一种单机多屏的时序三维地理场景同步可视化系统

三维地理场景的可视化是虚拟地理环境研究中展示各类复杂地学过程与现象的重要技术。目前,现实中地理场景大多具有复杂度高、规模大、交互性强等特点, 故采用传统的单个计算机单屏显示方式, 已无法满足用户对沉浸感、大视野、高分辨率的可视化应用需求, 而多屏显示技术是一个解决该问题的有效途径。本文以福建长汀县水土流失治理过程中植被覆盖变化为例, 开展了时序三维地理场景的单机多屏同步可视化技术和漫游系统研究。提出了系统的软件架构和开发流程, 并引入多线程同步机制, 实现了三视图场景的构建、三屏同步显示、三屏同步路径漫游、矢量图的差异符号化和三维场景实景图片嵌入播放等技术, 设计并实现了一个以单个计算机控制三个显示屏幕的时序同步可视化漫游系统。采用3 个时相的彩色遥感卫星影像,叠加数字高程模型形成反映不同时期水土流失程度变化的三维地理场景, 在水土流失治理过程成果展示中得到了应用。系统除了三维场景沉浸感强、震撼力大之外, 还具有动态变化、信息量大、表现力强等特点, 在地理场景动态可视化方面有独特的应用前景。     

CALPUFF模型模拟结果的时空多维可视化表达

大气污染扩散模型数值模拟结果的时空多维可视化表达,能有效展示大气污染扩散空间分布,为快速高效辅助后期污染分析与应急决策提供重要的参考。CALPUFF模型能高效模拟污染物在大气环境中时空变化的扩散过程,而现有大气污染扩散模型模拟结果可视化表达普遍存在不能有效集成地理信息、缺失部分重要维度特征等问题。论文首先分析了CALPUFF模型,及其与组件式GIS紧密集成的技术方案,为模型模拟结果与地理信息集成提供了技术支持。然后,基于CALPUFF模型的数值计算模拟结果,详细研究了风场数据预处理及其矢量绘制方法,浓度场的数据预处理及其栅格渲染方法。在三维地形场景下,探究了大气污染物的时空扩散模拟可视化表达方法,给出了CALPUFF模型模拟结果与三维地形场景的集成表达策略。最后,通过组件式GIS,构建了福州市三维地形场景,以大气污染CALPUFF扩散模拟结果为例,在WPF系统框架下,实现了风场和浓度场的时空动态模拟和空间层级多维可视化表达。实验结果表明,本文所采用的时空可视化技术方案能将CALPUFF模型模拟结果,有效集成三维地形场景,实现模型模拟结果在时间维度上动态扩散和在空间维度上的层级分布,可为大气污染模拟结果的时空多维可视化提供参考。     

A multi-source data fusion modeling method for debris flow prevention engineering

The Digital Elevation Model(DEM) data of debris flow prevention engineering are the boundary of a debris flow prevention simulation, which provides accurate and reliable DEM data and is a key consideration in debris flow prevention simulations. Thus, this paper proposes a multi-source data fusion method. First, we constructed 3D models of debris flow prevention using virtual reality technology according to the relevant specifications. The 3D spatial data generated by 3D modeling were converted into DEM data for debris flow prevention engineering. Then, the accuracy and applicability of the DEM data were verified by the error analysis testing and fusion testing of the debris flow prevention simulation. Finally, we propose the Levels of Detail algorithm based on the quadtree structure to realize the visualization of a large-scale disaster prevention scene. The test results reveal that the data fusion method controlled the error rate of the DEM data of the debris flow prevention engineering within an allowable range and generated 3D volume data(obj format) to compensate for the deficiency of the DEM data whereby the 3D internal entity space is not expressed. Additionally, the levels of detailed method can dispatch the data of a large-scale debris flow hazard scene in real time to ensure a realistic 3D visualization. In summary, the proposed methods can be applied to the planning of debris flow prevention engineering and to the simulation of the debris flow prevention process.     

