面向动态特征的三维GIS平台关键技术研究

摘要

基于地球不是平的，且不是静止的这一普遍认知，GIS正从二维向三维，静态向动态发展，所以动态三维GIS必然是GIS的重要发展方向。目前三维GIS只对地球的静态进行表达，缺乏对动态特征(如水流和泥石流等流体场景)的表达，使得三维场景的逼真度和可信度较低。流体是三维GIS中广泛存在的具有动态特征的地理现象，对流体的模拟一直是图形学领域研究的热点和难点，虽已产生一些科研成果，但在GIS业界，鲜见有相关研究报道。对此本文重点对三维GIS中的地形场景建模及流体场景动态模拟进行了研究，具体研究工作如下：
　　 首先，本文对三维GIS的建模方法、地形可视化相关技术、流体模拟方法等进行了综合讨论，提出了存在的问题，并给出了本论文的研究目标及具体研究内容。
　　 接着，以优化海量地形数据的三维可视化算法为目标，提出了改进的地形分块和LOD的可视化算法。实验结果表明，该算法能够实时简化地形模型，消除四叉树CLOD算法存在的地形跳跃现象，并保持了良好的实时渲染帧速，为流体场景的真实模拟奠定了基础。
　　 然后，针对二维高度场方法和基于网格的欧拉方法存在的不足，本文采用基于粒子的SPH方法模拟三维GIS中的流体场景，改进了基于三维空间网格划分的领域粒子查找算法；提出了一种粒子与地形表面的实时交互算法；而对流体与障碍物的交互采用离散化方法；最后采用Marching Cubes算法重构流体自由运动表面。
　　 最后构建了一个三维GIS原型系统，并集成所研算法，对本文提出的理论和方法进行了验证。实验结果表明，本文所提出的算法能够较真实模拟三维GIS中的流体场景，与已有的SPH流体模拟算法相比，该算法提高了实时渲染的帧率，减少了计算时间，达到了预期的研究目标。