下载文档原格式
基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究一、概要随着科技的飞速发展，虚拟地球技术已经逐渐走进了我们的生活。
在这个信息爆炸的时代，如何更好地利用这些技术来提高我们的工作效率和生活质量呢？本文将重点研究一种基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化方法，以期为我国海洋环境的保护和可持续发展提供有力支持。
在这篇文章中，我们首先会介绍虚拟地球的基本概念和技术原理，让读者对这个领域有一个初步的了解。
接下来我们将详细阐述基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化的研究方法和实现过程，包括数据的获取、处理、分析以及可视化展示等环节。
此外我们还将探讨这种方法在实际应用中可能遇到的问题和挑战，以及如何克服这些困难，使之更加完善和实用。
1. 研究背景和意义随着科技的发展，人们对海洋环境数据的可视化需求越来越高。
而传统的二维地图无法满足人们对于海洋环境数据多维度、立体化展示的需求。
因此本研究旨在探索一种基于三维虚拟地球技术的海洋环境数据动态可视化方法，以便更好地展示和分析海洋环境数据。
三维虚拟地球技术是一种将地理信息与计算机图形学相结合的技术，可以实现地理信息的立体化展示。
通过这种技术，我们可以将海洋环境数据以三维的形式呈现在用户面前，使得用户可以更加直观地了解海洋环境的状况。
同时本研究还将探讨如何利用动态效果来增强可视化效果，使得用户可以在观察到海洋环境数据的同时，感受到其变化趋势。
本研究的意义在于：首先，它可以提高人们对海洋环境数据的认识和理解；其次，它有助于政府部门制定更加科学合理的海洋环境保护政策；它还可以为海洋科研工作者提供一种新的可视化方法，有助于他们更好地开展研究工作。
2. 国内外研究现状海洋环境数据的可视化一直是一个备受关注的研究领域，因为它不仅有助于我们更好地理解和分析海洋环境，还能够帮助我们预测未来的海洋环境变化。
近年来随着科技的发展，尤其是计算机图形学和虚拟现实技术的进步，基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究已经成为了一个热门的研究方向。
3D-GIS地理信息系统的研究现状和发展趋势一、背景及意义（一）背景地理信息系统（GeographyInformationSystem）是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，反映了人们赖以生存的现实世界，是在计算机软件和硬件支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。
GIS作为计算机和空间数据分析方法作用于许多相关学科后发展起来的一门边缘学科，由于能及时地抓住当今世界计算机技术飞速发展，各国政府对地理、资源和环境信息日益重视这一时代特点，加上许多相关技术(如GPS、DPS、RS 等)为它提供了强有力的地理空间信息获取手段，使得GIS己经成为各国政府部门、商业公司、科研机构和高等院校极为关注的热点领域。
特别是进入20世纪90年代以来，GIS己在全球范围内形成产业规模，并将进一步深入到各行业乃至人们的日常生活之中。
二维地理信息系统始于二十世纪六十年代的机助制图，今天己深入到社会的各行各业中，但二维地理信息系统存在着自身难以克服的缺限，它本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的三维真实感受。
三维地理信息系统是在二维平面的基础上模拟并处理现实世界上所遇到的三维现象和问题。
地理信息三维可视化系统是对具有三维地理参考坐标的空间信息进行输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟的计算机系统。
二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围，在于高程是被看成空间数据还是属性数据。
三维GIS 的根本目标是多维时空现象的三维表示。
相对于二维GIS而言，三维GIS具有三个显著的特点：1、直观性：直观性是三维GIS的最显著的特点，通过三维可视化技术，用户将得到更好的人机交互接口，更少的训练时间，以及更多的空间信息。
2、巨大的数据量：三维GIS应用通常具有海量数据(可达数百G)，这种巨大的数据量使得三维GIS需要得到数据库的有效管理，具有高效的数据存取性能。
3、复杂的数据结构：三维GIS不是对二维GIS的简单扩展，三维空间中增加了许多新的数据类型，空间关系变得更加复杂。
海量地形数据实时可视化算法
戴晨光;邓雪清;张永生
【期刊名称】《计算机辅助设计与图形学学报》
【年(卷),期】2004(016)011
【摘要】针对海量地形数据实时可视化问题,提出了一种瓦片金字塔模型和线性四叉树索引相结合的地形数据管理模式 .利用视景体裁剪和基于分辨率测试的目标瓦片快速搜索算法实现了地形数据的实时装载,采用基于动态二叉树构网的方法实现了地形数据的实时绘制 .实验表明,文中方法能够实现基于当前PC机的真实感海量地形数据实时显示与交互操作.
