基于全景图像的空地一体虚拟地理环境构建方法

与基于空间几何数据生成的虚拟视景不同,全景图能提供与现实世界一致的全视野体验,提高虚拟地理环境的视觉逼真度。本文设计了空地一体的虚拟地理环境构建方案并提出空中全景获取技术,研究全景图球面建模与全景信息编辑技术,使用LOD技术结合遥感影像和全景图数据构建虚拟地理环境,提出全景图像多尺度显示模型以及同全球虚拟场景融合的漫游与交互方法。通过在教学、科研中应用以及登封地区实验,验证了方法的有效性。     

骨架优化下的地面激光树木点云重建方法

本文针对地基式激光雷达扫描点云的分布特征,提出一种基于骨架优化的三维树木重建方法。首先从原始点云中提取出树木的“类主干点”,利用无向图数据结构存储和组织点云,然后基于“主干点”约束下的最小生成树算法生成单株树木的初始骨架,最后通过“密度调整”和“树枝平滑”优化操作,建立高逼真度的三维树木模型。本文提出的树木几何重建算法对点云数据缺失和点云的密度不敏感,对试验区不同的树种建模具有较高的鲁棒性。另外,本文通过对不同密度的点云和不同抽稀层次下的点云进行效率测试,发现结合类主干点表达和点云抽稀能共同确保本文算法可以重建大场景TLS植被点云数据。     

爆炸装置搜索视景仿真训练系统的设计与实现

为解决搜爆人员在爆炸装置搜索训练过程中,真实训练环境搭建繁琐、人力与物资成本投入大等问题,在分析搜索爆炸装置训练过程的基础上,设计了一套爆炸装置搜索训练视景仿真系统。该系统通过搜爆场景逐级细化的方法构建虚拟场景,且以具有感应能力的三维模型模拟摩尔探测仪与非线性节点探测仪等搜爆工具。基于Open Scene Graph(OSG)图形开发库,以VC++为开发环境实现了爆炸装置搜索训练视景仿真。实践证明:该系统仿真度高,达到了爆炸装置搜索仿真训练的效果,并且运行流畅,沉浸感强。     

基于线性参照系统的虚拟高速铁路场景建模方法

虚拟高速铁路场景能够直观地表达线路实体及其周围的地形地貌,为高速铁路相关的管理决策和科学实验提供支持。针对高速铁路空间数据的线性分布特征和地物对象结构固定的特性,本文提出了基于线性参照系统的虚拟高速铁路场景建模方法。将高速铁路对象抽象和简化为可重复利用的模型,并使用线性参照工具进行模型的空间定位,以实现虚拟高速铁路场景的构建。本文首先探讨了高速铁路线路和线性参照系统的特点;然后,详细给出了构建虚拟高速铁路场景的流程、模型属性表和事件表的设计,以及几何约束方法;最后,选择案例区域开展试验。结果表明,该建模方法将建模对象以事件表的形式进行空间定位,减少了计算复杂性,并将属性数据与虚拟场景对象进行联接,可用于高速铁路的可视化管理和科学分析。     

三维虚拟地球的海洋信息适用性分析及原型研究

分析了三维虚拟地球在海洋应用上具有的优势及可能面临的挑战的基础上,首次提出了一种结合网格、语义网等前沿技术和理念,利用三维虚拟地球实现三维虚拟海洋的技术方案;并按照SOA的多层次架构,采用XML的多源异构海洋环境数据快速交换、海洋环境信息服务快速封装与发布、海洋环境信息服务虚拟组织、远程可视化等关键技术,实现了海洋环境信息网格平台及网格前端门户系统--三维虚拟海样(VRMarine)。VRMarine不仅能够集成网格环境下多源海洋环境信息服务,再现逼真的三维海洋环境场景,同时,还支持对功能服务的动态集成,实现多维时空特征分析。研究表明,该方案是切实可行和有效的,对三维虚拟海洋具有一定的现实及指导意义。     

