虚拟城市仿真平台VRGIS中空间分析方法的研究与实现
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摘要
虚拟现实技术在社会生活中的应用日益广泛,并越来越多地应用到城市建设领域中来。虚拟城市相关技术的发展和社会需要对GIS空间分析的能力提出了更高、更新的要求。但当前大多数的虚拟城市系统往往只注重于场景的三维表现,忽略了3DGIS空间分析功能的研究与开发,对对象的查询、修改、分析等需求也得不到很好的满足。因此虚拟现实技术与3DGIS的无缝集成已成为当前的研究热点。研究空间分析的算法,实现稳定、高效、实用的空间分析功能,进而实现VR和GIS的紧密集成是本文的主要研究目的。
本文通过研究一些空间分析的基础算法和典型方法,为城市建设与发展以及人们生活中“面向解决与空间有关的问题"提供科学实用的空间决策支持,主要研究了以下内容:
1.研究了空间分析的基础理论与方法,对空间分析的内涵、方法以及模型进行系统的概括与总结;
2.对空间数据模型的组织方式进行了研究,首先研究了空间数据表示方式,然后介绍层次包围盒和四叉树概念,组织方式及优缺点;
3.针对三维空间分析的需要,定义了大量的基础空间数据结构,研究和开发了点和多边形拓扑关系判定、射线和盒子空间关系判定等高效的基础空间分析算法,为以后进行更加复杂的空间分析奠定了良好的基础;
4.在研究算法和空间数据组织基础上,实现了一系列的空间分析方法,形成了一个比较完善的空间分析模块,主要包括:空间查询、量算分析(距离量算、面积量算、体积量算)、空间动态定位、地形分析(水淹分析、土方分析、等高线分析、剖面观察、通视分析、地形平整)、日照分析、鹰眼功能、绿化率分析等。
本文开发的空间分析功能模块已集成到自主研发的VRGIS平台中,并通过具体的实验和应用,验证了本文提出的基础算法和研究的典型方法的正确性与可靠性。
The virtual reality technology has been more and more widely used in social life, and is more and more widely applied in the field of urban construction.The development of virtual city technique and social need poses higher and newer request to GIS spatial analysis.But most of the systems usually focuses only on 3D representation of the scene and ignores the research and development of 3DGIS spatial analysis,operations such as spacial object inquiry and spacial analysis cannot be well satisfied,either.Therefore the seamless integration of the 3DGIS and virtual reality technique is an active area of current research.To achieve stable,efficient and useful spatial analysis function,so as to realize close integration of VR and GIS by researching on spatial analysis algorithms is the main purpose of this thesis.
By studying the basic spatial analysis algorithms and typical methods for urban construction and development,this thesis can provide scientific and practical decision support to the solution of the space-related problems in human lives,this thesis mainly researches the following:
1.This thesis has studied the basic theory and methods of the spatial analysis, the content,methods and model systems of the spatial analysis have been systematically summeried.
2.This thesis has studied the organization of spatial data model,it firstly studies the representation methods of spatial data,then introduces the concept of the bounding box and quad-tree,the organization method and its advantages.
3.For the needs of analysis of three-dimensional space,a large number of spatial data structures and mathematical libraries have been defined,the research and development of a number of highly efficient algorithms based on spatial analysis have laid a good foundation for more complex spatial analysis.
4.Based on the study of algorithm and spatial data organization,a series of spatial analysis methods have been realized,a good spatial analysis module has been produced,mainly including the spatial query,analysis of measurement(distance measurement,area measurement and the volume measurement),spatial dynamic positioning,terrain analysis(flooding analysis,earthwork volume analysis,contour analysis,section analysis,visibility analysis and terrain leveling),sunshine analysis, eagle eye analysis,greening ratio analysis.
The module of spatial analysis has been integrated into the self-developed VRGIS platform,then the experiment and application have verified the correctness and reliability of the algorithms and methods in this thesis.
本文通过研究一些空间分析的基础算法和典型方法,为城市建设与发展以及人们生活中“面向解决与空间有关的问题"提供科学实用的空间决策支持,主要研究了以下内容:
1.研究了空间分析的基础理论与方法,对空间分析的内涵、方法以及模型进行系统的概括与总结;
2.对空间数据模型的组织方式进行了研究,首先研究了空间数据表示方式,然后介绍层次包围盒和四叉树概念,组织方式及优缺点;
3.针对三维空间分析的需要,定义了大量的基础空间数据结构,研究和开发了点和多边形拓扑关系判定、射线和盒子空间关系判定等高效的基础空间分析算法,为以后进行更加复杂的空间分析奠定了良好的基础;
4.在研究算法和空间数据组织基础上,实现了一系列的空间分析方法,形成了一个比较完善的空间分析模块,主要包括:空间查询、量算分析(距离量算、面积量算、体积量算)、空间动态定位、地形分析(水淹分析、土方分析、等高线分析、剖面观察、通视分析、地形平整)、日照分析、鹰眼功能、绿化率分析等。
本文开发的空间分析功能模块已集成到自主研发的VRGIS平台中,并通过具体的实验和应用,验证了本文提出的基础算法和研究的典型方法的正确性与可靠性。
The virtual reality technology has been more and more widely used in social life, and is more and more widely applied in the field of urban construction.The development of virtual city technique and social need poses higher and newer request to GIS spatial analysis.But most of the systems usually focuses only on 3D representation of the scene and ignores the research and development of 3DGIS spatial analysis,operations such as spacial object inquiry and spacial analysis cannot be well satisfied,either.Therefore the seamless integration of the 3DGIS and virtual reality technique is an active area of current research.To achieve stable,efficient and useful spatial analysis function,so as to realize close integration of VR and GIS by researching on spatial analysis algorithms is the main purpose of this thesis.