基于Erdas和DirectX平台的三维景观建模与应用

三维GIS已成为当前地理信息系统研究的一个热点,而高分辨率卫星图像则是建设三维GIS的重要数据源。本文以IKONOS卫星图像立体像对为数据源,利用数字摄影测量的方法,开展目标地区的三维可视化信息提取,包括DEM生成、正射影像图制作,以及地面建筑物的三维信息和纹理图像的提取,然后,探讨应用ERDAS IMAGINE和3ds Max软件进行混合建模的技术方法,达到优势互补,完成地面建筑物的模型构建。最后,基于VC++6.0平台,结合DirectX软件开发包,综合利用多种技术自主开发构建目标地区的三维虚拟景观,实现地形地貌景观的浏览;进一步通过构建粒子系统对研究区冷却塔的烟雾效果进行模拟,通过加入生产环境和设施的各种影响因子模拟烟雾的变化,推理特定目标的生产活动状况,为项目的决策提供三维分析支持。     

四川盆地油气勘探三维地理信息系统与应用

本文在三维可视化系统构建流程和数据组织管理模式分析的基础上,以ArcSDE作为空间数据引擎,利用Oracle 10g建立四川盆地油气勘探海量空间数据库,基于三维可视化软件平台Skyline TerraDeveloper设计、开发了全球三维模型的四川盆地油气勘探三维地理信息系统。同时集成基础地理数据、区域地质数据、油气勘探空间数据、多尺度遥感影像、勘探数据库,这不仅提供了强大的油气勘探基础数据管理、三维地形建模以及模型的可视化功能,还为专业技术人员提供了一个可视化的设计、分析平台。     

面向景观规划设计的数字地形交互式编辑技术

 数字地形编辑是虚拟地理环境、三维景观仿真系统中一个重要的研究内容,在城市与乡村、区域道路网、风景园林的数字化规划设计实践中具有重要价值。本文以规则格网的数字地形为研究对象,面向城市和园林景观规划设计中的实际应用,提出了交互式数字地形编辑的解决方案,重点给出了分页技术的地形交互式编辑具体过程和相关的主要实现技术。数字地形编辑的实现,首先,通过鼠标交互式操作,结合射线求交算法,在地形表面选取目标编辑区域;然后,结合夹角之和检测算法,获取区域下地形数据,设定新的地形高程值,最后,将编辑操作传输至地形其他层,更新整个地形,并在地形编辑后,采用方格网计算法,统计出区域下地形填挖方量。此外,在经过平整的地形区域,植入树和三维建筑模型,构建虚拟城镇小区景观。本文初步实现了编辑操作功能的计算机软件,并展示了数字地形编辑在城镇小区景观设计中的应用结果。试验表明,基于规则格网和分页技术的数字地形编辑方法具有算法简单、计算量小、易实现等特点。此外,通过鼠标交互式的操作,能够实时、直观地显示编辑结果,达到"所见即所得"的效果。     

黄土高原地貌形态图谱三维符号指标体系与应用

长期以来,地貌学界和制图学界一般是采用文字、地图和图像等方式来描述黄土高原独特的地貌形态,故往往不够形象,缺乏系统性。采用地学信息图谱和三维可视化的方法,对挖掘揭示黄土高原地貌形态特征规律是一个有效的方法。黄土高原地貌形态图谱三维符号的指标体系,是将地貌学家和制图学家对黄土高原正负地貌类型的认知结果经过系统化、标准化和科学化的归纳和提炼,从中提取出的描述黄土高原地貌三维特征的参数集合。既是对黄土高原地貌形态图谱三维立体特征的充分概括,又是三维形式建模表达的参考和依据。根据黄土高原地貌类型的分类和侵蚀特征规律,该体系分为正地貌形态指标体系、负地貌形态指标体系和坡度一侵蚀特征谱系描述指标,采用定性和定量相结合的方法来制定指标体系的具体参数。最后通过实例来验证指标体系在构造三维符号时的应用。细致精确的描述单个地貌类型的三维形态,将有助于对黄土高原地貌特征的认识和研究,为水土保持和生态环境建设提供帮助,同时也为其他地貌类型的信息图谱研究提供借鉴。     