基于三维粒子系统的雪灾模拟与实时绘制方法

利用遥感影像反演积雪的范围与雪深是当前的主流方法之一,但是由于卫星影像获取的时效性约束,存在难以表示积雪动态信息、模型通用性弱、对遥感资料质量依赖程度高等问题。三维粒子系统作为一种优秀的不规则模糊物体模拟方法,可以大大提高自然现象三维场景的真实感。本文提出了一种基于三维例子系统的雪灾模拟与实时绘制方法,将降雪的物理属性及几何属性转化为雪粒子属性,并以物理引擎为基础,建立基于三维粒子系统的积雪模型和融雪模型,模拟降雪过程并计算积雪范围和积雪深度,真实再现雪灾场景和发展趋势,方法简单、可操作且约束较少。实验表明,该方法的模拟结果与实际灾情具有较强的一致性,算法具有可靠性,并能再现三维雪灾场景,具有实时性和逼真性。     

从地理信息系统到虚拟地理环境的认知转变

自20世纪60年代初以来,地理信息系统引领了地理信息的分析与服务。然而,由于地理学家对于地理过程开展多维模拟的需求,同时许多大型工程需要对于不同方案的后果事先开展模拟评估,为此中国学者们在世纪相交之际开始了对于虚拟地理环境的探索。本文从地理信息系统到虚拟地理环境的认识上的转变着手,分析了虚拟地理环境的演进过程、当前的阶段定位与挑战,着重探讨了虚拟地理环境研究的新态势：基于虚拟地理环境的地理空间认知研究、虚拟地理环境与实验地理学新方向、大数据背景下的虚拟地理认知实验方法和虚拟地理环境与地理知识工程,并给出最新研究思路。     

生长模型驱动的单株杉木三维动态模拟

虚拟植物是一种潜在、有力的植物分析辅助工具,而单株木生长模拟是森林生态系统模拟的基础。为了动态模拟杉木生长发育过程,提出了参数化单株木三维形态结构建模和与距离无关的单木生长模型的集成方法,其主要过程为：首先,根据杉木的形态结构特征,采用参数化建模方法建立特定生长阶段的三维静态模型;其次,根据生长模型预测不同年龄杉木的树高、胸径、枝下高和分枝轮数,并与树木三维静态模型几何描述参数建立联动;最后,采用参数曲线调整干径和枝径变化、枝条长度、分枝角等形态结构参数,使模型形态随树龄增长而变化。在自主研发的ParaTree系统上,扩展杉木动态生长模拟模块,并以福建省漳平五一林场的二类调查数据为例,动态模拟了杉木的生长过程。模拟结果表明,本方法可直观表达林分中林木个体平均生长状况和大体形态结构特征。树木三维模型描述参数与传统树木统计生长模型结合,有利于重用林业领域淀积大量的生长模型。     

虚拟场景多模式漫游的研究与实现

针对视景仿真场景中漫游模式单一的问题,提出了多模式漫游及灵活切换的方案。在分析飞行、行驶、步行3种常见漫游模式的基础上,建立了以观察者为中心的三维球面数学模型,通过控制3组视觉参数来实现3种模式的切换,同时给出了多模式切换时平滑切换、碰撞检测的方法,利用Open Graphics Library(OpenGL)实现了虚拟场景多模式漫游。实验结果表明,多模式漫游为用户提供不同层次的漫游方式,改善了场景漫游的用户体验。     

海岸带湿地研究中GIS应用的若干问题思考

建立海岸带湿地资源与环境信息系统,是对海岸带湿地实施科学管理、确保可持续发展的有效方法。本文讨论它的构建体系及基本思路;并提出在数据获取上借助RS及GPS技术,在数据建库技术上融入面向对象的数据结构组织模式,在传统的GIS分析手段上扩展空间分析的方法等设想,以利于维持系统的稳定和功能的发挥,为今后海岸带湿地的开发利用提供决策参考.     

倾斜影像区块化自动整理方法研究与实现

高精度倾斜摄影实景三维重建,基于区块化数据规范管理、像控制点选片、倾斜影像姿态信息整理等需求,在数据导入建模软件之前,需要对海量倾斜影像数据进行人工整理。传统倾斜摄影后续数据整理,涉及影像分类、按规范重命名、影像按航向旋转、倾斜影像信息表录入等繁杂的工序,通常需要人工进行操作,劳动强度大,特别是针对多视角海量数据,错误率较高。该文旨在研究一种基于消费级无人机的高精度倾斜摄影区块化倾斜影像快速自动整理方法,通过程序替代人工批量实现倾斜影像视角分类、多视角影像重命名、Exif-GPS信息提取、曝光点轨迹及区块化倾斜影像信息表制作等工作,并以山东省滕州市前杨岗村高精度实景三维重建为实例,验证该方法能够极大降低人工劳动强度、缩短数据整理周期、保障数据精度,对提高基于消费级无人机倾斜摄影的实景三维建模效率具有较大的借鉴及实用价值。     

