水利领域的三维可视化研究
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摘要
随着计算机技术的快速发展以及三维地理信息系统的部门化的发展趋势，构建一个可视化、数字化、信息化、智能化的水利领域三维可视化系统不仅是必要的而且是可行的，要实现这样一个系统，三维可视化是基础，只有在可视化的环境中才能将各种数据和信息及时、动态、直观地反馈给用户。
本文在吸取了计算机图形学、现代数学、计算机科学、测绘学等众多领域大量先进理论成果的基础上，系统的论述了三维可视化中的三维空间中数据结构、地形地物三维可视化的理论、技术和算法，包括三维空间数据结构的设计、地形三维可视化的基本理论、地形三维动态显示技术、地物与地形的匹配与显示技术以及基于三维地形图的空间查询技术。
作者结合参加水利部科技创新项目“引江济太三维模拟系统”的经验体会与实践以本论文的理论研究成果为基础开发了一个适用于水利领域的三维可视化系统。该系统具有能够接受不同格式的DEM数据并进行预处理，实现地形的三维可视化和实时动态显示，地物在地形中的显示以及三维空间分析、查询等功能。
本文研究具有重要的理论和实践意义，在理论上，从数据结构，构建地形、地物与地形的匹配显示进行研究。在实践上，本研究是实现数字地球和三维GIS入门的基础；是实现三维可视化地图的关键；在数字水利中具有重要意义，为水利领域的三维可视化系统提供了一个值得借鉴的系统原型。
With the fast development of computer technology and the specialization trend of 3D GIS, it is necessary and realizable to building a visible, digital, informational and intelligentized system with the three-dimensional visualization foundation, only in which variable of data and information can be fed back to users in time, dynamic and straight.
Based on lots of advanced results of computer graphics, modem mathematics, computer science and topography, etc. this thesis discussed the theory, techniques and arithmetic of three-dimensional visualization, such as the data structure based on three-dimensional space, terrain and object modeling techniques, basic theory of three-dimensional terrain visualization, dynamical three-dimensional terrain display, matching and display technology between terrain and objects and spatial query within three-dimensional terrain maps.
At last, based on the researched result of the above problematic situation, the three-dimensional visualization system applied to water conservancy has been established combining with experience and practice in the item of "3D-Dynamic Simulation System (derivating the water from Changjiang to Taihu Lake)". Varity of data can be received and pretreatment, three-dimensional visualization and dynamical display of terrain, object display on terrain, and spatial analyses and query.
This investigation has important theoretic and practical meaning. In theory, we investigate the data structure, designing terrain and matching technology about models in terrain. In practice, it is the basic of the global realization and 3D GIS introduction; it is the key to realize the 3D visualization map; it is important in the "digital conservancy", and provides a archetype system for the 3D visualization system in conservancy area.
本文在吸取了计算机图形学、现代数学、计算机科学、测绘学等众多领域大量先进理论成果的基础上，系统的论述了三维可视化中的三维空间中数据结构、地形地物三维可视化的理论、技术和算法，包括三维空间数据结构的设计、地形三维可视化的基本理论、地形三维动态显示技术、地物与地形的匹配与显示技术以及基于三维地形图的空间查询技术。
作者结合参加水利部科技创新项目“引江济太三维模拟系统”的经验体会与实践以本论文的理论研究成果为基础开发了一个适用于水利领域的三维可视化系统。该系统具有能够接受不同格式的DEM数据并进行预处理，实现地形的三维可视化和实时动态显示，地物在地形中的显示以及三维空间分析、查询等功能。
本文研究具有重要的理论和实践意义，在理论上，从数据结构，构建地形、地物与地形的匹配显示进行研究。在实践上，本研究是实现数字地球和三维GIS入门的基础；是实现三维可视化地图的关键；在数字水利中具有重要意义，为水利领域的三维可视化系统提供了一个值得借鉴的系统原型。
With the fast development of computer technology and the specialization trend of 3D GIS, it is necessary and realizable to building a visible, digital, informational and intelligentized system with the three-dimensional visualization foundation, only in which variable of data and information can be fed back to users in time, dynamic and straight.
Based on lots of advanced results of computer graphics, modem mathematics, computer science and topography, etc. this thesis discussed the theory, techniques and arithmetic of three-dimensional visualization, such as the data structure based on three-dimensional space, terrain and object modeling techniques, basic theory of three-dimensional terrain visualization, dynamical three-dimensional terrain display, matching and display technology between terrain and objects and spatial query within three-dimensional terrain maps.
