磁力线的疏密与磁场强度空间分布之间的相关性作为评价地磁场磁力线可视化效果的一个关键因素。对选取的每个磁力线种子点进行追踪都将生成一条磁力线,种子点的空间分布直接决定了磁力线的疏密。选取出能够真实反映地磁场强度空间分布的种子点,将提高地磁场磁力线可视化的有效性。针对通常基于磁经圈的均匀角度种子点选取算法绘制的磁力线不能客观反映地磁场强度空间分布的不足,本文提出了一种等分磁场强度线积分的磁力线种子点选取算法。利用该算法对地磁场IGRF模型和T96模型描述的地磁内、外源场进行了可视化绘制,用五阶龙格库塔法进行了磁力线追踪。针对磁力线绘制结果中出现的磁力线冗余问题,设计了同区域种子点保留法、磁赤道面分割法、磁力线间隔判断法三种方法对冗余磁力线进行过滤。对实验结果进行统计分析,表明可视化结果中磁力线空间分布与地磁场强度空间分布之间具有明显的相关性,说明该种子点算法能够较好地实现对地磁场的可视化,磁力线疏密能够有效地反映地磁场强度的空间分布。磁壳可视化中的两个关键问题是磁壳面的构造和磁壳面的渲染。磁壳面的构造是在三维空间中绘制出磁壳面的形状,磁壳面的渲染则是通过透视、颜色映射、光照等手段增加磁壳的表现力。本文用多层磁壳的形式,结合透视和颜色映射的渲染手段进行磁壳可视化。首先生成多层磁壳,针对某一磁壳参数在磁赤道面上的磁纬圈上生成均匀分布的种子点,使用五阶龙格库塔法进行磁力线追踪,然后使用最短对角线法和最大顶角法在相邻磁力线之间构造三角面元,从而形成一个磁壳面,通过改变磁壳参数,最终绘制出多个磁壳面。然后对多层磁壳进行颜色渲染,采用VTK工具包和显卡的深度剥离技术实现透视效果,使用伪彩色算法实现磁壳面上的颜色映射。为了对渲染效果进行评估,以不同磁壳的区分度作为评价透视效果的关键,以磁壳面上颜色分布的均匀程度作为评价颜色映射效果的关键。实验结果中多个磁壳层之间具有良好的区分度,并且磁壳面上的颜色比较丰富,颜色分布也比较均匀,获得了清晰、美观的视觉效果。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P318

【参考文献】
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