《论文（设计）-基于四叉树的LOD 地形模型及其数据组织方法研究44439.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文（设计）-基于四叉树的LOD 地形模型及其数据组织方法研究44439.doc（9页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、专业好文档基于四叉树的LOD地形模型及其数据组织方法研究姚慧敏，崔铁军，邵世新 （信息工程大学 测绘学院，河南 郑州 450052）摘 要：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。关键词： LOD，线性四叉树，多分辨率地形模型，金字塔模型LOD Terrain Model an
2、d Data Organization Method Based on Quadtree StructureYAO Hui-min, CUI Tie-jun, SHAO Shi-xin(Institute of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China)Abstract：In this paper, the author researches organization method of terrain data, and designs a static LODs te
3、rrain model based on linear quadtree, and organizes massive terrain data with data sampling, delamination and block partition. Based on the researches, the author analyzes the matters of data dynamic redeployment. The efficiency and effect of the method are increased with speediness index of block a
4、nd cracks elimination. The experiment results show that this approach can achieve performance for real-time rendering of massive terrain dataKey Words: Level of Details, Linear Quadtree, Multi Resolution Terrain Model, Pyramid Data Model1、引言地形的可视化是三维地理信息系统中的一个重要研究问题。近年来，图形硬件技术飞速发展，基本能够满足小范围场景实时交互绘制的
5、需求，但仍然无法满足大规模三维场景的应用需要。从目前的研究情况看，主要从两个环节寻求改进：一是从外存储器到内存阶段，通过数据的有效组织、内外存之间的合理调度缩短读取数据的时间；二是在内存中的绘制阶段，采用多分辨率模型（又称细节层次模型，Lever of Detail，简称LOD）等技术缩短绘制时间。大规模的三维场景涉及到大量的空间数据，不可能一次性调入内存，只能根据场景绘制的需要在内、外存之间动态调度。这种动态调度的思想是很容易理解的，但实现起来又有很多问题需要研究，特别是为了实现场景绘制的实时交互，需要设计合理高效的数据组织结构，并对数据调度过程进行控制和优化。这些数据如何存储，采用怎样的数
6、据结构进行组织，对于系统最终描述场景的真实感和动态效果有着重要的影响，这也正是本文要研究的内容。2、基于四叉树的LOD地形模型2.1数据模型从三维场景可视化角度而言，目前在地形的数字表达上普遍采用DEM方法。DEM常用的数据结构有：规则网格(Grid)、不规则三角网(TIN)以及两者的混合结构。其中，规则网格数据结构由于其顶点呈规则分布，只需要记录数据的基本信息和每个格网点的高程值，结构简单，操作方便，便于简化，非常适合于大规模地形数据的组织和管理。在地形场景绘制时，为了提高显示速度，目前使用比较广泛的是利用细节层次LOD技术生成同一地区的多分辨率模型，根据视点的变化，在满足显示精度要求的前提
7、下，选择不同分辨率的模型，达到“距离越近看的越清，距离越远越模糊”的效果。金字塔是一种多分辨率层次模型，它可以直接提供不同分辨率的地形数据而无需实时重采样。尽管金字塔模型增加了离线处理的时间和数据的存储空间，但能够减少地形绘制的时间。2.2 地形数据的四叉树表示多分辨率模型通常采用基于树的数据结构构建。在对规则地形进行简化时，通常使用两种数据结构：二叉树和四叉树。其中，四叉树结构在表示地形上有独特的优势。首先，四叉树结构与地理坐标有天然的统一；其次，四叉树与纹理镶嵌技术可以很好地集成在一起。但采用四叉树结构带来两个问题：一是用四叉树划分的地形节点数必须是；二是不同层数据块之间交界处会出现地形表
