黄土高原小流域侵蚀预测与景观虚拟研究

摘要

黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的区域之一，水土流失导致该地区土层变薄、养分减少、植被退化、生态脆弱，经济发展缓慢，同时侵蚀产沙淤积下游河道，加剧洪涝灾害。因此，国家十分重视并采取多项措施来开展黄土高原水土保持生态建设，但水土流失形势仍比较严峻。 本研究采用BP神经网络，进行黄土高原小流域侵蚀预测，分析了小流域的真实感三维景观虚拟的理论与关键技术，重点探索了虚拟的实现方法，开发完成小流域侵蚀预测与景观虚拟系统。主要研究工作和结论如下： (1)改进BP神经网络学习算法，选取小流域的年均降雨量、产洪降雨量、年径流量、产洪径流量等影响因素，作为输入变量，小流域的侵蚀量作为预测结果。以多年实地观测数据训练网络，并检验预测结果，取得了较好的预测精度。 (2)探讨了基于等高线的小流域地形的三维建模；提出了顶点法向量的加权平均法，较好地解决了光照模型的连续性问题并增强真实感；采用天空球模型，加以纹理贴图及时钟控制，实现了天空云彩的动态飘浮效果。 (3)树木的虚拟中，使用基于图像的“十字交叉法”建模方式，获得较真实效果和较快绘制速率。 (4)研究了粒子系统实现自然降雨模拟，选取位置、生命期、形状等作为粒子属性，采用链表数据结构，依次产生新粒子，计算粒子运动，绘制粒子，消除死亡粒子。 (5)小流域的地表径流是一个复杂的物理过程，三维虚拟过程中，对地学模型中水流方向算法进行简化，采用八网格算法确定水流运动方向。对于地形中的低洼处，以逐步抬高低洼点高程的方法，解决了径流的连续性问题，基于粒子系统实现，获得了逼真的模拟效果。

目录

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第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2研究现状

1.2.1小流域侵蚀预报模型

1.2.2虚拟现实技术

1.2.3数字化小流域

1.3研究内容及组织结构

第二章关键技术分析与研究

2.1地形的生成

2.1.1地形建模方法

2.1.2地形数据组织

2.2光照模型研究

2.3天空背景渲染

2.4基于纹理贴图的植被构建

2.5基于粒子系统的降雨虚拟

2.6八网络算法的地表径流模拟

2.7小流域侵蚀量预测

第三章系统设计

3.1系统的设计目标

3.2系统功能结构设计

3.3系统工作流程

3.4系统开发平台与技术选择

3.4.1开发平台与思想

3.4.2三维虚拟工具

第四章系统实现与测试

4.1数据的获取与处理

4.2三维虚拟开发环境配置

4.3系统模块实现

4.3.1三维地形生成

4.3.2基于加权平均法向量的光照模型

4.3.3天空球模型的背景天空

4.3.4基于纹理贴图的植被覆盖

4.3.5基于粒子系统的降雨模拟

4.3.6小流域径流虚拟

4.3.7场景漫游

4.3.8基于BP网络的侵蚀预测

4.4系统测试

第五章结论与展望

5.1主要结论

5.2研究展望

参考文献

致谢

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