林木多样性模型及生长模拟

林木生存环境复杂多变,导致林木形态千差万别,为了准确描述林木的形态多样性特征,提出了一种基于模型分解的林木生长模拟方法。首先构建多样性林木三维模型,使用林木形态的实际测量数据,基于B样条函数约束树干、树冠形态,依据削度方程模拟树干直径的变化趋势,利用Direct3D实现林木形态的三维建模;其次,按林木形态特征进行林木模型分解,将林木模型分为9个子模型;最后,使用场景节点按照拓扑结构关系对子模型进行动态组织,基于胸径、树高、枝下高、冠高和冠幅生长模型,使用多核CPU多线程并行的计算方式,获得各年龄阶段林木东、南、西、北方向形态参数,从而对子模型生长状态进行控制,实现林木不同方向生长变化的可视化模拟。结果表明：该方法可将林木三维模型与生长模型紧密结合起来,林木各方向的枝下高、冠高和冠幅严格按照生长模型进行生长,可有效模拟出林木各方向生长状态的多样性;三维场景渲染帧率（FPS）保持在25以上,平均FPS可以达到50,实现林木生长的方向异质性模拟。     

顾及单木三维形态的无人机立体影像单木识别算法

单木参数对当前的森林资源管理、生态研究以及生物多样性保护等具有重要意义。无人机立体影像数据与单木识别算法为单木参数的低成本、自动化获取提供了基础。现有研究表明,常用的基于局部最大值搜索的单木识别算法面对密集林分时存在严重的漏识别问题,影响了参数提取的精度,因此本文提出了顾及单木三维形态的无人机立体影像单木识别新算法。算法首先综合利用无人机立体影像的高程与RGB光谱信息,通过随机森林分类进行林冠区的提取;然后利用形态学的多层腐蚀、膨胀与连通区标记进行树冠相连单木的分离与树冠中心点的提取,从而实现单木自动化识别。本文选取内蒙古大兴安岭林区和四川王朗林区的4块样地进行验证,以目视解译数据为参考,分别与基于高程值的局部最大值搜索算法（算法A）、基于RGB光谱亮度值的局部最大值搜索算法（算法B）进行比较。结果显示：本文提出的算法在4个样地的平均F1-score为94.17%,与算法A和算法B相比分别提高了15.85%和9.37%;而对于密集样地,本文提出的算法在查全率上相比算法A和算法B分别提高51.79%和35.64%。结果表明本文提出的算法在不同林区均能够实现较好的单木识别效果,特别是能够有效避免密集林分下的漏识别问题,为基于无人机立体影像的单木识别研究提供了一种新的思路。     

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。     

汀溪水库三维防洪调度管理信息系统研发

水库防洪调度是一个非常复杂的过程。水库防洪调度的信息化主要是借助测量、遥测、遥感(RS)、地理信息系统(G IS)、全球定位系统(GPS)等手段采集基础数据,构建数字化水库防洪数据管理平台和水库虚拟三维环境。在该平台和环境中,以系统软件和数学模型对水库流域的水雨情及洪水的调度方案进行模拟、分析和研究,提供决策支持,从而增强防洪调度决策的科学性和预见性。实践表明,通过RS、GIS技术建立的水库三维防洪调度系统能够为水库管理者提供水库防洪调度方案制定与分析、防洪调度决策等方面的强有力的、科学的辅助支持。本文结合厦门"汀溪水库三维防洪调度系统"的实际研发,探讨了RS和GIS技术在水库防洪调度中的应用。     

面向空间特征的虚拟树木建模方法与应用

树木的三维建模是建立虚拟森林环境的关键问题之一。基于树木形态结构特征分析,提出了面向对象的矢栅混合模型,并详细描述了主干、枝段、枝条和树叶之间的五组拓扑关系。结合L-system s和三维几何结构方法的优势,提出规则和约束的三维树木建模方法,该方法将分枝策略和叶片空间分布特征转化为规则,利用参数化L-system s实现,建模时将树木的空间几何特征和拓扑关系赋予树木模型,所建模型符合树木的生物物理特征。建模过程中通过阈值、模型调整和随机值约束,对模型参数进行控制,约束的内容包括树木结构、单叶尺寸、叶面积指数、随机性四个方面。最后,利用VC++与OpenGL实现了数据模型与建模算法,并利用实测数据进行了验证,所得模型比其他模型更符合于树木实际的形态结构参数和生物物理指标,有利于实现与树木空间结构相关的定性和定量分析。     