【总页数】5页(P1603-1607)
【作者】戴晨光;邓雪清;张永生
【作者单位】解放军信息工程大学测绘学院,郑州,450052;解放军信息工程大学测绘学院,郑州,450052;解放军信息工程大学测绘学院,郑州,450052
【正文语种】中文
【中图分类】P208
【相关文献】
1.海量三维地形数据的实时可视化研究 [J], 陶志鹏;陈志国;王英;吴冰冰;程思琪
2.基于GPGPU的海量山地地形数据的实时绘制算法 [J], 王春;马纯永;陈戈
3.基于海量海底地形数据的存储和可视化研究 [J], 贾俊涛;孟婵媛;谭冀川;陈超;郭晖
4.一种用于实时可视化的海量地形数据组织与管理方法 [J], 戴晨光;张永生;邓雪清
5.一种基于图形硬件的海量地形实时可视化算法 [J], 康宁;徐青;周杨;蓝朝桢
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海量三维地形数据的实时可视化研究相对于光学影像对空间三维地形的描述，点云数据具有无可替代的优势，本项目基于海量三维地形点云数据，提出大容量缓存加无级缩放算法以及对图像显示方法的优化方案，研究从数据存储、读取到显示，快速、有效地组建三维空间，实时高效地展示用户需求的三维图像；研究在用户改变视点时快速重新建模三维空间图像及实时显示当前视域三维图像的理论和方法；研究从数据库服务器中快速提取用户需求方位坐标数据的理论和方法。
具体包括，利用金字塔影像技术对点云数据进行多尺度、多比例尺分割存储，通过隐面消除技术，利用OpenGL引擎加速将点云展示在客户端成为3D模型，根据用户视点向用户提供一个可交互的空间三维影像显示系统。
标签：海量空间三维点云数据；三维建模；可视化显示1 引言随着科技和社会发展，三维空间数据的实时可视化研究显得越来越重要。
随着对地形数据分辨率等指标要求的提高，地形数据的数据量不断加大。
目前，较成熟的空间三维可视化显示均是基于光学影像。
然而，这种基于光学影像的三维可视化模型，数据量极大，处理速度必然受到限制。
海量数据的实时显示对算法等要求高，至今仍是一个难点。
本项目针对海量三维地形（点云）数据，提出了对数据存储和显示的优化方案。
1.1 研究背景迄今为止，三维地形的可视化技术分为两种，一种是面绘制技术，另一种是体绘制技术。
现在已经可以绘制出具有高度真实性和可测量性的三维地形模型，实现三维地形表面的逼真还原。
基于面繪制的三维地形建模技术基本上可以归纳为三类：分形地景仿真、曲面拟合地形仿真和基于真实地形数据的多边形模拟。
前两种方法均有各种限制，而基于真实地形数据的建模由于能通过剖分方法生成连续的多边形网格，有利于计算机绘制，同时生成的地形也具有高度的真实感，所以它便成为人们描述三维地形的主要手段。
然而对于多边形模拟，当地形数据量大时，多边形数量会急剧增加，模型就会变得复杂，即使是最高端的图形工作站也不能满足实时绘制的要求。
通过提高硬件水平，以实现建立大规模三维地形显示所期望的硬件性能，是解决大规模三维地形实时显示重要且必然的途径，算法优化及数据处理方式变更显得更加灵活便捷。
1.2 研究现状近年来，已经提出的一系列场景加速绘制算法尚不能满足大区域地形环境的实时高速绘制的要求。
因此我们需要对基于地形三维可视化系统的数学模型、地形模型、数字地形分析软件及相关技术进行技术优化和改进。
在国内，相关的研究、开发主要通过引进ARC/INFO等产品进行地理数据的管理和地图的绘制。
这些都处在起始阶段，针对数字地形分析的高效软件和其高效的副产品还较少。
优化算法，提高算法效率一直是许多研究者努力的方向。