基于时态GIS的古气候动力模拟动态演化的分析与实现

对古气候研究环节中的动态演化问题进行研究和分析,提出了一种时空索引模型,以解决动态演化过程中的时间和空间的对应关系问题,利用时空索引对象来解决空间对象及其属性描述信息,在时间t的信息查询、显示和叠加。为古气候研究、再现和重建古气候以及模拟古气候环境下的大气环流基本场(包括温度场、降水场、气压场和位势高度场),在两维空间格局上,进行时间维的动态演化分析,提供了一个实用工具,在全球变化和区域响应等可视化方面具有较为广泛的应用前景。     

基于开源数据和条件生成对抗网络的地形重建方法

如何使用少量的地形特征复原地形地貌一直为地学领域的难题。本文使用开源数据集提取地形特征要素,使用地形特征要素作为约束条件构建了用于生成DEM的条件生成对抗网络(Conditional Generative Adversarial Networks, CGAN),设计了基于开源DEM、开源DEM与遥感影像组合、以及5m高精度DEM提取地形特征要素生成DEM的对比实验,并对结果进行视觉效果、相关性分析以及地形因子的对比与评价。结果表明:(1)在视觉效果上,3种不同方式生成的DEM在视觉效果上均十分逼近原始5 m DEM,都远好于传统插值方法生成DEM,基于开源12.5m DEM提取要素和1m遥感影像的重建效果最接近于原始5 m DEM;(2)在相关性上,三种不同方式生成的DEM与原始5m DEM相关性均能达到0.75以上,组合开源数据提取要素重建DEM与原始5 m DEM相关性可达到0.85以上;(3)在地形因子方面,基于开源12.5 m DEM和1 m遥感影像提取要素重建DEM的坡度和坡向的分布趋势与原始5 m DEM最为一致。本文为高精度DEM建模提供了新的思路,在高精度DEM难以获取...     

面向大规模空间Agent建模的分布式地理模拟框架

基于Agent建模的地理模拟是认识和理解动态地理现象的有效方法,但随着地理模拟的规模和复杂性不断增加,模型的计算问题开始凸显。分布式并行仿真是解决大规模Agent复杂模拟计算的途径,然而已有研究基于Agent建模/仿真软件构建并行仿真系统的方式并不适用于具有高移动与行为交互的空间Agent建模及其模拟过程的实时可视化。为解决这个问题, 本文提出了一个分布式地理模拟框架DGSimF,用于大规模动态空间Agent模拟,支持模拟过程的实时表示与分析。设计了一个简单但高效的时空数据模型建模空间Agent,支持直接基于Agent行为建模集成地学模型,采用了时间微分方法协同各计算节点行为的执行,实现以“任务并行”的方式进行分布式计算以提高仿真性能,构建了基于三维地球渲染引擎的虚拟地理环境,提供模拟过程的实时可视化。最后,以“红蓝对抗”案例进行了实验验证,对不同模拟计算量和不同客户端数量下的仿真性能进行了分析,结果表明DGSimF可以为具有时空特征变化与行为交互的大规模空间Agent模拟提供一个有效的平台。通过扩展计算节点,DGSimF可以有效地缓解复杂模拟计算的压力问题,并且仿真性能较高,在实验中并行效率保持在0.7以上。     

