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。     

基于GPU的S63标准电子海图数据解密算法

S63标准采用Blowfish算法对原始海图数据加密后发行,数据的解密成为电子海图系统数据转换和更新中一个耗时的过程。为提高数据处理的速度,针对Blowfish分组密码算法的特点,提出一种利用图形处理器(GPU)的海图并行解密算法,并采用数据传输和处理的同步技术进行了优化。测试表明,采用GPU的并行解密算法是纯CPU串行处理的9.8倍。该算法不仅可大大加快海图数据转换和更新过程,对地理信息系统海量数据处理也有一定的借鉴价值。     

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。     

全球六边形离散格网的矢量线数据绘制精度控制

全球离散格网系统是一种新型的地球空间数据模型,是平面格网模型在球面上的扩展。由于六边形的几何结构优势,经常被用于球面离散格网的构建。在平面格网向球面映射过程中,因球面的不可展性,格网上的距离和方向都会发生巨大变化,导致矢量数据球面格网化绘制的精度无法得到保证,这成为矢量数据在全球离散格网显示的一个重要瓶颈,直接制约了球面格网上空间度量关系的建立。本文针对全球六边形离散格网上矢量线数据的绘制问题,研究了平面-球面映射过程,对直线方向影响的统计变化规律,对矢量线数据的格网化表达进行了精度控制,使得平面格网上的矢量绘制方法,能在球面格网上进行高精度的绘制,并保证矢量数据的球面格网绘制误差严格控制在当前层次格网的一个单元内,为格网化数据的高精度显示和格网空间度量的建立奠定了理论基础。     

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TileStache的多源投影矢量数据瓦片生成技术研究

瓦片技术的出现改变了传统Web GIS的服务架构,提高了地图数据请求响应的效率。针对多种地图投影类型或地理坐标的矢量数据在瓦片划分过程中遇到的问题,本文基于OGR地理数据模型,设计了多投影数据转换Python模块,扩展至开源应用程序Tile Stache,得到适用于多源投影矢量地理数据的瓦片生成工具OTile Tool;从而实现矢量地理数据瓦片的快速生成,为网络地理信息系统提供了表达地理信息的Geo JSON格式瓦片数据。     

基于OSM的地表覆盖变化数据提取

2014年,中国研制出了2000年和2010年两期30 m分辨率的全球地表覆盖数据产品,为了保持该数据集的现势性,持续更新成为该领域关键问题。变化数据的快速收集是全球地表覆盖数据更新的核心,志愿者地理信息(volunteered geographic information,VGI)的兴起为解决此问题提供了一条新的途径。在目前VGI项目中,OpenStreetMap(OSM)具有数据丰富、现势性强等优点,可以作为全球地表覆盖数据更新的参考信息来源,然而OSM数据不能直接对应地表覆盖增量数据,因此,本文提出了一种基于OSM的地表覆盖增量数据提取方法。该方法首先以OSM定义的几何类型和属性数据作为分类依据,建立OSM数据到地表覆盖数据的转换规则;然后针对类型转换后数据存在的目标零散等问题,采用四叉树聚类方法对转换数据进行综合;继而对整合后的数据栅格化并与GlobeLand30数据进行叠加运算得到地表覆盖增量数据。最后以爱沙尼亚区域的OSM数据验证了本文方法的可行性。     

基于球面退化四叉树格网的GlobeLand30数据表达及精度分析

Globe Land30为我国研制的世界上首套全球30 m地表覆盖数据集。该数据采用传统的通用横轴墨卡托投影(UTM)组织数据。为了解决地图投影给全球性问题带来的空间数据断裂及几何变形等问题,本文以球面退化四叉树格网(DQG)为基础,构建一种Globe Land30的全球连续表达模型;并选择相应的精度评价指标,对基于DQG模型表达的几何变形、数据误差的空间位置分布及定量化进行研究。结果表明:基于DQG模型既能保证Globe Land30数据表达的全球连续性,又能保持原有的数据精度,为Globe Land30在全球空间数据的可视化连续表达与深度分析提供了基础。     

基于四叉树的LOD地形模型及其数据组织方法研究

针对大规模地形可视化中地形数据的组织方法进行了研究,设计了一种基于线性四叉树结构的静态LOD地形模型,采用重采样、分层分块的方法来组织任意格网大小的海量地形数据。在此基础上,对数据动态调度过程中的相关问题进行了分析,地形块的快速索引、边界裂缝消除等方法的运用,提高了地形漫游的效率与可视化效果。实验结果表明,该研究成果可以满足大规模地形数据的实时可视化操作要求。     