1.3 研究内容此次研究从空间点云中快速、有效地组建三维空间的理论和方法，实时高效的展示用户需求的三维图像；研究在用户改变视点时快速重新建模三维空间图像以及从数据库服务器中快速提取用户需求方位坐标数据的理论和方法；快速利用空间点云构建三维表面模型，具体包括：1.3.1 三维可视化技术在客户端的重构和显示通过将云状点云展示在客户端成为3D模型的基础上，成为一个可交互的，即时性强，速度快的立体图像。
内容包括：DEM数据的存储，DEM数据读取、选择与处理，OpenGL引擎的加速。
1.3.2 优化点数据结构和显示算法快获得用户需求的区域图像优化用户最基本的操作，要求在可接受的时间范围内保证图像的正确处理和表现，从而提高显示效率。
内容包括：隐面消除技术，基于视点的动态多分辨率地理模型（LOD），四叉树的保存的点数据结构。
2 海量三维地形点云数据的存储与显示2.1 点云数据的存储有效的数据组织是为了满足网络传输、图像显示的进一步要求，合理合适的数据存储方法可以使传输数据、动态显示3D模型方面都会得到很大的帮助。
显然，用户在浏览三维地形数据时，对不同用途或区域，所需要的细节表达能力不同，即对应着实际三维空间多尺度、多比例尺表达。
为了提高点云显示速度，我们将海量的空间点云分块，分层处理，将最后的点云数据分层分块保存，主要是应用金字塔影像技术。
用户在显示时，常常以不同分辨率（比例尺）显示，此时，数据的采样率将大大不同，重采样将耗费极大的运算速度和时间，表现在用户端则显示为反应速度慢。
为了解决这个问题，我们考虑到将原始数据先进行分级，把1200*1200的点云数据，借鉴金字塔技术，分级为不同等级（采样率）。
具体而言，采用四叉树的形式存储三维点。
将海量空间点云坐标进行分块，并按经纬度和一定的分辨率存储，设计时共设计7种不同比例尺点云集对应用户不同需求，在用户显示端，应用程序能够区分所需要的比例尺，来获取不同级别的数据显示，从而大大加快显示速度，提高数据读取效率。
2.2 空间点云数据的三维显示由于原始的点云数据是以地球椭球体为参考空间坐标系，每个点的数据结构中包含的是经纬度和高程值，为了方便OpenGL加速数据处理与显示，我们将原始以经纬度与高程值表示的点转换为空间坐标（X，Y，Z），然后再分块分层存储，大大加速点云数据的处理和显示速度。
为了加快显示效率，我们应用OpenGL函数绘制地表模型。
本项目换了一种思路来考虑变换：从一个方向移动相机（即视点）相当于从相反的方向移动物体，使用矩阵操纵函数进行数据的方位变换。
在某些地方还可以考虑抛弃在变换模型时所使用的全局固定坐标系统，而想象一个固定到所绘制物体的局部坐标系统，这样方便数据在不同视点的显示。
本项目实时显示软件是模拟人眼的看图方式，因此首先定义了一个视景体，视景体决定了数据如何映射到屏幕上，且定义了哪些物体被剪裁到最终的图像之外。
最初，本项目中使用OpenGL中的glFrustum（）定义一个平截头体，但是在以地球半径为底的数据范围内，这样显示效果和以长方体显示效果大致相同。
为了简化运算，最终使用一个长方体的视景体（即类似于正投影）。
以此为基准计算一个用于实现透视投影的矩阵，将数据投影到屏幕上。
在显示图形中，一般的OpenGL方法需要进行大量的函数调用才能完成对几何图元的渲染。
绘制一个20条边的多边形至少需要22个函数调用，如果需要额外的信息（多边形边界标志或表面法线等），在每个点上还要增加函数调用，还有就是相邻多边形的共享定点的冗余问题等等。
为了减少函数调用次数，我们把数据放在顶点数组中来提高程序性能，还可以避免共享顶点的冗余处理。
在许多OpenGL操作中，传统做法都是都向OpenGL发送一大块数据，特别是在实时显示海量数据的时候。
由于OpenGL是按照客户机-服务器模式设计，在OpenGL需要数据的时候都须把数据从客户机内存传输到服务器。
如果数据没有修改或者客户机和服务器位于不同计算机（分布式渲染），数据的传输可能会比较缓慢。
因此，在绘制图像的方面，本项目考虑通过增加顶点数组缓冲区对象（VBO）的方法来减少消耗时间。