基于城市园林树木景观三维模拟的绿视率估算方法

城市生态景观功能主要是绿色植物对人的视觉作用。绿视率被认为是一种比较好的衡量绿色空间视觉感受的描述因子。目前绿视率的估算主要基于静态的图像或者街景数据,而绿视率是一种动态的量,不同视点有不同的值,且植物是生长变化的。因此,本文提出一种基于数据和模型综合驱动的园林树木三维模拟景观的绿视率计算方法,其利用虚拟地理环境、虚拟植物等技术,通过道路、建筑物等硬质景观数据和树木模型驱动,建立城市园林树木三维景观;根据视觉成像原理,构建虚拟相机,模拟不同视点园林景观的视觉图像,然后识别表征植被信息的像素,从而计算绿视率。本文研发了园林树木景观三维模拟及绿视率估算原型系统,并以城市道路树木景观为例,模拟分析了机动车道中车辆乘客可获得的绿视率,与街景图像提取的绿视率值相近。该方法和系统可用于包含时间变量的不同生长阶段园林树木景观的绿视率评估,支持交互设置不同的视点参数,估算城市任意位置和任意方向的绿视率,评价过去、现在和未来的园林景观绿化质量,以人的视觉感知角度为城市绿地规划提供参考。     

基于HASM方法的黑河流域潜在蒸发量的模拟

潜在蒸发作为研究蒸发及区域水循环的重要因素之一,其模拟结果对相关领域的研究应用具有重要影响。利用 2000-2009年“黑河流域每日四次常规气象观测数据集”所提供的12个气象站点的潜在蒸发数据,对黑河流域潜在蒸发量进行模拟。首先针对潜在蒸发的特点,分析影响研究区域潜在蒸发的气象因素、地理及地形因素,使用多项式回归和逐步回归的方法对研究区域潜在蒸发进行了背景趋势模拟,选出影响潜在蒸发的最优影响因素组合,在此基础上采用高精度曲面建模（HASM）方法,结合站点实测数据,对去掉趋势后的残差进行精度修正。本文使用kriging法、IDW法和Spline法插值所得潜在蒸发数据,以及“黑河流域1980-2010年3 km 6 h模拟气象强迫数据”作为对照,比较验证模拟精度。模拟结果表明：HASM方法模拟精度最高,模拟结果分布合理,表明该方法在潜在蒸发模拟中具有应用前景。该方法所得到的潜在蒸发数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

平邑县DEM模型的建立及其三维可视化

平邑县境内属于丘陵山区,进行地形三维显示不仅便于用户直观地了解平邑的地形地貌,而且便于用户查询相关信息进行土地利用分析。该文主要介绍利用ArcView3.2进行数字高程模型(DEM)的建立及其三维显示,以及道路、水系等各主要要素的三维显示。     

基于LiDAR数据特征的湖相层三维地理信息提取

泥河湾盆地的化石和旧石器遗址与泥河湾古湖、古河道有极强的相关性,如果发现了湖滨相和河流阶地的沉积地层,那么下一步很可能发现古人类活动留下来的化石和旧石器遗址。本文按照广义DEM的定义,将DEM的表达对象“地形表面”改为“泥河湾更新世湖相沉积层”称为湖相层DEM,泥河湾更新世湖相层DEM的建立可以大大推进泥河湾地区的古人类活动及古地理环境的研究。本文通过提取湖相层的三维地理信息,以禾尧庄剖面为例,研究了露头信息的泥河湾更新世湖相层三维地理信息提取方法。采用三维激光扫描仪采集剖面的三维地理信息,基于LiDAR点云的数据特征设计滤波方法,针对剖面采集点的距离近似相等,采用回波强度进行区分植被及土质,得到了一定的效果。在回波强度滤波后的结果基础上,进一步利用RGB信息设置阈值,区分植被和土质,得到了较好的效果。最后,经过手动去噪,得到干净、地层信息完整的剖面三维地理信息数据,可以做为湖相层DEM建模的基础数据。     

DEM地形可视化自增强技术

地形可视化是地形表达、虚拟地理环境与虚拟仿真领域中重要的组成部分.论文首先回顾了DEM地形分析与表达技术,然后重点阐述了如何利用DEM自身解译的地形信息,增强DEM地形等高线图、地形晕渲图等地形可视化效果,突出不同地形特征与细节,实现可量测性和直观性为一体的3维地形表达,提供用户更为直观、准确的地形认知.     

