面向数字海洋应用的全球地形数据组织与可视化技术研究

发布时间：2017-09-13 20:28

  本文关键词：面向数字海洋应用的全球地形数据组织与可视化技术研究

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【摘要】：随着“数字地球”和“数字海洋”概念的相继提出,全球地形数据组织管理与可视化技术得到了越来越多的重视。如何构建一个面向领域应用具有高度真实感与流畅渲染效率的全球地形可视化场景成为一个迫切需求。近年来国内外出现了多种优秀的地形绘制算法并推出各种三维地形可视化系统,但研究对象大多是基于陆地的、平面的、局部的虚拟地形场景,无法有效满足多源异构特点的复杂海洋数据数字产品对地理空间基础地形信息的需求。我国是一个海洋大国,从国家发展战略角度出发,我国已将“数字海洋”列入国家海洋科学技术发展计划,随着这一发展目标的确定和实施,构建面向数字海洋应用的全球地形可视化系统成为迫切需要解决的重要课题。本文针对数字海洋应用需求的特点,将地形从陆地扩展到海底,从平面扩展到球面,从局部扩展到全球,围绕构建具有多分辨率结构的全球地形三维可视化系统,开展面向数字海洋应用的陆地和海底、平面和球面、局部和全球一体化的全球地形数据组织与三维可视化研究。论文的主要研究内容和取得的研究成果如下：(1)全球地形数据组织与管理在深入研究全球空间剖分方法的基础上,针对全球地形高程数据的特点,制定一致均匀分布的全球海陆地形数据空间剖分策略。利用四叉树数据结构构建地形多分辨率高程数据金字塔模型,基于行列号设计了一种适合调度的数据存储方式与地形块节点选择方法。(2)基于距离依赖的全球地形绘制在全球地形数据多分辨率金字塔组织模型的基础上,基于视点距离选择LOD层次,以地形块节点作为数据处理与地形绘制基本单元,使用同一个顶点缓冲区对象实现场景中所有地形块节点的GPU渲染。在不同层次LOD裂缝处理上,使用平滑过渡的方法。(3) 面向海洋应用的全球三维地形可视化实现在总结上述全球地形数据组织与管理和基于距离依赖的全球地形绘制算法的基础上,给出了GPU算法处理流程,设计并实现了一个面向全球海陆地形数据的可视化原型系统。并结合数字海洋应用提出一种交互式三维地形编辑的解决方案,重点考虑了多种地图投影变换、海底陆地高程非同步交互修改以及地形与地理矢量数据匹配融合的技术实现。本文面向数字海洋应用,基于中国海洋大学自主研发的海洋虚拟现实与可视化平台i4Ocean渲染引擎,对地形数据进行有效组织与管理,构建了全球海陆地形三维可视化系统。实验结果表明,系统具有较高的绘制性能、良好的可移植性与可扩展性,能够在平面球面、局部全球之间交互切换,并能根据海洋数据维度特点实时非线性编辑修改地形高程,能够满足多种类型海洋数字产品对基础空间地理信息的需求,为国家“数字海洋”发展战略提供服务。
【关键词】：全球地形 地形可视化 数据组织 层次细节 数字海洋
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P208;P229
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 地形可视化算法13-15
• 1.2.2 地形可视化系统15-17
• 1.3 研究目的和意义17-19
• 1.3.1 研究目的17-18
• 1.3.2 研究意义18-19
• 1.4 论文组织结构19-21
• 2 相关理论与技术21-30
• 2.1 全球空间数据网格剖分模型21-23
• 2.2 数字地形表示模型23-25
• 2.2.1 规则网格模型23-24
• 2.2.2 不规则网格模型24-25
• 2.3 GPU加速绘制技术25-27
• 2.3.1 GPU特性26
• 2.3.2 着色器26-27
• 2.4 i4Ocean平台介绍27-29
• 2.4.1 i4Ocean平台渲染引擎27-28
• 2.4.2 i4Ocean平台场景管理28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 全球地形数据组织与管理30-39
• 3.1 多分辨率金字塔模型30-31
• 3.2 分层分块方案设计31-34
• 3.2.1 地形数据分层32
• 3.2.2 地形数据分块32-34
• 3.3 基于行列号的地形数据存储结构34-36
• 3.3.1 文件组织方式34-35
• 3.3.2 数据存储结构35-36
• 3.4 地形块结点的快速查找36-37
• 3.4.1 地形瓦片文件索引36-37
• 3.4.2 地形瓦片坐标计算37
• 3.5 本章小结37-39
• 4 全球地形实时可视化算法39-48
• 4.1 基于距离依赖的全球地形可视化40-43
• 4.1.1 视点相关的层次选择40-41
• 4.1.2 地形数据瓦片绘制41-42
• 4.1.3 裂缝和突跃处理42-43
• 4.2 面向海洋应用的地形交互编辑43-46
• 4.2.1 多种空间坐标变换43-44
• 4.2.2 海底陆地地形高程非同步修改44-45
• 4.2.3 地形融合地理矢量数据45-46
• 4.3 地形真实感效果增强46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 5 基于i4Ocean平台的三维地形可视化实现48-58
• 5.1 算法绘制流程48-49
• 5.2 系统实现与结果49-57
• 5.2.1 系统开发环境49
• 5.2.2 系统实现数据49-51
• 5.2.3 系统实现步骤51
• 5.2.4 系统实现效果51-56
• 5.2.5 实验结果分析56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 6 总结与展望58-61
• 6.1 总结58-59
• 6.2 展望59-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-66
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果66

【参考文献】

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本文编号：845724