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全球地形数据组织与可视化技术的研究

谭力恒  
【摘要】:近年来,随着信息技术的不断发展,全球地形数据组织与可视化技术得到了越来越广泛的应用,各种三维地球浏览系统不断地被推出。然而,目前这一领域的理论和技术还不成熟,没有形成统一的标准框架,已有系统往往在数据组织、视图调度、空间计算等方面存在诸多不足。本文围绕构建具有空间一致组织结构、高效完备数据调度机制的全球地形可视化系统,开展全球地形数据组织与可视化关键技术的研究。本文的主要工作和研究成果包括以下几个方面: 深入研究和比较了各种经典的全球空间剖分方法,在此基础上改进得到一种基于球面四元三角网结构和经纬度平分原则的球面剖分策略。该方法既具备球面剖分的全球一致均匀分布特性,也一定程度上保留了经纬度平面剖分易于处理和使用的特点,为后续多分辨率模型的组织和建立奠定了基础。 为了实现全球范围海量地形数据的可视化、解决巨大的数据量与计算机有限的实时处理能力间的矛盾,研究了一种改进的多分辨率数据组织模型的构建、组织、编码、索引方法。该方法以球面剖分为基础、以分层分块为手段,将原始数据转换为数据区块的集合,并提出了一种经纬度相关编码方法以提高索引和调度的效率。 在多分辨率数据组织模型基础上,改进了层次细节模型绘制算法,通过对数据模型中最小单位——数据区块的分辨率属性自适应原则,直接在整体模型中进行细节层次模型的选择和优化。本文还推导了在参考椭球坐标下视点相关参数的计算方法,实现了在球面三维漫游过程中层次细节模型计算和可视化。 在总结上述数据组织模型与层次细节绘制算法的基础上,综合考虑面向GPU的图形绘制、基于外存的数据调度、三角形条带简化技术、文件系统的存储布局等图形绘制加速手段,设计并实现了一个全球地形数据组织与可视化原型系统——GeoEarth,对本文研究的数据组织与可视化框架及相关技术进行了应用和验证。实验证明,系统具有较高的绘制性能,并且具有可移植性,可作为多种应用系统的基础平台。 综上所述,本文研究了全球地形数据组织与可视化多个重要环节的关键技术,有助于实现全球海量高程和影像数据的高效管理与实时绘制,并为各种专业应用系统的开发提供基础支持。


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