8、面的不连续。第一个问题我们可以通过重采样增加或减少地形格网来避免；对第二个问题，可以使用限制四叉树的方法或改变高分辨率模型顶点高程值的方式加以解决，具体可参考4.4节裂缝消除的方法。采用四叉树细节层次模型时，先对地形数据做不同精度的等间距格网采样，采样结果构成四叉树的一层节点，树中每个节点对应地形的一块区域，对于树中任意相邻的层，位于上一层的节点采样精度是下一层的一半，任意一个非叶子节点都有4个子节点，而且子节点的采样区域恰好将父节点四等分。利用这一特性，我们可以通过选择位于不同层的节点来实现对特定区域不同分辨率的表示。3、地形数据组织与LOD预处理大规模三维场景的可视化需要对空间数据进行预处
9、理，这主要有两个方面的原因：一方面目前不管采用什么样的计算机系统，将大量的地形数据一次性从外存读入进行处理仍不太现实，必须分块进行调度，而且数据分块有利于视见体裁剪、地形数据的分块实时读取和并行绘制等；另一方面是建立地表模型时，要充分考虑人的视觉特点，对远近不同的场景可以采用不同的精度进行描述，以加快可视化速度，这就需对地形数据进行分层。其基本思想是：首先将整个场景按照四叉树结构进行细节分层，每个LOD层又分为多个格网数为2n的正方形块，然后对每一个数据块按照四叉树结构进行组织。地形数据处理包括3部分：DEM数据文件合并、DEM数据重采样与分层、DEM数据分块。纹理数据的处理方法与地形数据类似
10、，本文不详加讨论。31 数据文件合并目前，我国还没有建立统一的地形模型数据库，地形数据的来源和获取途径有多种，但不管采用哪种方式，通常我们得到的大规模的DEM并非只是一个文件，而是一个由多个彼此之间相交或相接的DEM文件构成的集合，数据文件可能多达几百乃至上千个。如果不事先对数据文件进行合并，在后续的分级处理中，就要对每一个文件分别进行处理，要将原始的多个DEM文件处理成为具有不同细节层次、不同覆盖范围的多级DEM，其工作量之大是可想而知的。因此，首先需要将各个分散的DEM数据文件进行合并，通过“接边”处理形成一个完整的DEM文件。考虑机器的处理能力，当数据量非常大时，不一定将所有DEM连接起
11、来后再进行分级，可以分为几个部分进行处理。32 地形数据重采样与分层构建地形数据金字塔模型各层数据时，是从底层即最高分辨率数据开始的，然后依次确定上一层数据的分辨率。从上到下，分辨率呈倍数递增关系，下一层网格分辨率是上一层的2倍，这样可以很方便地使用四叉树索引技术进行快速定位。由于四叉树组织方式要求地形的纵横向网格数都必须是，对于任意格网数(mn)的DEM数据，只有通过重采样来适应这一条件。每一种派生数据分辨率均不得高于原始数据，否则可能造成对地貌的细部特征表现不够好。由于比例尺和分辨率不是一一对应关系，DEM金字塔模型的各层数据可以通过其对应的比例尺数据内插处理得到，常用的插值方法有双线性法
12、、加权平均法、二元样条函数法、最小二乘配置法等。我们在构建DEM 金字塔模型时，同时计算各层的法向量数据，并将法向量数据同DEM数据一起存储和管理，这样虽然增加了离线处理的工作量和存储量，但在三维显示时不用再时时计算，可明显提高绘制速度。33 地形数据分块数据分块就是把DEM数据分层后的各级LOD数据按照分块要求重新进行块的划分。由于采用Grid数据结构，DEM数据分块比较容易实现。只需要给出分块的起始点坐标、分割方向和尺寸要求，就可将原始的DEM按照地域覆盖范围分割成多个等大的块。尽管理论上可以将地形做任意大小的分割，但实际上必须综合考虑空间数据量、应用要求和应用平台的软硬件条件等，分块的大
13、小对于最后的绘制速度有很大影响。分块过大，可能超出机器的处理能力；分块过小，造成文件的个数太多，绘制时要频繁地打开和关闭文件，不利于数据的管理和调度，所以选择适当的分块大小就要取一个折中的解决方案。另外，采用四叉树划分时，DEM块行与列的网格数需限制为（ n为不小于2的整数)，经过实验和参考相关文献4513，本文选择地形块纵横向格网数为16。在四叉树细节层次模型构建过程中，规定数据分块从最详细数据开始，根据数据的邻接顺序从左下角开始从左至右，从下到上依次按分块规则进行划分，然后进行上一层数据的分块，依此类推，直到所有层的数据分块完毕。若按照块的大小存储数据，与分层时不合并文件一样，势必生成多个
14、数据文件，不利于后续显示时的调度和管理。因此，应在DEM分为小块的同时进行文件合并，合并到一定大小时应建立一个新的文件。对于原始数据不能确保它恰好覆盖一个或多个块的范围，应将缺少数据的地方统一填充为一个特殊值，处理为一个完整块，或者对残缺块设置标记，这样可避免对无效数据的存储和读取，但数据调度时须先进行判断。对于同一层多个分块合并所得的文件，文件命名要能反映出数据所在层号和与其它文件数据的相对位置。4、LOD地形数据的调度数据调度的执行效率直接影响到场景绘制的连贯性和交互能力，对大规模空间数据的可视化效果具有举足轻重的作用。在大规模三维场景中空间数据的组织阶段，我们已为数据的实时调度做好了准备