At last, based on the researched result of the above problematic situation, the three-dimensional visualization system applied to water conservancy has been established combining with experience and practice in the item of "3D-Dynamic Simulation System (derivating the water from Changjiang to Taihu Lake)". Varity of data can be received and pretreatment, three-dimensional visualization and dynamical display of terrain, object display on terrain, and spatial analyses and query.
This investigation has important theoretic and practical meaning. In theory, we investigate the data structure, designing terrain and matching technology about models in terrain. In practice, it is the basic of the global realization and 3D GIS introduction; it is the key to realize the 3D visualization map; it is important in the "digital conservancy", and provides a archetype system for the 3D visualization system in conservancy area.
引文
[1] 唐泽圣等，《三维数据场可视化》，清华大学出版社，1999
[2] 钟登华，郑家祥，刘东海，张伟波，《可视化仿真技术及其应用》，中国水利水电出版社，2002
[3] 魏文礼，沈永明，《二维溃坝洪水演进的数值模拟》，水利学报，2003，9
[4] 龚健雅，《当代GIS的若干理论与技术》，武汉测绘科技大学出版社，1999
[5] 周杨，徐青，谭兵，《影像融合在三维地形仿真中的应用》，中国图象图形学报，2002，6
[6] 龚健雅，夏宗国，《矢量与栅格集成的三维数据模型》，武汉测绘科技大学学报，1997，1
[7] 李清泉，李德仁，《三维地理信息系统中的数据结构》，武汉测绘科技大学学报，1997，2
[8] 朱跃龙，李强，张希伟，《GIS三维可视化系统的设计与实现》，计算机工程，2003，6
[9] 陈述彭，鲁学军，周成虎，《地理信息系统导论》，科学出版社，2000
[10] 徐青，吴寿虎等，《近代摄影测量》，解放军出版社，1999
[11] 郭薇，陈军，《基于点集拓扑学的三维拓扑空间关系形式化描述》，武汉测绘科技大学学报，1998，2
[12] 郭达志，杜培军，盛业华，《数字地球与三维地理信息系统研究》，测绘学报，2000，3
[13] 李勇，郝向阳，西勤，《三维地理信息系统数据结构的初步研究》，解放军测绘学院学报，2001，9
[14] 徐青，《地形三维可视化技术》，测绘出版社，2000
[15] 洪喜勇，陈贺新，《改进的分形矢量量化编码》，中国图象图形学报，2002，5
[16] 张志强，孙济洲，《基于图象的绘制中的纹理编辑》，中国图象图形学报，2003，8
[17] 蔡剑红，文鸿雁，《3D-GIS中空间三角平面的不确定研究》，中国图象图形学报，2003，9
[18] 林怡，陈鹰，《用立体影像匹配和数学形态变换自动生成DEM》，中国图象图形学报，2003，4
[19] 杨德腆，《数字地面模型》，测绘通报，1998，3
[20] 承继成，周成虎等，《数字地球导论》，科学出版社，2000
[21] http://www.gischina.com/maindoc/simchin/gisforum/format/vector005.htm
[22] http://www.projector-window.com/others/unit/unit-030420.htm
[23] Zhao Youbing, Zhou Ji, Shi Jiaoying, Pan Zhigeng, 《A Fast Algorithm For Large Scale
Terrain Walkthrough》, kunming International Academic Publishers, 2001
[24] 常歌，《基于遥感数据的城市景观建模技术研究与实践》，解放军信息工程大学测绘学院博士论文，2001
[25] Martin Kada, Stefan Roettger,《Real-Time Visualisation of Urban Landscapes Using Open-Source Software》, ifp/VIS Group, University, Germany, 2003
[26] G.D.Abram, T. Whitted, Building Block Shaders, Computer Graphics, Vol.24, No.4, 1990
[27] Hoppe H, 《Smooth view-dependent level-of-detail control and its application to tereain rendering》, http://reasearch.microsoft.com/～hoppe/
[28] Lindstrom P et al, 《Real-time, Contious level-of-detail rendering of height fields》, Proceedings of IEEE Visualization'98, 1998
[29] Mark P. Kumler,《A Quanitative Comparison of Regular and Irregular Digital Terrain Models》, GIS/LIS'90, 1990
[30] Xinhua WANG, Armin GRUEX,《A HYBRID GIS FOR 3-D CITY MODELS》, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, 2000