福建东圳库区淹没及水土流失的3D-VRGIS构建与应用

本文应用VRGIS(Virtual Reality Geographical Information System)技术,建立水库工程水土流失三维可视化动态仿真模型,实现库区的空间信息可视化。以福建省东圳水库为研究对象,建立水土流失区域三维虚拟地理信息系统(3D-VRGIS),生成水土流失现状以及库区生态环境三维场景。并结合水土流失中水淹分析要素与三维空间的数据可视化技术,实现水土流失监测预报及其区域定位监控的可视化处理,为减少水土流失危害,提供可靠的信息资源。     

我国地质制图的SRTM DEM数据应用研究

为了满足目前地质图件在立体制图方面的需求,采用SRTM DEM为数据源,通过SRTM DEM地质制图应用与要素分析制图等处理,进行了等高线与坡度、坡向的快速提取,并以湖南省与安徽省的地质图为例,做了MapGIS平台下的地质图可视化分析.证明将SRTM DEM作为地质图的一个图层要素加以显示,增强图件的立体感的可行性,同...     

基于Multipatch模型的冰凌三维可视化分析

冰凌作为一种复杂的自然景观与自然灾害,其可视化模拟是冰凌信息管理、监测和预警的重要手段,对防凌减灾工作意义重大。本文深入分析Multipatch数据模型的底层结构,探讨冰凌的三维表达技术途径,提出了复杂冰凌三维可视化的技术实现方法,即模拟冰面的自然形成机理,确定软件系统中冰面在河道中的范围,依据地形DEM数据插值确定冰面边界点高程,模拟冰凌的自然形成过程来切分冰面,采用随机方法生成凌锥和凌柱及其方位角等以体现无序性,以实际照片为纹理贴图以增加真实感,通过虚拟内存、纹理压缩和缓存技术完成三维场景中的冰凌叠加展示。最后,结合系统研究与开发,实现了冰凌三维模型的自动建立和可视化管理。     

基于光滑粒子流体动力学算法的海浪建模仿真研究

针对传统海浪建模方法中存在海洋表面真实感差、计算复杂的问题,本文进行了基于光滑粒子流体动力学算法（SPH）与移动立方体算法（MC）相结合的海浪建模仿真研究。通过基于空间网格的粒子分配,建立了粒子群单向列表存储结构,在海浪粒子物理量计算时,实现了其光滑核半径内粒子群的快速检索,并基于拉格朗日流体控制方程,进行了海浪粒子受力分析及状态计算;在模拟海浪与环境障碍物碰撞时,将碰撞问题简化为粒子在一定时间段内所经过的路径与障碍物表面三角面片是否相交来进行判定,并假设粒子为理想刚体,采用改进的欧拉方法实现了粒子新位置的动态计算;为增强海浪流体模拟的真实感,在移动立方体节点密度动态计算基础上,依据确定的海浪表面密度阈值,耦合MC算法进行了海浪表面的动态提取,从而实现了海浪三维表面建模与动态演变仿真。通过模拟验证了该算法的时效性与可行性,可为海洋环境信息三维可视化提供一定的参考。     

Numerical simulation of seawater intrusion from estuary into river using a coupled modeling system

One of the most important causes of the freshwater shortage in estuarine area is the increasing seawater intrusion into the river. To simulate seawater intrusion properly, two important factors should be considered. One is the bidirectional and time-dependent coupling effects between river discharges and tidal forces. The other is the three-dimensional and stratified structure of dynamic processes involved. However, these two factors have rarely been investigated simultaneously, or they were often simplified in previous researches, especially for the estuary connected with an upstream river network through multiple outlets such as the Pearl River Estuary (PRE). In order to consider these two factors, a numerical modeling system, which couples a one-dimensional river network model with a three-dimensional unstructured-grid Finite-Volume Coastal Ocean Model (FVCOM), has been developed and successfully applied to the simulation of seawater intrusion into rivers emptying into the PRE. By treating the river network with a one-dimensional model, computational efficiency has been improved. With coupling 1D and 3D models, the specification of up-stream boundary conditions becomes more convenient. Simulated results are compared with field measured data. Good agreement indicates that the modeling system may correctly capture the physical processes of seawater intrusion into rivers.