空间数据融合与可视化的理论及算法

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 基于遥感技术的空间数据获取
• 1.1.2 多源遥感信息融合
• 1.1.3 地形数据可视化算法
• 1.1.4 三维矢量数据绘制算法
• 1.1.5 空间数据可视化系统
• 1.1.6 三维可视化图形标准
• §1.2 本文的研究内容及安排
• 第二章 空间数据融合的理论与方法
• §2.1 多源遥感影像融合概述
• §2.2 遥感图像像素级融合算法
• 2.2.1 IHS变换融合
• 2.2.2 PCA变换融合
• 2.2.3 加权平均融合
• 2.2.4 高通滤波融合
• 2.2.5 小波变换融合
• 2.2.6 遥感图像像素级融合实验
• §2.3 遥感图像融合方法评价
• 2.3.1 融合图像的主观评价方法
• 2.3.2 融合图像的客观评价方法
• 2.3.3 评价指标的选取
• §2.4 基于粗糙集理论的遥感图像融合技术
• 2.4.1 粗糙集基本理论
• 2.4.2 粗糙集知识化简与应用模型
• 2.4.3 基于粗糙集的遥感影像决策级融合
• §2.5 遥感影像与地形数据的融合处理
• 2.5.1 遥感影像几何校正
• 2.5.2 多源空间数据配准
• §2.6 本章小结
• 第三章 海量地形数据组织与管理
• §3.1 地形瓦片金字塔模型构建
• 3.1.1 瓦片金字塔模型概述
• 3.1.2 金字塔模型中的瓦片索引
• 3.1.3 金字塔模型中的瓦片拓朴关系
• 3.1.4 金字塔模型中的主要数据结构
• 3.1.5 可扩展的地形多金字塔模型
• §3.2 地形瓦片TIN模型构建
• 3.2.1 基于几何误差和视觉保持的地形重要点集选取策略
• 3.2.2 利用Hausdorff距离评价地形简化精度
• 3.2.3 地形TIN模型简化误差限制
• §3.3 瓦片模型的三角形条带生成技术
• 3.3.1 三角形条带技术概述
• 3.3.2 规则格网瓦片三角形条带生成技术
• 3.3.3 瓦片TIN模型三角形条带创建
• 3.3.4 地形瓦片TIN模型构建实验
• §3.4 本章小结
• 第四章 海量地形数据的实时绘制
• §4.1 地形可视区域计算与控制
• 4.1.1 地形可视区域坐标计算
• 4.1.2 地形可视区域面积控制
• §4.2 地形瓦片搜索策略
• 4.2.1 地形瓦片最佳分辨率确定
• 4.2.2 地形瓦片搜索策略
• §4.3 地形绘制优化技术
• 4.3.1 地形缓冲区管理机制
• 4.3.2 地形绘制裂缝修复
• 4.3.3 地形绘制实验与分析
• §4.4 地形景观立体投影显示技术
• 4.4.1 人工立体视觉原理
• 4.4.2 立体投影显示的常用方法
• 4.4.3 幅分隔法三维景观立体投影显示
• 4.4.4 基于普通双屏显卡的被动式三维景观立体投影显示
• §4.5 本章小结
• 第五章 基于三维场景的地形矢量数据高效显示
• §5.1 基于纹理映射的矢量数据绘制
• 5.1.1 矢量纹理创建
• 5.1.2 矢量纹理优化方法
• §5.2 基于几何映射的矢量数据绘制
• 5.2.1 矢量数据预处理
• 5.2.2 矢量数据绘制
• §5.3 基于模板阴影体算法的矢量数据绘制
• 5.3.1 阴影体技术基本原理
• 5.3.2 地面点在投影多面体内的判断
• 5.3.3 基于模板阴影体原理的三维矢量数据绘制
• 5.3.4 三维矢量数据绘制实验与分析
• §5.4 本章小结
• 第六章 基于Clipmap原理的地形绘制技术
• §6.1 纹理Mipmap与Clipmap的基本原理
• 6.1.1 纹理Mipmap的基本原理
• 6.1.2 纹理Clipmap的基本原理
• §6.2 基于平面Clipmap的地形绘制技术
• 6.2.1 平面Clipmap顶点数据的存储与更新
• 6.2.2 平面Clipmap中的区域
• 6.2.3 平面Clipmap层间的接边处理
• 6.2.4 平面Clipmap中有效层的选取
• 6.2.5 平面Clipmap地形绘制实验
• §6.3 基于球面Clipmap的地形绘制技术
• 6.3.1 球面Clipmap的定义及坐标转换
• 6.3.2 球面Clipmap网格的离散化
• 6.3.3 球面Clipmap中有效层选取
• 6.3.4 基于瓦片金字塔数据的网格点高程与纹理坐标获取
• 6.3.5 球面Clipmap地形绘制实验
• §6.4 本章小结
• 第七章 空间数据融合与可视化原型系统
• §7.1 TSSFVS的设计
• 7.1.1 TSSFVS框架结构与数据流程
• 7.1.2 TSSFVS的软件模块及主要功能
• §7.2 TSSFVS实验与应用
• §7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作
• 致谢