基于粒子系统的滑坡灾害过程模拟仿真方法

传统滑坡模拟方法需要进行大量物理模拟计算,导致模拟效率低且模拟精度受制于所采用的力学模型。本研究在传统模拟方法的基础上引入PhysX物理引擎中的粒子系统模拟滑坡发生的整个过程,简化了传统模拟方法的大量物理模拟计算过程,提高了模拟效率。首先采用参数率定以及极限平衡分析方法计算滑坡灾害体的物理属性值及几何属性值,并将其转化为粒子属性,其次在物理引擎中通过控制模拟时间及粒子周期模拟滑坡灾害过程,最后通过粒子系统反馈回的滑坡粒子的几何位置、持续时间和个数等要素的统计计算得到滑坡灾害范围。选取浙江丽水市滑坡为典型案例,验证了本文方法的可行性与可靠性。     

基于GPU的HASM动态模拟与实时渲染方法

 基于微分几何曲面论的高精度曲面模拟(high accuracy surface modeling, HASM)需要大量的复杂密集计算,在CPU上模拟极为耗时,使得在现有的硬件条件下,实时动态模拟曲面并实时可视化极具挑战性。论文提出了GPU加速的HASM方法,充分利用现代显示适配器(graphic processor unit, GPU)技术,运用GPU最新发展起来的并行计算能力,使用并行化的预处理共轭梯度方法解算曲面,完成曲面模拟,并同时利用GPU的高速缓存架构,对渲染操作进行充分优化,以实现高效实时可视化。HASM需要的有限差分离散和高速解算操作,均充分利用现代GPU架构,所具有的多处理器和众多的流处理器所产生的强大并行计算能力,可视化也用GPU高速缓存技术和三角条带方法进行充分优化。数值实验和实际项目区高程模拟实验均表明, 在GPU为NVIDIA quadro 2000和CPU为DualCore Intel Core 2 Duo E8400的硬件配置下,GPU并行化的曲面模拟方法比普通方法速度提高了约10倍,使得动态模拟与可视化算法可以达到交互式的帧速及实时可视化的要求。     

基于GPU的全球地形数据加速绘制技术研究

在对基于GPU大规模地形数据快速绘制方法的研究基础上,针对GPU的批量绘制的特点,提出了改进的几何体实例化方法,把它用在全球格网的快速绘制上。把地形数据通过重新编码存储在高度图中,再结合Shader Model 3.0引入的顶点纹理拾取技术,在GPU中进行解码,得到原始的DEM数据,避免了在CPU上执行顶点缓存的更新。实验证明该算法充分利用了新一代GPU的特性,降低了CPU的负担,能达到实时绘制的要求。     

三维实时虚拟技术的发展与应用探讨

信息技术与人们的生活越来越密切，伴随着Internet提供的服务，人们有越来越多的需求，越来越多的服务也应运而生。这里介绍与探讨的是伴随着Internet发展产生的一种技术——三维实时虚拟技术的发展与应用。     

数字城市的三维图形构建技术

城市是一个复杂的人文与自然的复合系统,是人口、资源、环境和社会经济要素高度密集的地理综合体,数字城市是数字地球应用的一个重要方向,而数字城市的三维图形构建是数字城市建设的重要内容之一。本文从技术应用角度出发,综合多方的研究成果,简单阐述了数字城市的三维图形构建技术和基本思路。     

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。     

应用Level Set方法模拟三维气泡与液滴的运动

将Level Set方法与ICE数值格式相结合,建立了求解含有运动界面的不可压缩气液两相流动问题的三维模型及数值解法。应用所建立的模型和算法三维模拟了4种典型气泡和液滴的运动过程,包括气泡从单个喷嘴生成和上升的过程,两个大小不同的空气气泡在水中自由上升时的相互作用过程,水滴下落冲击水面的过程和水滴与颗粒正向等温碰撞过程。模拟结果表明,所建立的模型与算法能准确方便地捕捉到三维气泡和液滴界面的破碎与融合等拓扑结构的变化,说明Level Set方法是一种行之有效且大有前途的处理气液运动界面问题的方法。     