当需要显示的顶点数据不变，使用传统的顶点数组（V A）仍需不断从内存向图形硬件传输相同的数据，这既不必要也会降低性能。
使用顶点数组缓冲区对象，可将顶点等数据存储在图形硬件中，在重复渲染顶点（如从不同角度观看）时将能获得较好的性能。
由于点云数据在客户端的显示时三维立体图形，因此，必然要考虑隐面消除问题，在隐面消除方面常见的消隐算法有画家算法，BSP树算法和Z-Buffer算法等。
画家算法是常规的画图算法，缺点是太慢，并不适用于实时三维系统；BSP树算法虽然是一种快速的算法，但它使用一个能预计算的结构，这是很耗时的，因此BSP树结构仅适合描述静态场景，不适合实时动态场景的交互式显Z-Buffer 算法在实时动态场景中能提供相对的高效率，而且Z缓冲区的使用在现代视频硬件中无所不在，所以本项目中采用了Z-Buffer算法来进行隐面消除。
其基本思想是：将投影平面上每个像素所对应的面片深度进行比较，然后取最近面片的属性值作为该像素的属性值。
2.3 三维显示的优化用户在客户端进行交互操作查询时，总是将目标集中于图面某一块感兴趣区域，而周边区域仅作为参考和辅助判断依据。
即用户感兴趣区域点云密度大，而周边地区点云密度小，这种显示要求在高分辨率时要求尤其明显。
为了达到上述目的，采用基于视点的动态多分辨率地理模型（LOD），根据点云距离用户当前视点的距离，以不同分辨率采样，从而加快点云显示速度和效率。
实现了点云数据的实时显示后需要对已经成型的客户端进行完善和优化，包括界面的设计和功能的添加修改。
能通过输入地面点的经纬坐标实现点的搜索；通过HIS和RGB的转换实现地面图像的假彩色显示；通过点云数据信息的转换完成对地面特征的研究。
2.4 三维表面模型的建立点云数据虽然能够表达一定地形特点，但不能直观显示地表模型，为了方便非专业人士浏览和信息提取，需要利用三维点云数据建立地球表面模型。
本项目采用基于点云的空间对象无约束表面重建。
即给定空间中的离散采样点集P？奂R3，构造曲面S，使得所有采样点Vi∈P位于曲面S上，或者与S之间满足某个规则。
根据离散采样点集P？奂R3获取方法的不同，相应地可以将表面重建划分为以下三种类型：（1）基于深度扫描数据的表面重建；（2）基于切片数据的表面重建；（3）基于无组织采样点集的表面重建。
根据表面重建过程中所采纳的不同算子，还可以将其划分为以下4种类型：雕塑法、隐函数法、表面生长法、收缩包装法。
其中，雕塑法是在三维Delaunay 三角剖分的基础上对二维Delaunay在三维空间中的有效拓展和延伸，这种方法涉及大量的分析计算，耗时且易错；隐函数法的表面重建效率相对较高，但为了保证表面重建的正确性，法向一致化过程中，需要构造采样点数据的黎曼图并对其进行遍历，运行效率低；表面生长法通过投影变换，有效地将三维表面重建问题转化为二维Delaunay三维剖分问题，降低了算法的复杂度且保证了重建模型的质量；收缩包装法可以根据需要构件相应的LOD模型然而，但重建过程中涉及相应的采样点顺序、权值重新计算等复杂度较高的操作，效率较低。
针对采样数据海量增长的趋势，本项目使用了一种基于Delaunay规则的无组织采样点集增量式表面重建方法，通过将局部采样点投影到局部拟合切平面上，利用Delaunay规则对投影点进行约束三角剖分，并将剖分得到的采样的连接关系映射到三维空间中，即可得到采样点之间的拓扑邻接关系，实现采样曲面S的表面重建。
3 实时显示客户端的实现此次研究总体流程如下：（1）海量三维地形数据的存储和初步处理利用第二部分所说基于视点的动态多分辨率地理模型（LOD），四叉树和金字塔模型等技术优化数据存储方式，为后续显示等提供方便。
（2）优化显示算法快速获得用户需求视域内的图像优化用户的最基本操作，利用OpenGL技术将存储的点云数据利用透视变换直接显示在屏幕上，以提升显示速度。
