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大规模流域三维可视化研究

施松新  
【摘要】: 地形和河流水体是虚拟流域场景中的重要内容,其三维可视化在水利水电开发和流域数字化管理上有着广泛的应用需求。论文围绕大规模流域三维地形的多分辨率表示与实时绘制,流域水体的可视化建模仿真以及海量流域地形场景的网络发布等进行了深入研究,探索了新的方法和技术,实现了一个大规模流域场景虚拟仿真三维可视化系统。 流域地形的三维可视化对于虚拟流域研究来说,是一个重要的组成部分。对于海量DEM数据建立的流域基础地形模型,通常包含数亿乃至几十亿个三角形,对目前的图形硬件而言,实时交互绘制如此大数据量的场景是难以实现的。为此,本文提出了一种场景规模不相关地形实时绘制框架,采用基于外存和数据分块组织的设计策略,提出了一种改进的四队列ROAM算法来实现分块地形快速实时绘制,该算法能有效地利用相继帧之间的数据相关性和交互漫游的视点连贯性,建立连续的层次细节模型,并且能很好地结合视域剔除,三角形条带化,数据预取等算法,进一步提高绘制速度。 由于流域水体边界约束条件和外部作用的多变性,河床地形随区域地形变化很大,河流水面的表现形态和运动特征在不同区域如峡谷地带和开阔水库地域变化很大,传统的单一水波面建模方法很难满足大规模流域复杂水体的统一建模和洪水演进过程的三维仿真需求,为此本文在总结已有的水体水波面建模方法的基础上,提出了一种综合建模方法,针对不同区域的水体特性分别建模,通过一个波浪方向分布函数的分解模型,将流域河流水面分解为随机水波和方向波的线性组合,根据比例系数的连续性,可以逼真绘制出河流从开阔区域向狭窄河谷地段以及河道中心深水区域向近岸浅水区域的自然过渡效果,解决了不同水域水面波动的随机性和方向性兼顾的问题。针对洪水演进过程的洪峰特效,基于几何方法建模,在物理形态上近似模拟真实洪水演进过程中的洪峰形状,在实时渲染过程与水波面模型进行叠加融合,并根据真实水文水情参数控制洪峰运动。基于这种分解建模、实时叠加融合的方法实现的流域水体及洪水演进过程的动态建模速度快,仿真模拟真实感效果较好。 对各种水文水情分析结果进行远程可视化是虚拟流域开发管理的现实应用需求,需要构建一个面向网络环境的流域地形场景远程渲染平台,在此基础上对各种水文数据进行远程浏览查询和流域地形地物场景交互漫游。针对大规模流域地形场景远程渲染的问题,本文在研究渐进压缩和网络传输的基础上,提出了一种基于小波分析的大规模地形远程传输和绘制体系,将DEM数据结构的细分过程映射到小波更新和提升的框架下,对大地形分块管理并对每个分块作独立小波变换,并采用改进的SPIHT编码方法将分块地形数据组织为数据流的形式,实时渲染过程根据视点位置提取可见的一组子块,基于多分辨控制测度将分辨率映射为码流传输长度,在客户端基于二元三角形结构对地形数据重组并绘制。该方法不保存静态的细节层次,也没有庞大的辅助数据,空间复杂度低。实验结果证实了小波渐进压缩方法和地形流式传输算法的有效性。 论文还探讨了面向网络办公和应用的大规模地形和三维水体仿真可视化系统体系结构。提出了传输地形模型的组合式C/S(客户/服务器)和B/S(浏览器/服务器)混合结构以及相应的绘制系统解决方案:介绍了一个大规模虚拟流域仿真和水文水情可视化系统的设计和实现,并给出了它的功能、组成结构、实现以及运行实例。


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1 施松新;大规模流域三维可视化研究[D];浙江大学;2007年
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