15、，但这时仍要考虑几个问题：一是如何根据视点参数和应用需求来选取相应的LOD级别数据块作为当前的可视场景进行绘制；二是如何利用四叉树技术实现地形块的快速索引；三是如何处理不同分辨率地形之间切换时出现的“跳动(popping)”现象；四是如何消除不同分辨率地形节点拼接处的裂缝问题。4.1 绘制分辨率及地形数据块的确定如前所述，大规模的三维场景可视化涉及到大量的空间数据，为了避免花费不必要的模型绘制时间，必须根据当前场景绘制的需要，适当选取地域范围，即出现在视区范围内的模型才被选取；考虑人的视觉特点，对远近不同的场景要调用不同分辨率的数据，分辨率高，地形表示的误差较小，分辨率低，地形表示的误差较大。
16、基于DEM 的多分辨率地形绘制就是在地形表示误差和绘制效率中寻求一个较好的平衡，即满足地形的真实感要求又尽量不影响用户的漫游速度。首先，要确定可见区。传统的视景体裁剪方法要把每个三角形与视景体的6个裁剪面进行比较来判断三角形是否可见，计算量很大，会消耗大量的处理时间。为了简化处理，可使用视景体与地形平均水平面的截面作为可见区域来裁剪地形数据，这样可大大提高裁剪效率。视景体与地形平均水平面有4个交点，这4点组成的四边形区域即为地形可见区域范围，具体算法可参考文献9。其次，是绘制分辨率的确定6。图1中XOY为地形平均水平面，E为视点，视线与地形平均水平面的交点为，若用于地形显示的屏幕窗口宽和高分别
17、为X和Y (以像素为单位)，视景体的水平视场角和垂直视场角分别为和，视点沿视线方向与地面的交点距离为EM。设当可见区域AtBtCtDt恰好充满显示窗口时，窗口水平方向和垂直方向平均每个像素所对应的地面距离分别为和 ，则有：；即当地形分辨率在X方向低于 或Y方向低于时，地形显示的精度将会降低；反之，将会产生不必要的数据冗余，影响绘制效率。也就是说，此时的和即为理论上地形绘制所需的最佳分辨率。由于我们数据处理为在地形X和Y方向的采样间距相同，因此取min(,)作为最佳地形分辨率。这时的最佳分辨率被用作窗口中心所对应的分辨率，而窗口其它位置所对应的数据块分辨率则根据每个数据块中心到视点的距离作适当的
18、降低调整，但每次绘制时LOD级别差原则上不大于2。4.2 地形数据块的快速索引调度程序首先必须获得视景体投影的空间坐标，然后判断视景体投影与哪些层的哪些数据块覆盖范围发生交叠（参考4.1节）。如果可见区域在地形数据所表示的范围内，测试与可见区域交叠的顶层数据是否满足分辨率要求，如果不满足，由2倍率关系，根据顶层数据分辨率可迅速判断出哪一层数据符合要求。由于数据分块是规则的，因此并不需要对所有数据块进行比较，只需要求出视景体梯形投影四个端点相对于全局场景起始点在X和Y方向上的坐标增量，再除以单块的尺寸，便可以确定有哪些数据块与可视区域发生交叠。当视点在场景中位置或观察方向发生变化时，视景体投影与
19、数据块的相交关系相应发生变化，因此调度程序需要不断地在内、外存储器之间执行数据调度。因为地形数据已经分块，只需将视点附近区域的数据块常驻内存，将进入到可视范围的新的数据块调入，同时释放那些“不可见数据块”所占用的内存空间。这样，维持了内存中数据载入和删除的动态平衡，极大减少了内存的负担，使大规模三维地形实时漫游变得可行。4.3“popping”现象的消除27在地形的多分辨模型应用中，一个令人棘手的问题是，在不同分辨率地形三角网之间切换时出现的“跳动(popping)”现象。为了减少静态LOD模型相邻细节层次转化时引起的视觉跳动，在切换时可以采用几何形状过渡方法(geomorphing)形成视觉
20、的光滑过渡，即通过对节点细分前后的顶点位置进行线性插值光滑，将新增点随视点的拉近从起始位置逐渐移动到最终位置，每次移动的增量在人的视觉误差范围之内，使人眼不会感觉到突变。这种方法可以明显消除不同层次细节地形转化时引起的图像跳跃现象。顶点渐变的公式为其中，m为节点细分前的顶点位置；C为节点细分后的顶点位置。4.4裂缝消除的方法进行地形LOD模型绘制时，如果相邻块的分辨率不一样，就会产生裂缝。目前，常用的消除裂缝的方法有两种：一是强制相邻网格进行分裂，如图2-(a)所示，在接边处将低分辨率模型作适当分裂，使相邻节点具有相同的边界。这种方法在每一节点处都可能造成大量的分裂操作，产生大量不必要的三角形
21、。为了避免出现畸形三角形和简化裂缝消除算法，通常要求相邻地块的分辨率相差不超过一个层次。第二种方法是将高分辨率模型顶点移动到相邻低分辨率模型的边界点上，如图2-(b)所示，这种方法计算简单，但需要进行插值产生新的数据点来弥合裂缝，并且会产生T型连接，T型连接可能导致一些空洞小点，但一般情况下的绘制结果是可以接受的 14。本文采用第二种方法，在绘制时使用低分辨率模型一侧边上点的内插高程来代替高分辨率模型产生裂缝的实际地面点高程。5、结论本文针对大规模地形可视化中地形数据组织方法进行了研究，采用本文所述方法，对某地区地形数据组织和处理，实验结果证明，可以满足地形实时渲染的要求，消除了裂缝现象。但各