基于MapGIS的巷道地质素描图绘制系统设计与实现

根据金属矿山地测数据管理业务需求,首先剖析了巷道地质素描图组成要素,设计了基于MapGIS的巷道地质素描图的绘制流程以及绘制系统的组成模块。巷道地质素描图组成要素主要由基本信息、地层信息、构造信息、水文地质信息、刻槽样轨信息与样品化验信息组成。巷道地质素描图绘制系统主要由数据管理、坐标转换、巷道素描图模板自动生成、组成要素绘制、矿岩类型与面状构造、刻槽样轨自动生成、自动注记、巷道综合地质素描图生成等8个模块组成。接着,采用面向对象的方法,分析组成巷道地质素描图空间实体对象及其实体对象之间的拓扑关系,建立了支持巷道地质素描图自动绘制的逻辑与空间数据模型。最后,基于MapGIS平台及其组件式开发技术,实现了巷道地质素描图绘制系统,绘制了上海宝钢集团梅山铁矿巷道地质素描图,取得了良好效果,为矿山地质图件的信息化建设提供了应用的依据和实践经验。     

基于可编程图形硬件的体绘制技术

三维数据场可视化中的体绘制技术是科学计算可视化领域最重要的一项技术。由于体绘制技术需要处理的数据量十分庞大,生成图像算法又比较复杂,常常需要使用高端图形工作站和特殊硬件来实现。近年来计算机性能的大幅提高,特别是可编程GPU的顶点和片段处理器的快速发展,为普通Pc机上实现实时体绘制技术提供了硬件加速的支持。介绍了科学计算可视化和可编程GPU的概况,在普通PC机上实现了基于GPU的三维纹理映射的体绘制算法,实验表明,在不损失图像绘制质量的情况下,加快了绘制的速度。     

潮滩冲淤监测方法与实时监测系统设计

分析了潮滩冲淤监测的几种常见方法,其中标志桩法、SET 和RSET法、沉降板法、人工示踪砂法、PEEP和PEEP-3T法、ALTUS 和ADV法等主要测量某点或某断面上的冲淤量,3S技术结合地形图或海图实现了大范围潮滩面上的冲淤变化测量.借鉴海洋、海岸实时监测系统的原理和实践经验,提出了潮滩冲淤实时监测系统的设计方案,该系统数据采集子系统包括潮滩高程、景观图像、地物光谱、气象和水动力等因子的数据综合采集,数据通过网络连接传输到实验室,以实现地貌变化和驱动因素的同步获得和综合分析,并通过地物光谱信息获取,为遥感数据解译提供基础资料.     

一种基于屏幕的三维地图线状符号渲染方法

作为地理信息系统中的重要组成部分,矢量数据在三维GIS中发挥着重要作用,如指示地理对象、解释空间关系和丰富图面信息等。随着图形硬件的迅速发展和虚拟地理环境的广泛应用,为了在三维地图中精确、高效地绘制出具有复杂样式的线性地图符号,本文提出了一种利用OpenGL Shader Language的三维地形表面线状符号渲染方法。该方法通过对矢量数据进行编码形成纹理数据,完成矢量数据在程序与GPU间的传输;将地形单元和矢量线段间的映射关系存储在索引纹理中,用于关联线段的实时查找;通过计算当前屏幕片元与关联矢量线段的空间位置关系,判断片元所属符号的区域,进而设置片元的颜色。实验表明,本方法可在三维地形上高质量地渲染出几种典型的复杂线状符号,并能保持较好的渲染性能。     

遥感大数据实时渲染与交互可视化研究

数据可视化是遥感应用的重要服务出口。针对静态的预生成瓦片地图难以满足数据查看、地图配置、空间分析等专业应用问题,本文提出了一套面向遥感大数据的实时渲染与交互可视化的解决方案。在渲染节点构建影像的渲染瓦片结构,以提高数据的读取速度;在可视化服务上,提出“数据-计算”相一致的负载均衡策略,优化地图的渲染效率;在可视化服务方面,设计交互的地图服务接口。与传统技术的对比分析表明,该解决方案不但实现了遥感大数据的实时渲染与交互可视化,并且达到了与预生成瓦片地图服务相当的服务性能。基于这一解决方案,研发了遥感大数据的动态可视化原型,并在影像数据实时查看、可视化计算、可视化分析等方面开展了示范应用。     

