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城域景观VRGIS一体化仿真平台研究与实现

作　者: 马纯永
导　师: 陈戈
学　校: 中国海洋大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: VRGIs平台插件式软件架构 3D模型数据引擎 GPU加速算法虚拟现实与地理信息系统无缝集成
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

虚拟地理信息系统(VR-GIS)技术是地理信息系统(GIS)技术和虚拟现实(VR)技术相结合的新技术,是GIS技术从二维向三维甚至多维方向发展,从静态向动态发展的必然结果,是建立“数字地球”、“数字城市”关键技术之一。本论文以虚拟地理信息系统各种关键技术为研究对象,以构建出集大规模场景虚拟仿真和全面详实的三维地理信息说明于一体的软件平台为研究目标,以解决海量的和多源异构的三维空间信息数据组织、管理、实时绘制及VR、GIS无缝集成问题为主要研究内容,系统地进行了基于插件技术的软件集成方法、基于IOCP面向数字城市的3D模型数据引擎、基于GPU的虚拟城市加速渲染技术、VR与GIS无缝集成方法的研究。并根据研究成果,进行了一套面向城市/区域级大场景、多精度等级虚拟现实应用的软件开发平台——城域景观VRGIS一体化仿真平台(简称VRGIS平台)软件的研发。论文的主要工作和获得的成果如下：(1)VRGIS平台的插件式软件架构设计采用插件式软件架构对数据管理、三维渲染和3DGIS分析等数据处理方法进行集成,可有效提高这些功能的复用能力和复用程度。针对VRGIS平台应用领域宽泛的特点,充分考虑到插件技术的高封装、可复用等优势,建立了基于层次插件架构的软件开发模型,也为虚拟地理信息系统开发人员提供了即插即用的构件,以供二次开发使用。(2)基于IOCP面向虚拟城市的3D模型数据引擎城市三维模型数据是VRGIS系统中重要的一个地理对象,是虚拟环境的三维空间基础。为解决视点漫游过程中数据载入不及时、数据组织需同时满足VR高效渲染与GIS分析需求的难点,本文继承了GIS软件对空间数据管理的思想,对城市的三维模型进行分层组织,对其特点分别予以分析。充分考虑了模型数据的LOD、纹理映射、精度分布不均匀等特点,创新性的提出了面向建筑物层的Precision LOD R-tree及面向地面、道路、绿化混合层的Hilbert网格索引结构,建立了城市模型数据的高效索引。基于该数据索引,利用多线程及IOCP机制实时调度三维模型数据,实现基于外存的VRGIS数据引擎。利用LRU算法,建立模型缓冲区,实现三维模型数据的无延迟载入。(3)基于GPU的虚拟城市加速渲染数字城市应用对三维场景高效渲染提出了新的要求。为了满足这些要求,在采用LOD、VBO、显示列表、视锥裁剪等优化算法的基础上,本论文探讨了基于GPU的遮挡剔除算法,提出了基于GPU的billboard模型渲染算法及基于GPU的标志性建筑渲染算法,实现了基于GPU的粒子系统渲染。通过综合运用以上加速算法优化三维渲染引擎,提高虚拟地理环境系统的实时绘制效率。(4)VR与GIS无缝集成方法的研究VR与GIS的无缝集成主要表现在数据共享和功能融合。该平台将VR数据与GIS数据统一抽象化,且继承各自的特征,对外提供统一的访问接口,并保持独自的渲染与访问模式,从而实现了VR与GIS数据的统一与共享。本文深入研讨了VR与GIS的各种结合点,以数字高程模型为基础,实现了真正的三维量算及三维矢量路径分析等3DGIS功能,并以日照系列为例,引入日照物理模型,探索了阴影分析,日照分析及基于VR场景的日照数据生成方法,在应用上具有一定的创新意义。本论文对虚拟城市关键技术进行探索和研究,创新点如下：1)虚拟城市海量三维模型数据引擎的构建。分析城市三维模型的结构特点,创新性的提出了Precision LOD R-tree,并与Hilbert网格索引结合,利用IOCP多线程调度机制实现了一种面向虚拟城市三维模型的高效数据引擎,解决平台对虚拟城市海量模型数据的承载问题。2)基于GPU的Billboard群渲染与建筑体图像融合算法。本文利用GPU编程技术,实现了Billboard群的高效渲染,属于技术创新。此外,建筑体图像融合算法将场景渲染优化、信息提取、导航定位等做了有机结合,是GPU图像融合算法在虚拟城市仿真应用中一次有效的尝试。3)虚拟城市中3DGIS的无缝集成与实现。本文将VR场景作为3DGIS分析的基础数据源,实现三维地形的真实距离测量,表面积测量及体积测量,实现了基于三维矢量的路径分析功能。另外,在VR场景中引入物理模型进行3DGIS分析,进一步推动了VR与3DGIS的无缝融合。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景  13-16
  1.2 国内外研究现状  16-20
    1.2.1 虚拟城市研究现状  16-17
    1.2.2 VR-GIS技术研究现状  17-18
