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三维GIS中大规模场景数据获取、组织及调度方法的研究与实现

翟巍  
【摘要】: 近几年当中,与“数字地球”相关的研究与应用在全世界范围内受到了广泛的关注,作为“数字地球”重要支撑技术之一的三维地理信息系统也相应得到了快速的发展。本文以大连市空间数据基础设施建设为背景,针对滦河中、下游流域三维场景演示系统中大规模三维场景可视化问题,重点从数据获取、组织与调度三个方面研究相关理论和方法,设计并实现了一套三维地理信息系统平台SEI3D。 大规模三维场景可视化是三维地理信息系统中的一个重要研究问题,传统的可视化方法只能够对小范围场景进行实时交互的绘制,无法满足应用的需要。从目前的研究情况看,主要从两个环节寻求改进:一是数据从外存储器到内存阶段,通过数据的有效组织、内外存之间的合理调度缩短读数据的时间;二是数据在内存中的绘制阶段,通过多分辨率模型等技术缩短绘制时间。本文针对其中第一个环节,主要研究内容包括: 一、研究大规模三维场景空间数据的获取问题。空间数据的获取是目前制约地理信息应用的一个主要瓶颈,而实际上很多城市都积累了大量的纸张地图或者是已经矢量化的二维地图,这部分资源应该得到有效利用。本文主要研究了基于二维矢量图如何获取构建三维场景所需的空间数据,包括地形、地物的二维数据采集与三维建模方法,并针对数据获取中的主要难题,即等高线高程赋值问题,提出了一种基于高程控制点自动聚集、相近控制点协作的自动处理方法,显著缩短空间数据获取的处理周期。 二、研究大规模三维场景空间数据的组织问题。本文提出通过对空间数据按照不同区域、不同细节层次进行分割加工,利用场景金字塔+子场景地物的规则划分四叉树索引结构,将三维场景的空间数据组织成多细节层次的塔型结构,以有效支持后续的数据调度策略以及绘制过程的优化,满足大规模场景实时绘制的需要。本文首先确定了适用于大规模三维场景可视化的数据结构和存储方式;然后分别针对DEM数据、地物模型数据、纹理影像数据及场景元数据论述了分割与LoD处理的方法;最后给出场景金字塔与子场景规则分割四叉树两套索引的建立以及具体应用策略,该索引机制减少了内存消耗,降低了数据查找的复杂性。 三、研究大规模三维场景绘制过程中的数据调度问题。大规模场景绘制在实现上根据投影方式的不同可分为电子沙盘与实时漫游两种方式。本文首先给出了两种方式下基本的数据调度方案。其中实时漫游方式由于场景绘制的复杂性和浏览路线的不确定性,一直是作为研究的重点和难点,本文接下来专门研究了多种优化策略:遮挡剔除技术利用地物之间的遮挡关系进一步删减需要调度的数据量;基于细节层次的简化为地物构造不同细节水平的表现形式,以适当牺牲场景绘制精度为代价提高数据调度效率;多线程处理机制将数据调度与场景绘制分别在不同线程内实施,更加充分发挥计算机的处理能力;数据预取策略通过预测用户的漫游路线事先将可能用到的数据读入内存中,以保证场景绘制的连贯性,本文在原有的场景绘制形式化理论中引入对绘制复杂性因素的考虑,基于该理论对预取策略中漫游路线的不确定性作进一步分析,并详细探讨了预取数 据的选择、预取过程的启动时间等实施中的具体方案。 四、基于以上研究内容,论述三维GIS平台SEI3D及其查询功能的设计与实现方 法。本文首先给出了SEI3D系统的总体设计和主要功能,其中多项功能用于支持前本文 的场景可视化策略。除此之外,以实际应用为背景,重点研究了系统中主要查询功能的 设计与实现方法。最后给出基于SEI3D软件平台开发的应用实例—滦河中下游流域三 维场景演示系统。作为本文主要研究内容的工程背景,该项目最终能够开发成功使得本 本文所提出的数据分割、动态调度以及实时简化策略的有效性得到了很好的验证。 总之,在借鉴国内外最新研究成果的基础上,本文提出了一套以场景分割、细节层 次简化、多线程动态调度、漫游路线预判为主要思想的解决方案,实现了大规模三维场 景的实时绘制。这套处理方法已经嵌入到我们自主开发的三维地理信息系统平台软件 SEI3D系统之中,作为“大连市空间数据资源中心,,及“大连理工大学空间技术研究中心,’ 面向“数字大连,,战略开展三维GIS研究的一项重要成果,其主要思想在“滦河中下游流 域三维场景演示系统”项目中己经得到了应用与检验,最终结果达到了用户的开发要求。


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