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深空测绘时空数据建模与可视化技术研究

周杨  
【摘要】:本文结合总装“十一.五”预研和国家863相关课题的研究工作,对深空测绘时空数据建模与可视化的相关理论和算法开展研究,重点研究了深空测绘时空基准、深空环境时空数据模型、行星表面形貌数据可视化、空间环境要素体绘制等关键技术的原理和实现方法,构建了深空(月地)空间环境可视化原型系统。论文的研究旨在能为将来深空测绘的理论体系的构建提供技术积累,为深空探测的深空测绘保障提供可视化认知手段。论文的主要研究工作和创新性以下几个方面: 1.对深空测绘的定义、任务需求以及关键技术等问题进行了探讨;归纳总结了深空测绘所涉及的时空坐标系,并对其进行了分类,提出了不同时空间坐标系之间的转换思路;对一些重要的时空坐标系之间的转换模型进行了推导。 2.深入分析了深空环境时空数据的构成和分类特征,提出了一种空间实体目标的分类方案;阐述了深空对象的基本时空演化过程,据此设计并实现了深空运动目标时空数据模型—DSMOST (Deep Space Moving Objects Spatio-Temporal),该数据模型可实现空间目标几何外形、外部运动状态以及内部行为数据的统一表达;针对空间环境可视化表达的需求,提出了一种基于八叉树空间剖分和自适应时间分区的空间环境数据时空分区模型—OSAT (Octree Space and Adaptive Time division)。 3.梳理了目前六种最具代表性的地形LOD绘制算法;研究并实现了CLOD算法;对Geometry Clipmaps算法进行了改进,提出并实现了非对称Clipmaps算法(Asymmetry Clipmaps),在不增加数据量的同时,有效改善了绘制效果。 4.综合CLOD、Chunk-LOD和Geometrical Mipmapping三种细节层次算法的优点,提出了并实现了一种基于可扩展四叉树结构的LOD算法(V-Quadtree LOD)。算法能对四叉树进行扩展,实现超出内存(Out of Core)海量全球形貌数据的实时动态显示,与分形算法结合有效提高形貌的绘制分辨率。 5.基于分形技术实现了月面陨石坑、岩石块的模拟,与已有月面DEM数据合成,有效提高了月面形貌的分辨率;通过使用松散场景四叉树结构有效地提高了月面岩石块的检索和绘制效率。 6.提出了一种基于体数据直方图与梯度二阶导数相结合的二维转换函数,能有效地将环境体数据值转换为光学特征值;将体绘制技术应用于空间环境要素的三维可视化表达,分别使用基于3D纹理的体绘制算法和基于GPU的光线投射算法对全球环境数据实现了三维可视化,提出了算法优化方案,并通过实验证明算法的可靠性和高效性。 7.通过CG着色器语言实现了大气光学模型的积分计算,使用采样球、纹理查找表、背面与视域剔除等技术,改善了大气3维绘制的可视化效果。 8.在集成了以上理论和算法的基础上,设计并构建了“月地空间环境可视化原型系统”,实现了地球和月球形貌多分辨率显示、空间环境要素绘制以及太阳系行星、卫星以及人造探测器的实时在轨显示;给出原型系统的部分实验结果和应用示例。


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