基于标记控制分水岭分割方法的高分辨率遥感影像单木树冠提取

树冠是树木的重要组成,可以直接反映树木健康状况。高空间分辨率遥感影像和遥感技术为快速获取详细的树冠信息和实时监测林冠变化提供了有效的途径。因此,基于高空间分辨率遥感影像的单木树冠提取方法研究对现代森林管理具有重要意义。本文以黄河三角洲地区孤岛林场人工刺槐林和旱柳为研究对象,以QuickBird影像为数据源,首先利用面向对象方法实现研究区林地和非林地分类;然后以林地为掩膜,提取出树冠分布范围;在此基础上,分别选取疏林区和密林区为试验区域,通过形态学开闭重建滤波,平滑图像,去除噪声;最后,利用标记控制分水岭分割方法分别对疏林区和密林区进行树冠提取。本文以人工勾绘结果为参考进行精度验证,结果显示疏林区F测度达到87.8%,密林区F测度达到65.5%,表明该提取方法简单易行,精度可靠。     

基于随机森林算法的近地表气温遥感反演研究

近地表气温是城市热环境的重要表征,是改变和影响城区气候的重要因素。为获得空间上连续的近地表气温,本文以北京市为研究区,利用Landsat5/TM数据计算分别得到地表温度、归一化植被指数、改进的归一化差异水体指数、地表反照率、不透水面盖度,并结合气象站点气温和高程作为输入参数建立随机森林模型反演近地表气温。结果表明,随机森林反演的近地表气温平均绝对误差（MAE）为0.80 ℃,均方根误差（RMSE）为1.06 ℃,与传统多元线性气温回归方法相比,平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）分别提高0.06 ℃和0.09 ℃。研究表明,利用随机森林模型反演近地表气温是可行的,并且具有一定的优越性。此外,对随机森林模型的输入参数进行重要性分析,地表温度对气温反演模型的影响最大,其次为高程。     

多边形叠加Vatti算法的VCS优化方法与GPU并行化

Vatti算法是常用的矢量多边形裁剪算法之一,在其构建扫描束实现交点计算的过程中,二叉树的数据结构和递归计算方法导致其计算效率受矢量多边形边界顶点数量影响显著。本文针对Vatti算法执行过程中较为耗时的扫描束构建环节,提出了一种多边形边界顶点预排序的优化方法——VCS（Vertex Coordinate Pre-Sorting）方法,并基于该方法实现了对Vatti算法的GPU细粒度并行化。VCS方法使用双向链表对Vatti算法原有的二叉树数据结构进行了替换,以较小的额外存储空间取得了多边形边界顶点信息查找效率的明显提升。在GPU环境下采用双调排序算法对多边形边界顶点数组元素进行并行化排序并过滤出有效值,克服了原始算法使用二叉树存储导致效率低下的问题。实验结果表明,改进后的算法与原始算法相比,具有相同的计算精度;当多边形顶点数量为92万,CUDA每个线程块中的线程数量为32时,使用VCS优化方法,与采用CPU计算构建扫描束方法相比,GPU并行化方法获得了39.6倍的相对加速比,矢量多边形叠加分析算法效率总体上提升了4.9倍。     

机载LIDAR数据的树高识别算法与应用分析

利用机载激光雷达数据提取天然次生林的树高,旨在探索影响树高提取精度的主要因素。首先,采用高精度曲面建模平差算法(Adjustment Computation of High-accuracy Surface Modeling,HASM-AD)生成研究区不同空间分辨率的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)、数字地表模型(Digital Surface Model,DSM)和冠层高度模型(Canopy Height Model,CHM);其次,用树顶点识别算法提取林木树高,设置不同树高识别范围,对比分析不同CHM分辨率和不同树高识别范围对树高提取精度的影响;最后,以天涝池流域30个实测样地数据为样本,对提取精度进行检验。结果显示：提取的样地平均树高与实测值具有明显线性相关关系,线性回归系数为0.694;树高识别范围是影响树高提取精度的重要因素,CHM分辨率对其影响较小。研究表明,采用高采样密度的雷达点云数据、正确选择CHM生成方法和改进树顶点识别算法是提高天然次生林树高提取精度的有效途径。