基于LOD的三维地形与地物模型集成方法研究

摘要

地理信息的三维可视化技术就可视化对象分为三维地形可视化与三维实景地物可视化。随着虚拟现实技术、三维仿真技术、以及计算机视觉技术的快速发展，产生了结合地形与地物景观为一体的虚拟地理环境技术。其旨在三维地形可视化环境中以最大真实程度来模拟人类生存的周边环境。　　随着三维虚拟地理环境的不断发展进步，三维地理信息也面临着许多瓶颈性的挑战，三维地形与地物模型的高精度集成是其中一个重要方面。由于三维地形数据与三维地物数据往往是在异构的环境中生成，从而具备不同的数据格式、不同的地理信息参数，与此同时由于数字地形本身仅是插值产生的模拟地形表面，与真实的地表形态相比，存在一定的误差。因此在模拟地形与真实的地物信息数据集成显示时，会产生不匹配的效果。这些不匹配的效果在三维虚拟地理环境中常表现为，地物模型往往没有在其正确的地理位置显示，或漂浮于空中，或深陷于地下。为解决以上问题，满足三维地理信息在可视化、信息查询、定位等应用中对高数据精度的要求，本文对三维地形与地物的集成方法进行了研究。同时，为满足现代化海量数据的快速处理需求，引入了细节层次技术(LevelofDetail,LOD)。　　本文基于LOD相关算法，利用OpenSceneGraph(OSG)三维视景仿真技术作为基础编程平台，对已有的地形简化算法、地形地物集成方法进行了综述与分析，针对已有地形LOD构建算法以及地形地物集成方法中的不足，本文做了三方面的研究。首先，为解决在不同地形LOD模型中均加载精细地物模型而导致可视化效率低的问题，本文提供了基于地物简化的快速加载与展示方法，根据地物模型不同的几何特征，设计了在不同的地形LOD层级范围内，地物模型的简化展示方案，主要包括独立于地形的点状特征地物模型、依赖于地形线状或面状特征地物模型、独立于地形的面状特征地物模型以及具有动态属性的地物模型。其次，研究基于不规则三角网与规则格网两种不同的地形组织方式下，三维地形建模与地形LOD模型构建算法，提出基于地形特征点的地形简化算法、考虑地形复杂度的地形LOD模型调度算法，提高了地形简化的精度的同时，加快了地形可视化效率。最后重点研究了基于不规则三角网与规则格网两种不同的地形数据组织方式下，地物与地形的集成方法，主要包括，独立于地形的点状地物、线状地物、依赖于地形的面状地物、独立于地形的建筑物模型以及动态地物模型与地形实时的集成方法研究。　　在以上的研究内容中，基于已有的研究基础，本文突出展现在设计了基于地物几何特征的地物模型简化方案，提出了基于地形特征点的地形简化算法以及基于地形复杂度的地形LOD模型调度算法，并结合地形的动态调度机制实现地形与地物的动态集成。与此同时，本文系统研究了基于LOD动态调度机制下，不规则三角网地形模型与不同地物模型集成算法的优化，以及对规则格网地形模型与不同表现形态的地物模型的集成算法的创新与改进。最后经过实验分析，说明本文的改进算法不仅满足了三维集成的精度要求与可视化的仿真要求，而且具有一定的稳定性与实用性。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地形LOD构建算法

1．2．2 三维地形地物集成方法

1．2．3 存在问题

1．3 研究目的与意义

1．3．1 本文研究目标

1．3．2 研究意义

1．4 相关技术支撑

1．4．1 Open Scene Graph三维图形渲染技术

1．4．2 LOD技术

1．4．3 三维建模技术

1．5 论文主要内容与组织结构

2 基于几何特征的地物模型简化方案设计

2．1 独立于地形的点状地物

2．1．1 几何特征概述

2．1．2 简化方案设计

2．1．3 简化模型选择方法

2．2 依赖于地形的线面状地物

2．2．1 几何特征概述

2．2．2 简化方案设计

2．2．3 简化模型选择方法

2．3 独立于地形的面状地物

2．3．1 几何特征概述

2．3．2 简化方案设计

2．3．3 简化模型选择方法

2．4 地物的动态属性

2．4．1 几何特征概述

2．4．2 简化方案设计

2．4．3 简化模型选择方法

2．5 小结

3 地形LOD模型构建算法优化

3．1 三维地形组织结构与实现

3．1．1 不规则三角网地形模型

3．1．2 规则格网地形模型

3．1．3 规则格网与不规则三角网模型的比较分析

3．2 基于特征点的地形简化算法

3．2．1 不规则三角网模型简化算法

3．2．2 规则格网简化算法

3．3 地形LOD模型调度算法

3．3．1 地形分块处理

3．3．2 LOD调度策略

3．3．3 LOD模型选择

3．3．4 LOD构建中裂缝处理

3．4 基于地形复杂度的LOD模型调度算法

3．4．1 地形复杂度计算

3．4．2 基于地形复杂度的LOD调度算法

3．5 小结

4 基于LOD的三维地形与地物模型集成方法改进

4．1 不规则三角网地形模型下的地物集成算法改进与实现

4．1．1 独立于地形的点状地物

4．1．2 依赖于地形的线状地物

4．1．3 依赖于地形的面状地物

4．1．4 独立于地形的建筑物

4．1．5 动态地物

4．2 规则格网地形模型下的地物集成算法改进与实现

4．2．1 独立于地形的点状地物

4．2．2 依赖于地形的线状地物

4．2．3 依赖于地形的面状地物

4．2．4 独立与地形的建筑物

4．2．5 动态地物

4．3 地形地物模型集成的主要流程

4．4 地物地形集成精度评价方法

4．4．1 常用精度评价模型

4．4．2 集成精度评价方法

4．5 小结

5 三维地形地物集成软件开发与实验分析

5．1 软件设计

5．1．1 功能设计

5．1．2 算法流程

5．1．2 程序设计

5．2 开发环境与数据来源

5．2．1 开发环境

5．2．2 数据来源

5．3 数据预处理

5．3．1 基于地形复杂度的地形LOD生成

5．3．2 地物模型生成

5．4 地形、地物模型集成实验分析

5．4．2 时效性分析

5．4．3 集成精度分析

5．4．4 部分效果图展示

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果