面向数字地球的三维景观构造关键技术研究

论文摘要

作为数字地球的一部分，三维景观系统构建的研究涉及面非常广泛，包括了3S(GIS、GPS、RS)、多媒体、网络、虚拟仿真等技术。它一般生成一个实时的三维尺度空间系统来展现三维景观模型，从而产生逼真的“虚拟环境”效果。三维景观系统具有一个开放、互动的系统环境，在这个环境中多种数据源集成融合在一起，如DEM数据、影像数据、矢量数据等。在数据源方面，可以将原有传统地理信息系统的具有二维坐标的地图数据添加上高程信息后以三维的形式来存储、管理、查询和分析。三维景观信息的表达在环保、水文、地质、气象、地球物理等领域有着广泛的应用前景。 本文在GeoBeans数字地球和三维景观系统项目的研究推动下，从系统构造涉及的关键算法出发，对实现三维景观的相关关键技术进行了深入的研究。本文主要研究工作如下： (1) 在空间数据模型方面，分析与总结了现有的三维数据模型的优缺点，提出了改进的面向查询的空间数据模型，并对该模型的数据组织和拓扑关系进行了描述和实现，设计了对其进行空间数据查询和空间分析的方法。 (2) 对空间实体数据组织，特效数据的组织方法、纹理数据的管理进行了研究。对不规则的几何实体、规则地形数据的组织管理以及模型库的建立方法进行了研究。 (3) 在对场景组织方面，对复杂场景管理、空间数据的高效组织与管理进行了深入的研究。本文针对具体的应用实例，在深入分析现阶段空间数据管理现状的基础上，研究了复杂场景高效的组织方案。 (4) 为了减少网络传输数据，提高系统的响应速度，必须利用数据压缩方法充分利用网络带宽，同时对网络传输应用多级数据缓存方法。本文提出了网络三维数据缓存的方案。 (5) 在三维场景数据进行简化的方面，对三维模型数据简化算法、地形数据的简化算法以及三维场景的空间分割技术进行了研究。 (6) 对三维景观中的动画仿真技术进行了探讨。首先对三维景观中常用的动态实现方法作了介绍，并对帧动画的实现做了研究，同时对关节动画的构成和展现方法做了分析。对动态仿真的粒子系统设计和实现做了探讨和研究，并对三维实时碰撞检测算法做了研究。提出了几种在虚拟现实中常见的虚拟镜头类别，并在此基础上的提出了相应的虚拟镜头模型。 (7) 对用光照贴图来实现光照模型的方法进行了研究，并对自然物体的绘制、全景图的生成进行了研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 国内外研究现状概述
• 1.3.1 现有实现技术概述
• 1.3.2 国内的研究现状
• 1.3.3 国外的研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本文的组织
• 第二章 三维空间数据组织与管理
• 2.1 三维数据模型的研究
• 2.1.1 空间数据模型概述
• 2.1.2 改进的面向空间查询的三维数据模型
• 2.1.2.1 空间拓扑关系的建立
• 2.1.2.2 空间数据的查询
• 2.1.2.3 空间数据的索引
• 2.2 三维复杂场景管理
• 2.2.1 分层次的场景组织管理
• 2.2.2 基于脚本事件驱动的动态场景管理
• 2.2.3 场景管理引擎的设计
• 2.3 三维空间实体数据的管理
• 2.3.1 空间数据库管理
• 2.3.2 三维几何实体数据的管理
• 2.3.2 地形数据的管理
• 2.3.3 三维模型符号库的管理
• 2.3.4 三维纹理库的管理
• 2.3.5 特效数据管理
• 2.4 数据的融合与集成
• 2.5 本章小结
• 第三章 三维数据简化、传输及空间分割技术
• 3.1 三维实体模型的简化算法
• 3.1.1 细节层次模型
• 3.1.2 三维实体模型的简化
• 3.1.3 细节层次模型的平滑
• 3.2 地形的简化
• 3.2.1 附加优先级的大规模地形的简化
• 3.2.2 分块内地形的四叉树简化
• 3.2.3 验证与分析
• 3.3 空间数据的多级缓存结构技术
• 3.3.1 数据压缩
• 3.3.2 多级缓存结构技术
• 3.4 三维空间分割技术
• 3.4.1 空间分割可见性技术
• 3.4.1.1 八叉树
• 3.4.1.2 二叉空间分割树
• 3.4.1.3 入口检测
• 3.4.2 混合空间分割技术
• 3.5 本章小结
• 第四章 三维空间动态控制
• 4.1 运动控制
• 4.1.1 帧动画
• 4.1.2 粒子系统
• 4.2 碰撞检测
• 4.2.1 碰撞问题
• 4.2.2 碰撞算法
• 4.2.3 验证与分析
• 4.3 虚拟照相机模型的研究
• 4.3.1 四元数与任意旋转镜头
• 4.3.2 虚拟力学镜头模型
• 4.3.3 镜头特效分类模型
• 4.3.3.1 第一人称视角镜头模型
• 4.3.3.2 第三人称视角镜头模型
• 4.3.3.3 其他特效镜头模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维场景的光照与渲染
• 5.1 三维场景光照渲染
• 5.1.1 三维场景渲染常用的光照模型
• 5.1.1.1 Gourand和Phong模型
• 5.1.1.2 BRDF模型
• 5.1.2 光照贴图实现光照的方法
• 5.2 基于图像的渲染
• 5.2.1 基于IBR的自然物体的绘制
• 5.2.2 全景图的实现
• 5.3 本章小结
• 第六章 三维景观系统的设计和实现
• 6.1 系统的体系结构
• 6.1.1 设计原则和设计思想
• 6.1.2 系统模块组成
• 6.2 GEOBEANS三维景观系统
• 6.2.1 三维数学库（GeoMath）
• 6.2.2 场景引擎的设计（GeoEngine）
• 6.2.3 场景的渲染（GeoRender）
• 6.2.4 多源数据的管理
• 6.2.4.1 图层的管理方式
• 6.2.4.2 数据文件的管理方式
• 6.2.5 三维场景的编辑
• 6.2.6 空间数据查询和分析
• 6.3 本章总结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 本文创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 图索引
• 表索引
• 攻读博士期间发表的主要学术论文
• 攻读博士期间参加的主要科研项目
• 致谢