22、层次细节的数据需要提前生成，预处理过程比较费时，而且静态LOD文件中冗余存储了各层次细节的地形数据，数据量比较大，要求硬盘有足够的存储空间。但考虑到预处理过程是一次性的，处理后的多层次细节数据一般不作改动，而且目前的硬盘容量都比较大，可以满足地形和纹理数据的存贮需求，与对显示速度的要求相比，这些问题还是可以接受的。至于LOD分层的问题，大多文献依应用需求和机器配置自己确定，到底什么情况下分多少层合适，目前还没有公认的标准。另外，由于原始地形数据不一定满足要求，可能需要重采样，而且LOD分层时也需重采样，重采样引起的误差对地形精度和显示效果有多大影响，这都是目前正在研究和急需解决的问题。主要参考
23、文献：1 朱军，龚建华，齐华，曹振宇大规模地形实时绘制算法J地理与地理信息科学，2005，（2）：24272 靳海亮，高井祥大规模地形实时可视化算法J测绘科学技术学报，2006，（1）：65683 陈少强，朱铁稳，李琦，苗前军大规模多分辨率地形模型简化生成方法J计算机辅助设计与图形学学报，2005，（2）：2732784 张玉杰大规模地形数据的组织与可视化研究D信息工程大学测绘学院硕士学位论文，2006.4 5 杜莹，武玉国，王晓明，游雄全球多分辨率虚拟地形环境的金字塔模型研究J系统仿真学报，2006，（4）：9559586 戴晨光，张永生，邓雪清一种用于实时可视化的海量地形数据组织与管理方法
24、J系统仿真学报，2005，（2）：406409 7 马照亭，潘懋，胡金星，吴焕萍，王占刚一种基于数据分块的海量地形快速漫游方法J北京大学学报(自然科学版)，2004，（4）：6196258 刘修国，张剑波基于DEM 库的地表模型实时简化方法J小型微型计算机系统，2004，（2）：2802829 王源，刘建永，江南，俞高宇视点相关实时LOD地形模型动态构网算法J测绘学报，2003，（1）：475210翟巍三维GIS中大规模场景数据获取、组织及调度方法的研究与实现D大连理工大学博士学位论文，2003.411 卓广晟，周波，徐晓华视点相关实时地形的生成方法J计算机工程，2002，（11）：25926
25、012 王宏武，董士海一个与视点相关的动态多分辨率地形模型J计算机辅助设计与图形学学报，2000，（8）：57557913 钟正，朱庆一种基于海量数据库的DEM动态可视化方法J海洋测绘，2003，（2）：91214 赵友兵，石教英，周骥，潘志庚一种大规模地形的快速漫游算法J计算机辅助设计与图形学学报，2002，（7）：62462815 王永明地形可视化J中国图象图形学报，2000，（6）：449455作者简介：姚慧敏（1971-），女，河南开封人，实验师，博士生，主要从事地理信息系统方面的研究。通讯地址：河南郑州解放军信息工程大学测绘学院三系实验室，450052。更多测绘论文请登录测绘网论文频
26、道查询：http:/ Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and
27、through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in t
28、he sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my
29、 foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the ed
30、ge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical
31、straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must ha
32、ve that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a d
33、ry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission
34、 control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and l
35、imited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commerc
36、ial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will
37、 roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be li
38、ke diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches
39、 the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter
40、) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. B
41、aumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/ 客服热线：010-52775185