[31] 何小海，罗代升，陶青川，《三维虚拟物体表面重建的研究》，中国图象图形学报，2002，11
[32] 朱响斌，唐敏，董金祥，《一种基于八叉树的三维实体内部可视化技术》，中国图象图形学报，2002，3
[33] 马兰，沈笑云，侯春萍，《高速三维实时图象帧缓存设计》，中国图象图形学报，2000，8
[34] 高云琼，徐建刚，黄照强，《一种城市三维建模的集成处理方法》，中国图象图形学报，2002，3
[35] 齐敏，郝重阳，佟明安，《基于分形技术的多分辨率三维地景建模方法研究》，中国图象图形学报，2000，4
[36] 淮永建，郝重阳，《基于LOD实时图形绘制和加速技术》，中国图象图形学报，2002，1
[37] 章孝灿，潘云鹤，《GIS中基于“栅格技术”的栅格数据矢量化技术》，计算机辅助设计与图形学学报，2001，10
[38] 黄野，常歌，《基于多分辨率模型的地形实时显示》，测绘学院学报，2001，6
[39] 尤克非，明德烈，王广君，《基于局部熵和四叉树结构的地形简化算法》，中国图象图形学报，2002，10
[40] 陈刚，杨明果，王科伟，《地形TIN模型的实时连续LOD算法设计与实现》，测绘学院学报，2003，4
[41] Vineet R.Kamat, Julio C.Martinez,《Automated Generation of Large-Scale Dynamic Terrain in 3D Animation of Simulated Construction Processes》, Virginial Tech, 2003, 9
[42] Jose P. Suarez, Angel Plaza, 《Refinement and hierarchical coarsening schemes for triangulated surfaces》, Joumal of WSCG, 2003, 2
[43] Ville Helin, 《Developments of Modem Multiplayer Games》, HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2003, 11
[45] Xuanying Li, 《A Hybrid Algorithm for Terrain Simplification》, the University of British Columbia Master paper, 2003, 5
[46] William Ames, 《Real-Time Terrain Rendering and Scene Graph Management》, senior thesis, Boston College, Computer Science Department, 2002
[47] Bent Dalgaard Larsen, Niles Jorgen ChrisTensen, 《Real-time Rendering using Smooth Hardware Optimized Level of Detail》, Journal of WSCG, 2003, 2
[48] Vincent Scheib etc, 《Efficient Fitting and Rendering of Large Scattered Data Sets Using Subdivision Suffaces》, EUROGRPHICS, 2002, volume21
[49] Michael Beck, 《Real-Time Cisualization of big 3D City Models》, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2003
[50] Vijayaraj Alagarraj, 《Hybrid 3D Modeling of Large Landscapes from Satellite Maps》, the University of Tennessee,knoxville, master paper, 2003, 8
[51] Jochen Winzen, 《Interactive Visualization of a Planetary System》, University of Karlsmhe, Germany, 2003, 8
[2] 钟登华，郑家祥，刘东海，张伟波，《可视化仿真技术及其应用》，中国水利水电出版社，2002
[3] 魏文礼，沈永明，《二维溃坝洪水演进的数值模拟》，水利学报，2003，9
[4] 龚健雅，《当代GIS的若干理论与技术》，武汉测绘科技大学出版社，1999
[5] 周杨，徐青，谭兵，《影像融合在三维地形仿真中的应用》，中国图象图形学报，2002，6
[6] 龚健雅，夏宗国，《矢量与栅格集成的三维数据模型》，武汉测绘科技大学学报，1997，1
[7] 李清泉，李德仁，《三维地理信息系统中的数据结构》，武汉测绘科技大学学报，1997，2
[8] 朱跃龙，李强，张希伟，《GIS三维可视化系统的设计与实现》，计算机工程，2003，6
[9] 陈述彭，鲁学军，周成虎，《地理信息系统导论》，科学出版社，2000
[10] 徐青，吴寿虎等，《近代摄影测量》，解放军出版社，1999
[11] 郭薇，陈军，《基于点集拓扑学的三维拓扑空间关系形式化描述》，武汉测绘科技大学学报，1998，2
[12] 郭达志，杜培军，盛业华，《数字地球与三维地理信息系统研究》，测绘学报，2000，3
[13] 李勇，郝向阳，西勤，《三维地理信息系统数据结构的初步研究》，解放军测绘学院学报，2001，9
[14] 徐青，《地形三维可视化技术》，测绘出版社，2000
[15] 洪喜勇，陈贺新，《改进的分形矢量量化编码》，中国图象图形学报，2002，5
[16] 张志强，孙济洲，《基于图象的绘制中的纹理编辑》，中国图象图形学报，2003，8
[17] 蔡剑红，文鸿雁，《3D-GIS中空间三角平面的不确定研究》，中国图象图形学报，2003，9
[18] 林怡，陈鹰，《用立体影像匹配和数学形态变换自动生成DEM》，中国图象图形学报，2003，4
[19] 杨德腆，《数字地面模型》，测绘通报，1998，3
[20] 承继成，周成虎等，《数字地球导论》，科学出版社，2000
[21] http://www.gischina.com/maindoc/simchin/gisforum/format/vector005.htm
[22] http://www.projector-window.com/others/unit/unit-030420.htm
