面向GPU绘制的复杂三维模型可视化方法

针对网络三维虚拟地球中对大范围、高密度复杂三维模型高效绘制的要求,设计了面向GPU绘制的三维模型数据组织结构。在此基础上,提出了面向GPU绘制的三维模型纹理烘焙和多尺度可视化方法。基于开放式虚拟地球集成共享平台GeoGlobe进行了实验,比较了传统绘制方式和基于GPU的绘制方法在可视化效果和效率上的区别。实验表明,本文提出的方法在保持三维模型特征条件下能有效提高其绘制效率。     

面向虚拟地球的多尺度矢量数据可视化方法

为了实现网络环境下虚拟地球的多尺度矢量、影像和地形数据的集成可视化,便于矢量空间数据的查询分析,本文根据几何绘制的方法,将二维矢量数据、多尺度地形和全球等经纬度离散网格集成,提出了面向虚拟地球的多尺度矢量数据结构和多尺度矢量数据分块构建与组织方法;在此基础上,针对虚拟地球中矢量数据高效可视化的要求,提出了面向可视化的Douglas-Peucker矢量数据压缩算法。最后,基于网络三维虚拟地球平台GeoGlobe开发了实验系统,实现了面向虚拟地球的多尺度矢量数据的构建、组织以及可视化。     

面向虚拟地球的海陆地形多尺度TIN建模及可视化方法

提出了一种面向虚拟地球的海陆地形多尺度不规则三角网（triangulated irregular network,TIN）建模及球面快速可视化方法。利用贪心插入TIN表面简化算法构建海陆地形的离线TIN金字塔,并设计了一种高效的虚拟节点结构,对各级TIN构网实施无缝分割和分层分块存储。在利用离线TIN地形金字塔实现多尺度海陆TIN地形的快速检索和三维场景生成的基础上,通过一种接边关系编解码方案实时消除TIN地形渲染时的裂缝,最终实现多尺度海陆TIN地形场景的高效可视化。实验结果表明,该方法能显著减少海面渲染所需的面片数,并实现岛礁、海岸等破碎地形的高保真度表达,有效改善了传统虚拟地球系统采用规则格网（Gird）模式绘制海陆地形导致大量几何冗余和表达失真等缺陷。     

全球六边形离散格网数据的三维可视化方法

针对全球六边形离散格网的三维显示化方法开展研究,设计了一种六边形格网的空间层次结构(hexagonalquaternary balanced structure,HQBS),采用四位码元对格网单元进行编码,定义并实现了格网向量的基本运算,利用这些运算可以方便地实现格网单元的空间索引。在此基础上还研究了全球离散格网的动态生成与显示算法、可视化区域裁剪等相关内容。试验表明:全球格网动态生成的效率110～370单元/ms之间,加载空间数据后,格网数据和空间数据逐层加载的时间在300 ms左右,能够保证加载空间数据后的显示刷新率在20帧/s左右。     

基于 VisIt与地球系统格网的并行可视化实验

利用集群架构和分布式并行可视化工具 VisIt,编写了自定义插件,实现了基于大规模地球系统格网组织下的全球科学数据并行可视化,并设计实验对其并行可视化性能进行了对比分析.实验发现: VisIt完成一次渲染的加速比及并行效率随着核数的增加逐渐降低;采用 GPU 渲染,可以很好地提高并行渲染的效率.但在核数和 GPU 个数同步增加的情况下,由于核间通信、 GPU 间通信以及核- GPU 间通信等,VisIt一次渲染的并行运行时间并无明显降低.随着数据量增加,VisIt对单位数据量的运行时间却逐渐减低.实验表明,VisIt可较高效地完成大数据量的并行渲染.该方法和结论可供地学领域大规模海量数据可视化研究参考.     

利用数值投影变换构建全球六边形离散格网

本文针对全球离散格网构建过程中从平面格网到球面格网的关键步骤进行讨论,提出了一种新型的评价球面离散格网几何属性最优化的目标函数,使用遗传算法优化,得到了球面上有限层次内最优化条件下的直接剖分格网。利用有限层次内最优化格网提供的控制点数据,结合数值投影变换理论,成功地构建了几何属性更加均匀的全球六边形离散格网系统。实验表明,相对于现有Snyder等积投影建立的全球格网,在格网单元的均匀度上更优;在运算效率方面,速度大约是Snyder投影的2.5-3倍。     

一种基于GPU Tessellation的地形无缝绘制算法

针对传统多分辨率地形绘制算法构网速度慢、T型裂缝不易处理等问题,提出了一种GPU（graphic processing unit）构网的地形无缝绘制算法。首先,引入实时网格细分（tessellation）技术,将地形构网分为CPU粗粒度Tile网格构建和GPU细粒度Patch网格细分两个阶段;然后,Tile网格采用基于视距的细节层次模型进行LoD层次选择,Patch采用基于屏幕空间投影误差的细节层次模型完成网格细分,兼顾了视距和地形粗糙度对地形绘制的影响,实现了地形细节层次的自适应选择;最后,应用C++语言和DirectX 11工具,设计开发了相应的可视化实验系统。实验结果表明,该方法实现了多分辨率地形的自适应无缝表达,保证了地形网格的连续性;并通过合理平衡CPU-GPU负担,显著提升了地形渲染效率。     