    1.2.3 虚拟城市仿真平台研究现状  18-20
  1.3 研究内容  20-21
  1.4 论文组织结构  21-23
第二章 VRGIS平台的插件式软件架构  23-29
  2.1 插件式软件架构  23-25
  2.2 VRGIS软件平台架构  25-28
  2.3 VRGIS行业版设计  28
  2.4 本章小结  28-29
第三章基于IOCP面向虚拟城市的3D模型数据引擎  29-57
  3.1 地理空间数据索引技术  29-31
    3.1.1 地理空间数据  29-30
    3.1.2 空间索引技术研究现状  30
    3.1.3 VRGIS中的模型数据引擎  30-31
  3.2 VRGIS平台中虚拟城市3D模型  31-36
    3.2.1 虚拟城市中基于边界表示的面片模型  31-32
    3.2.2 基于渐进网格(Progressive Meshes)算法的模型预处理  32-36
  3.3 基于层的城市三维模型空间数据索引  36-49
    3.3.1 VRGIS城市模型空间索引总体设计  38-39
    3.3.2 面向建筑物层的Precision LOD R-tree  39-44
    3.3.3 基于模型切割的Hilbert网格索引  44-49
  3.4 基于IOCP的三维数据多线程异步调度  49-54
    3.4.1 I/O完成端口模型(IOCP)  49-50
    3.4.2 缓存算法  50-53
    3.4.3 基于IOCP及缓存算法的多线程调度  53-54
  3.5 本章小结  54-57
第四章基于GPU加速的渲染优化方法  57-83
  4.1 GPU图形加速技术  57-59
    4.1.1 图形加速方法的研究  57
    4.1.2 GPU加速技术  57-59
  4.2 基于GPU的Billboard群渲染算法  59-62
    4.2.1 Billboard群模型数据合并  59-61
    4.2.2 GPU中实现Billboard效果  61-62
    4.2.3 实验结果  62
  4.3 基于GPU的标志性建筑渲染算法  62-68
    4.3.1 基于OBB的图像输出及预处理  63-64
    4.3.2 图像选取原则  64-65
    4.3.3 基于shader的图像融合算法  65-67
    4.3.4 实验结果与总结  67-68
  4.4 基于GPU的硬件遮挡剔除优化算法  68-74
    4.4.1 硬件遮挡剔除  69-70
    4.4.2 基于Precision LOD R-tree的硬件遮挡剔除算法  70-72
    4.4.3 算法性能分析  72-73
    4.4.4 实验结果  73-74
    4.4.5 总结  74
  4.5 基于GPU的粒子系统模拟  74-81
    4.5.1 粒子系统  74-76
    4.5.2 基于GPU的粒子系统  76-78
    4.5.3 喷泉模拟实例  78-81
  4.6 本章小结  81-83
第五章 VR与GIS的无缝集成  83-103
  5.1 VR与GIS集成概述  83-84
  5.2 VR与GIS集成基础  84-86
    5.2.1 统一的地理坐标系统  84
    5.2.2 数字高程模型(DEM)的实时渲染  84-86
  5.3 基于VR的3DGIS分析  86-97
    5.3.1 三维空间测量  86-87
    5.3.2 基于DEM地形的三维量算  87-92
    5.3.3 通视分析  92-94
    5.3.4 基于三维矢量的城市道路最短路径分析  94-97
  5.4 VR中基于物理模型的GIS分析与数据获取——以日照模型为例  97-101
    5.4.1 日照分析模型  97
    5.4.2 基于模板缓存的阴影分析  97-99
    5.4.3 VR中基于图像的日照时间计算  99-101
    5.4.4 基于VR的日照数据获取  101
  5.5 本章小结  101-103
第六章 VRGIS平台应用——以峨眉山市多维规划支持系统为例  103-111
  6.1 峨眉山市规划支持系统背景  103-104
  6.2 基于VRGIS的城市规划功能开发  104-108
    6.2.1 规划方案对比  104-105
    6.2.2 规划指标查询  105-106
    6.2.3 小区规划体块自动生成  106-108
  6.3 峨眉山市规划支持系统开发集成  108-111
第七章总结与展望  111-113
  7.1 总结  111-112
  7.2 展望  112-113
参考文献  113-121
在学研究成果  121-123
附录  123-124
致谢  124

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