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。     

三维GIS渲染引擎的关键技术

随着计算机图形技术的不断发展和人们对视觉要求的不断提高,三维GIS场景的复杂度也在增大。本文在分析三维GIS场景特点的基础上,提出了三维GIS渲染引擎的概念,并分析了渲染引擎在降低三维GIS开发复杂度和提高软件可重用性中的作用。重点探讨了3DGIS中,针对大数据量复杂实时场景进行快速、高效渲染的关键技术,如场景图、层次细节、视锥体剔除、遮挡面剔除、渲染通道等,并对技术原理进行了详细的分析,最后,通过具体的实验验证了这些技术的可用性和有效性。     

逆向热力图的绘制方法

热力图是对数据的一种直观的表示方法,在空间大数据挖掘和知识发现的研究中具有良好的展示效果。本文研究了一种逆向渲染流程绘制热力图的方法,提出了将渲染器像素映射的地理空间作为计算分析的空间粒度,解决了热力图影响力叠加规则依赖于渲染器机制的缺点。逆向渲染热力图方法使用地理距离与绘制像素结合计算得到分析点缓冲区半径系数和影响力参数,以此来减弱在不同的地图尺度下热力图的形变程度。采用Kapur多级分割算法自动探测图像阈值得到色彩梯度,优化了热力效应的分级展示,在视觉效果上数据特征更加美观清晰。本文通过一组实验进行了验证,数据是由北京市交通委提供的公交IC刷卡记录,提取了其中某一时间段的刷卡数据作为样本,在相同的实验条件下,分别使用基于开源的Leaflet在线地图和Canvas渲染技术2种绘制热力图渲染方法,得到可视化结果后对比分析。在相同的实验条件下,逆向渲染热力图的可视化效果更符合现代的多尺度电子地图需求,更适用于地理空间POI点空间特征可视化。     

城市空气质量GIS数据模型及分析系统的集成与应用

城市空气质量模拟是目前环境与健康研究的一个重要领域。本文基于GIS技术,采用准稳态高斯扩散模型建立了城市空气质量模拟系统,着重研究了三维空间城市空气质量模型系统的集成方法,并以福州市为例,采用该模型系统对城市建城区的NO₂与SO₂年平均浓度场分布进行了模拟。     

二维矢量线符号在三维地形表面的贴合渲染方法

二维矢量符号是二维地图的重要组成部分。如何将二维矢量符号准确地贴合渲染在三维地形模型表面是地理信息科学的研究热点之一。针对线状矢量要素（简单线和周期线）中现有方法存在的周期线周期分布不均、渲染精度低、性能受地形模型复杂度影响大、矢量要素与地表贴合不紧密等问题,本文提出了一种基于屏幕像素进行投影反算的渲染方法,以及基于地表延伸长度的周期判断方法。该方法通过预处理计算线要素贴合在地表的真实长度,并将线要素按其实际宽度进行面域化处理;实时计算每个屏幕像素在二维矢量平面内的覆盖范围,通过该范围与矢量面域的位置关系筛选位于其内部的像素;进一步通过线的实际长度进行周期判断以确定像素色彩值。整个过程通过CPU-GPU并行异构计算模型实现,提高了场景交互性能。实验表明,本方法具有周期分布均匀、渲染精度高、贴合结果真实准确和性能不受地形模型影响等优点。     

基于NewMap的三维地下管线系统的设计与实现

为实现城市地下管线的高效管理与维护,以New Map Server与New Map World为基础平台,采用三层体系架构与模块化功能设计,建设基于Web的城市三维地下管线信息管理系统。该系统具有海量数据的存储与管理、空间查询统计与量测、周边检测、爆管分析、缓冲区分析、横断面分析、覆土深度分析、连通分析、流向分析等强大功能,为地下管线信息化建设以及智慧城市建设提供参考。