基于Fuller投影的六边形球面离散格网生成算法

随着云计算、航天遥感、地理信息、导航等技术的发展,用于空间信息剖分组织的全球多分辨率离散格网模型得到了长足发展。针对已有研究成果和当前研究现状,选取性能优异的六边形作为基本格网单元,Fuller多面体投影作为投影类型,提出了一种基于正八面体构建新型六边形球面离散格网的方法。全文系统地论述了此新型离散格网的生成算法并给出了相应实验结果,最后与基于Snyder等积多面体投影的格网进行比较,得出其特点和应用前景。     

正二十面体球面菱形离散格网的编码模型及其映射方法

全球离散格网为全球尺度的空间数据组织与管理提供了基础环境,而全球离散格网的编码体系,则可屏蔽不同坐标参考框架下的坐标转换,减少空间分析的复杂度,有利于数据的多尺度表达和统一建模。相对于其他类型的全球离散格网,基于正二十面体所构建的球面菱形离散格网具有更均匀的几何性质,有利于球面空间数据的集成与表达。但基于正二十面体的球面菱形离散格网的初始菱形边线并不贴合经纬线,这导致相对于基于正八面体的球面菱形离散格网,其格网结构更为复杂。这对构建正二十面体球面菱形离散格网的层次编码模型和建立其与地理坐标间的映射关系转换带来了新的挑战。针对这一问题,本文基于Hilbert曲线构建了正二十面体球面菱形离散格网编码模型,并在此基础上设计了格网编码与地理坐标的相互转换方法。研究表明,利用球面菱形离散格网与平面规则格网的相似性,基于Hilbert曲线构建的正二十面体球面菱形离散格网编码模型能够隐式表达空间尺度与位置信息,且在地理坐标与格网编码转换方面兼具效率与精度,可以支持全球海量空间数据建模、集成管理以及各类空间分析。     

一种利用SSE2多重纹理混合的大范围虚拟地形可视化技术

目的 大规模三维地形的真实感可视化对于表现战场自然环境具有重要意义,OpenGL、D3D等主流三维图形引擎需要将多层纹理数据发送到GPU端进行多重纹理融合操作。对于瘦客户机,在显卡位宽和显存有限的资源下,大量的多重纹理融合操作常会导致GPU和带宽负载过大,出现绘制画面不流畅、渲染效率低等问题。为此,提出了一种基于SSE2的多重纹理混合技术,通过在CPU端进行混合纹理混合操作,降低GPU负载,减少数据传送时间。实验证明,该方法在保证CPU计算效率的前提下,有效地降低了大范围虚拟战场环境可视化过程中GPU和带宽负载,显著提升了瘦客户机中大范围虚拟战场数据的渲染效率。     

A virtual globe-based vector data model: quaternary quadrangle vector tile model

This study proposes a virtual globe-based vector data model named the quaternary quadrangle vector tile model (QQVTM) in order to better manage, visualize, and analyze massive amounts of global multi-scale vector data. The model integrates the quaternary quadrangle mesh (a discrete global grid system) and global image, terrain, and vector data. A QQVTM-based organization method is presented to organize global multi-scale vector data, including linear and polygonal vector data. In addition, tile-based reconstruction algorithms are designed to search and stitch the vector fragments scattered in tiles to reconstruct and store the entire vector geometries to support vector query and 3D analysis of global datasets. These organized vector data are in turn visualized and queried using a geometry-based approach. Our experimental results demonstrate that the QQVTM can satisfy the requirements for global vector data organization, visualization, and querying. Moreover, the QQVTM performs better than unorganized 2D vectors regarding rendering efficiency and better than the latitude–longitude-based approach regarding data redundancy.     

全球遥感数据剖分组织的GeoSOT网格应用

针对目前不同部门按自身行业特点采用不同数据网格的问题,为了寻求更适合与现有测绘数据组织体系兼容的遥感数据组织网格,本文分析了Worldwind、Google Earth、Google Maps、Bing Maps、天地图、GeoSOT网格和国家地形图图幅等数据网格,理论证明了GeoSOT网格与国家地形图图幅和其他网格具有很好的同构性,有利于与传统测绘数据的继承,适合作为全球遥感数据统一组织与管理网格。同时,在不改变现有数据组织体系的前提下,提出了基于GeoSOT全球遥感数据“虚拟一张网”的数据组织模型和数据整合方法。最后通过试验证明,基于GeoSOT遥感影像“虚拟一张网”的数据组织可有效提高遥感数据整合效率。     

