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空间数据融合与可视化的理论及算法

戴晨光  
【摘要】:本文针对空间数据融合与可视化的相关理论及算法进行了研究,重点讨论了多源遥感图像融合算法的智能化选取、海量地形空间数据的高效组织与管理、地形数据的实时绘制、三维矢量数据的高效精确显示以及基于Clipmap原理的全球三维地形显示等关键技术和算法的原理与实现过程,并构建了空间数据融合与可视化原型系统。论文的主要工作有: 1.针对空间数据可视化这一特定目标,指出了空间数据融合主要解决的问题。阐述了多源遥感图像融合处理的基本流程以及常见遥感图像像素级融合算法的基本原理,论述了遥感图像融合质量的评价方法,并给出了评价指标选取的一般策略。引入了粗糙集知识化简与决策的相关理论,实现了遥感图像融合算法的智能化选取。 2.论述了利用瓦片金字塔模型和四叉树索引实现规则格网DEM数据和DOM数据高效组织与管理的原理和方法,并在此基础上提出了可扩展的地形多金字塔模型,用于不同地区或同一地区不同分辨率地形数据集的集成管理与显示。 3.在规则格网DEM瓦片金字塔数据模型的基础上,引入格网顶点导出性和顶点法向锥量度,提出了基于几何误差和视觉保持的地形瓦片TIN模型构建方法。分析了地形数据物方误差与屏幕绘制误差的关系,给出了基于对称Hausdorff距离准则的地形TIN模型简化误差控制方案。为提高地形绘制效率,针对规则格网地形瓦片提出了内旋连接法三角形条带生成算法,针对TIN瓦片模型引入了面向条带优化的三角形条带生成算法。 4.提出了集地形可视区域精确计算和面积控制、基于地形绘制瓦片最佳分辨率准则的瓦片搜索及地形瓦片缓冲区管理和瓦片边界绘制裂缝消除于一体的瓦片金字塔模型地形数据实时绘制策略,有效提高了三维地形场景的绘制效率。 5.在分析人工立体视觉原理和三维场景立体投影显示常用方法的基础上,提出了一种利用普通双屏显卡和幅分隔法实现三维场景被动式立体投影显示的方案,有效降低了三维场景立体投影显示的硬件成本。 6.阐述了基于纹理映射和基于几何映射的矢量数据绘制方法的基本原理,采用阴影绘制中的透视变换重新参数化方法,实现了基于纹理映射的矢量数据绘制优化算法。引入模板阴影体原理,实现了一种具有屏幕像素级精度的三维矢量数据高效绘制算法。 7.阐述了基于平面几何Clipmap技术的地形绘制方案,重点探讨了球面Clipmap的基本原理、网格离散化方法以及网格绘制有效数据层选取策略,提出了球面Clipmap和地形瓦片金字塔模型相结合的全球地形数据实时绘制方案。 8.在上述理论和算法研究的基础上,构建了空间数据融合与可视化原型系统,介绍了该系统的框架结构、数据流程、模块组成及其主要功能,并展示了系统的部分实验结果和应用示例。


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