[23] Zhao Youbing, Zhou Ji, Shi Jiaoying, Pan Zhigeng, 《A Fast Algorithm For Large Scale
Terrain Walkthrough》, kunming International Academic Publishers, 2001
[24] 常歌，《基于遥感数据的城市景观建模技术研究与实践》，解放军信息工程大学测绘学院博士论文，2001
[25] Martin Kada, Stefan Roettger,《Real-Time Visualisation of Urban Landscapes Using Open-Source Software》, ifp/VIS Group, University, Germany, 2003
[26] G.D.Abram, T. Whitted, Building Block Shaders, Computer Graphics, Vol.24, No.4, 1990
[27] Hoppe H, 《Smooth view-dependent level-of-detail control and its application to tereain rendering》, http://reasearch.microsoft.com/～hoppe/
[28] Lindstrom P et al, 《Real-time, Contious level-of-detail rendering of height fields》, Proceedings of IEEE Visualization'98, 1998
[29] Mark P. Kumler,《A Quanitative Comparison of Regular and Irregular Digital Terrain Models》, GIS/LIS'90, 1990
[30] Xinhua WANG, Armin GRUEX,《A HYBRID GIS FOR 3-D CITY MODELS》, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, 2000
[31] 何小海，罗代升，陶青川，《三维虚拟物体表面重建的研究》，中国图象图形学报，2002，11
[32] 朱响斌，唐敏，董金祥，《一种基于八叉树的三维实体内部可视化技术》，中国图象图形学报，2002，3
[33] 马兰，沈笑云，侯春萍，《高速三维实时图象帧缓存设计》，中国图象图形学报，2000，8
[34] 高云琼，徐建刚，黄照强，《一种城市三维建模的集成处理方法》，中国图象图形学报，2002，3
[35] 齐敏，郝重阳，佟明安，《基于分形技术的多分辨率三维地景建模方法研究》，中国图象图形学报，2000，4
[36] 淮永建，郝重阳，《基于LOD实时图形绘制和加速技术》，中国图象图形学报，2002，1
[37] 章孝灿，潘云鹤，《GIS中基于“栅格技术”的栅格数据矢量化技术》，计算机辅助设计与图形学学报，2001，10
[38] 黄野，常歌，《基于多分辨率模型的地形实时显示》，测绘学院学报，2001，6
[39] 尤克非，明德烈，王广君，《基于局部熵和四叉树结构的地形简化算法》，中国图象图形学报，2002，10
[40] 陈刚，杨明果，王科伟，《地形TIN模型的实时连续LOD算法设计与实现》，测绘学院学报，2003，4
[41] Vineet R.Kamat, Julio C.Martinez,《Automated Generation of Large-Scale Dynamic Terrain in 3D Animation of Simulated Construction Processes》, Virginial Tech, 2003, 9
[42] Jose P. Suarez, Angel Plaza, 《Refinement and hierarchical coarsening schemes for triangulated surfaces》, Joumal of WSCG, 2003, 2
[43] Ville Helin, 《Developments of Modem Multiplayer Games》, HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2003, 11
[45] Xuanying Li, 《A Hybrid Algorithm for Terrain Simplification》, the University of British Columbia Master paper, 2003, 5
[46] William Ames, 《Real-Time Terrain Rendering and Scene Graph Management》, senior thesis, Boston College, Computer Science Department, 2002
[47] Bent Dalgaard Larsen, Niles Jorgen ChrisTensen, 《Real-time Rendering using Smooth Hardware Optimized Level of Detail》, Journal of WSCG, 2003, 2
[48] Vincent Scheib etc, 《Efficient Fitting and Rendering of Large Scattered Data Sets Using Subdivision Suffaces》, EUROGRPHICS, 2002, volume21
[49] Michael Beck, 《Real-Time Cisualization of big 3D City Models》, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2003
[50] Vijayaraj Alagarraj, 《Hybrid 3D Modeling of Large Landscapes from Satellite Maps》, the University of Tennessee,knoxville, master paper, 2003, 8
[51] Jochen Winzen, 《Interactive Visualization of a Planetary System》, University of Karlsmhe, Germany, 2003, 8