三维地形颜色渐变渲染的光滑过渡方法研究

地形颜色渐变渲染是表达地形起伏变化或其他地学要素空间分布变化趋势的常用方法。在三维地学交互分析系统中观察分析三维地学信息时,需要依据观察位置和分析区域的范围大小不停地变化视角和视距。当观察距离很近时,利用包含一定颜色数的色带渲染地形会出现明显的颜色分层现象,不能很好地表达地形颜色的光滑过渡。针对三维地学交互分析系统对地形颜色渐变渲染的操作需求和存在的问题,分析了RGB和HSL两种颜色模型的特点,顾及OpenGL的颜色平滑过渡原理,在RGB颜色空间通过对所有颜色分量进行线性插值实现了地形双色渐变渲染,在HSL颜色空间通过固定饱和度、亮度,对色相进行线性插值实现了地形多色渐变渲染,并通过加入光照计算来增强地形颜色渐变晕渲的三维立体效果。实验结果表明：本文方法能很好地兼容OpenGL的平滑着色,实现三维交互环境下任意距离观察地形均能保持颜色之间光滑渐进过渡,达到更为光滑的地形颜色渐变渲染效果。     

基于对偶四元数的不同地形无人机影像区域网平差解算方法

随着对地观测技术的发展,通过各种传感器获取的影像越来越多。无人机遥感技术以其方便、快捷、成本低、可云下飞行的优势正越来越多地运用到铁道沿线信息的获取中,为保证后续分类、信息提取、面积量算的精度,对无人机影像进行区域网平差具有重要意义。考虑到无人机影像具有像幅小、数量多、基线短、重叠度不规则等特点,将对偶四元数引入到无人机影像定向过程中,提出了一种利用对偶四元数进行无人机影像区域网平差解算的方法,并针对不同地形区域的无人机影像进行实验。实验结果表明:本文提出的算法应用到无人机影像区域网平差中,精度与常规光束法区域网平差相当,所需像控点数量及分布与常规光束法区域网平差相当,本文研究为提高无人机影像区域网平差的解算效率探索了一种新思路。     

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。     

基于BERNESE全球网联合平差分析东北区域速度场

本文将东北区域陆态网基准站纳入到全球网联合平差解算,实现了数据的自动处理,获得周解,并通过时间序列分析获得了基准站在全球框架下的运动速率,并对其进行对比分析,进一步验证了解算策略的可行性和可靠性。     

利用高分辨率地球影像研究全球洋壳活断层分布

利用谷歌三维地图勾绘出全球海底现今主要断层构造带的分布图,为观察海洋地壳运动与演化过程提供新的方法和视角,对海底活断层的分布和演化机理、海底扩张、地幔对流等方面的深入研究和探索具有重要意义。     

一种自适应裂缝宽度的二值化方法

针对墙体表面不等宽度的裂缝,提出一种自适应裂缝宽度的二值化方法。通过与分块迭代二值结果进行求交去噪和形态学处理,得到裂缝信息较完整且可信度更高的二值图像。该方法可剔除块状缺陷和大块背景污渍的影响,针对不等宽度的线状缺陷进行效果较好的二值化操作。     

新型识别算法在孤立字词语音识别中的应用

提出了孤立字词语音识别的一个新算法,即新型的识别算法。通过此算法,系统可以在不降低系统识别精度的前提下,大大精简运算量,提高识别系统整体的识别效率。实验证明,该算法在基于模板的孤立字词语音识别中可以达到100％的识别精度,在基于非模板的孤立字词的语音识别中,其识别精度也可以达到90％以上,并且与传统的识别方法相比,缩短了训练时间,提高了识别速度。在孤立字词的语音识别中具有自己独到的优势。构建一个使用方便的语音识别系统,将算法应用到实践中解决人们现实生活中遇到的各种问题。     

基于变焦数据模型的数字地图的研制

数字地图作为一种新型的地图受到人们越来越广泛的关注。数字地图包含着各种地图数据,为了在多种比例尺范围内能快速地检索地图数据,需要把地图数据分层存贮变焦。作者通过变焦数据模型原理,探讨如何建立多层存贮结构,将数字地图中的大比例尺地图数据库自动导出小比例尺图形。变焦数据模型是一种动态的数据模型, 在该模型中,图形比例尺的变化不是简单的图形尺寸的缩放,而是伴随着各个物体的细节和物体数量而增减。这种基于变焦数据模型建立的数字地图可以提高数据检索与图形表示的灵活性,减少大量不必要的用于重复获取数据而消耗的人力物力,广泛应用于各个领域。     

基于MPP架构的并行空间数据库原型系统的设计与实现

快速高效地查询信息是衡量当前空间数据库性能的重要指标之一。传统的单节点关系型空间数据管理方式难以满足大数据量空间数据查询的需求,特别是高性能的复杂空间多表连接任务需求。鉴此,本文设计并实现了基于Massive Parallel Processing（MPP）架构的并行空间数据库中间件原型系统。系统充分利用无共享（shared-nothing）架构的优势,特别是针对空间数据的特性,设计了并行空间数据划分与导入、并行空间多表连接、空间数据查询优化等算法与模型。首先介绍了近年来并行数据库系统的发展现状,接着阐述了基于MPP架构的并行空间数据库中间件系统的查询计划算法及其系统架构,最后作者对一些大规模数据量做查询实验及其查询结果分析。实验表明,在处理挖掘大规模数据量时,该系统有近似线性的加速比,相比于传统单节点数据库,它能充分提高海量空间数据的复杂查询的性能,解决了空间数据库并行化处理海量数据的问题。