GPU ray casting method for visualizing 3D pipelines in a virtual globe

Pipelines are an important part of urban infrastructure development. As part of a virtual globe (VG), the high-efficiency and high-quality visualization of 3D large-scale and high-density urban pipelines is of great importance. This paper proposes a GPU-based pipeline ray casting method for the visualization of urban-scale pipelines in the framework of a VG. The method involves the initial partitioning of the pipeline data into tiles, based on the relationship between the pipeline layer scale and the discrete global grid system (DGGSs). The pipeline centerline in each tile is then segmented and encoded, and a coarser pipeline bounding volume is subsequently constructed using a geometry shader. Finally, the fine 3D pipeline is rendered using a pixel shader. The results of the experimental implementation of the proposed method show that it satisfies the requirements for the multiscale visualization of pipelines in a VG. Moreover, compared with the traditional polygon-based method, the method facilitates a 20% increase in rendering frame rate for the same pixel level accuracy display effect. It also enables the visualization of the thickness of the 3D pipeline without any obvious effect on the rendering efficiency.     

一种球面退化四叉树格网的多层次邻近搜索算法

格网单元的邻近搜索是聚类、索引、查询等空间操作的基础,但现有方法大都局限于单个剖分层次,无法直接满足全球多尺度数据集成查询和操作的应用需求。在球面退化四叉树格网（DQG）模型基础上,提出了一种基于多层次格网的邻近搜索算法。首先采用视点相关技术建立DQG格网的多层次模型,然后引入细分评价函数确定格网单元的邻近单元层次,设计并实现了一种相邻格网单元层次差不超过1的动态多层次格网单元邻近搜索算法,最后与单层次邻近搜索算法进行了对比实验。结果表明,搜索同一区域,该算法的耗时成本约为DQG单层次搜索算法的1/3（层次为11）;将该算法用于全球地形实时可视化表达,平均刷新帧率达到60帧/s。     

开放式虚拟地球集成共享平台GeoGlobe

如何管理覆盖全球多尺度PB级海量地理信息,构建三维虚拟地球,并进行高效传输与实时可视化以及与专业GIS的集成是我国空间信息技术面临的巨大挑战。对此,本文重点介绍了网络三维虚拟地球中多源、多尺度、多时相海量地理信息管理、网络传输、共享集成与可视化的理论、方法与关键技术。在此基础上,研制了开放式虚拟地球集成共享平台—GeoGlobe, 并成功应用于国家地理信息公共服务平台等项目中。     

球面菱形离散格网正二十面体剖分法

基于菱形单元的球面离散格网具有结构简单和方向性一致等优点,使得其适用于全球多尺度空间数据建模与分析.本文提出一种球面菱形离散格网正二十面体剖分法.首先根据地球的主要地理特征确定正二十面体各个顶点在球面上的位置;其次针对南北两极处的极点奇异性,建立了球面经纬度坐标与三维直角坐标之间的转换关系,在此基础上提出球面菱形离散格网层次递归剖分算法,并从菱形格网单元面积、长短轴比两方面对剖分结果进行几何形变分析;最后验证了本文方法的可行性,试验结果表明,该方法可有效地构建基于正二十面体的球面菱形离散格网,其总体几何特性明显优于基于正八面体构建的球面菱形离散格网.     

基于球面离散格网的遥感数据剖分编目模型研究

针对目前各个遥感数据的编目多样,缺乏全球统一的遥感数据编目体系的现状,本文基于球面剖分模型,参考并借鉴成熟的文献信息编目的相关理论,系统构建了全新的全球遥感数据剖分编目模型,以期更有效地组织、存储和管理大范围多尺度的遥感数据。首先,介绍了文献数据的编目理论和球面剖分格网的基本框架,然后探讨了基于全球剖分格网的遥感数据面片编目方法,其中包括描述著录方法和标引著录方法,最后设计了遥感剖分编目数据的管理框架和编目服务器的组织方法。研究表明,基于球面离散格网的遥感数据剖分编目模型为实现遥感数据的全球化、层次化和规范化管理提供了坚实的理论基础。     

基于全球离散网格框架的局部网格划分

从全球离散网格系统的应用需求出发,分析全球框架下建立局部网格的重要性,在此基础上提出全球离散网格系统下同构化的局部网格生成的基本思路,详细分析局部网格的复杂球面边界问题,从点与球面三角形的位置关系入手,讨论点与任意球面多边形的相对位置关系,研究基于球面任意多边形的边缘简化算法、判断点与球面任意多边形相互关系的算法、考虑跨面问题的网格区域裁减以及网格数据的层次生成算法.通过实验证明这些方法的效率和准确性.

Abstract：

Firstly, the paper analyzed the essentiality of generating partial grids based on the application and requirement of discrete global grid systems. And then, we brought forward the fundermental thought of generating partial grid which is under the discrete global grid frame, and discussed the detailed edge problems of partial highprecision grid. Started with the ubiety between a point and a spherical triangle, we discussed the ubiety between a point and a spherical random polygon, and then edge simplifying algorithm of spherical random polygon are studied, as well as co-relationship between points and spherical random polygon, grid district clipping based on spanning the developed surface and grid data hierarchical creating algorithm. In the end we prove exactness and efficiency of the algorithm through the experiments.