By studying the basic spatial analysis algorithms and typical methods for urban construction and development,this thesis can provide scientific and practical decision support to the solution of the space-related problems in human lives,this thesis mainly researches the following:
1.This thesis has studied the basic theory and methods of the spatial analysis, the content,methods and model systems of the spatial analysis have been systematically summeried.
2.This thesis has studied the organization of spatial data model,it firstly studies the representation methods of spatial data,then introduces the concept of the bounding box and quad-tree,the organization method and its advantages.
3.For the needs of analysis of three-dimensional space,a large number of spatial data structures and mathematical libraries have been defined,the research and development of a number of highly efficient algorithms based on spatial analysis have laid a good foundation for more complex spatial analysis.
4.Based on the study of algorithm and spatial data organization,a series of spatial analysis methods have been realized,a good spatial analysis module has been produced,mainly including the spatial query,analysis of measurement(distance measurement,area measurement and the volume measurement),spatial dynamic positioning,terrain analysis(flooding analysis,earthwork volume analysis,contour analysis,section analysis,visibility analysis and terrain leveling),sunshine analysis, eagle eye analysis,greening ratio analysis.
The module of spatial analysis has been integrated into the self-developed VRGIS platform,then the experiment and application have verified the correctness and reliability of the algorithms and methods in this thesis.
引文
[1]杜忠友等,数字城市遥感信息三维景观生成系统[J],计算机程与应用,2004(17)
[2]谭剑雄.面向虚拟城市应用的空间数据库系统研究[硕士学位论文].北京:浙江大学,2006
[3]朱庆,林晖.数码城市地理信息系统[M].武汉:武汉大学出版社,2004
[4]Koller D,Lindstrom P,Ribarsky W.Virtual GIS:a Real-time 3D Geographic Information System Visualization[C]//1995.Visualization'95,Proceedings,IEEE Conference on Oct.29-Nov.3.1995:94-100,443
[5]付哲,周云轩,姜晓轶等.虚拟现实和GIS系统集成方法研究[J],测绘与空间地理信息,2005(05):8-11,17
[6]Hans Jense,Kurt Donkers.Dynamic Management of Geographic Data in Virtual Environment[C]// Virtual Environments and Scientific Visualization'96.London,UK:Springer-Verlag,1996:149-158
[7]Theresa Marie Rhyne.Going Virtual With Geographic information and Scientific Visualization[J].Computer & Geosciences(S0098-3004),1997,23(4):489-491
[8]陈戈等.面向城市仿真的VRGIS平台设计与实现[J].系统仿真学报,2009(7)
[9]刘湘南等.GIS空间分析原理与方法.北京:科学出版社,2005
[10]殷勇.城市地表三维环境中典型空间分析方法研究:[硕士学位论文].北京:中国测绘科学研究院,2008
[11]彭剑楠.GIS空间分析方法研究:[硕士学位论文].长春:吉林大学,2008
[12]李晓军.GIS空间分析方法研究:[硕士学位论文].杭州:浙江大学,2007
[13]朱长青等.空间分析原理与建模.北京:科学出版社,2005
[14]齐永阳.VRGIS城域仿真平台的架构设计与开发管理:[硕士学位论文].青岛:中国海洋大学,2008
[15]朱选等.地理信息系统原理与技术.上海:华东师范大学出版社,2006
[16]李磊.VRGIS城域仿真平台的场景组织与优化:[硕士学位论文].青岛:中国海洋大学,2008
[17]李胜,冀俊峰,刘学慧,等.超大规模地形场景的高性能漫游[J].软件学报,2006,17(3)
[18]潘振宽,李建波.基于压缩的AABB树的碰撞检测算法[J].计算机科学,2005,32(2)
[19]David.F.Rogers.计算机图形学的算法基础(石教英等译)[M].北京:机械工业出版社,2002
[20]Fletcher Dunn,Ian Parberry.3D数学基础:图形与游戏开发[M].北京:清华大学出版社,2005
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[23]顾露.使用OpenGL实现三维坐标的鼠标拣选[EB/OL].2004-09.http://blog.donews.com/lophyxp/archive/2005/05/27/401321.Aspx
[24]姚继权等.计算机图形学人机交互中三维拾取方法的研究.工业设计学报.2006(4)
[25]徐志胜,冯凯,冯春莹,等.VR-GIS技术在小城镇洪水淹没模拟分析中的应用[J].防灾减灾工程学报,2004,24(3)
[26]潘绍强.浅析数字高程模型(DEM)在土方量计算中的应用[J].浙江水利科技,2007,(1)
[27]朱朋,齐永阳,陈勇,韩勇,陈戈.虚拟城市仿真平台VRGIS中的GIS功能研究与实现[J].测绘科学,2008(S1)
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[30]Alan Watt.3D.计算机图形学(包宏译)[M].北京:机械工业出版社,2005
[31]Richard S.Wright,Jr.OpenGL超级宝典.北京:人民邮电出版社,2005
[32]陈勇,马纯永,陈戈.基于VC Open GL的虚拟海大校园导航系统.计算机辅助设计与图形学学报.2007,2(2)
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[35]杜薇.DEM建模及空间分析的设计与实现.[硕士学位论文].大连理工大学.2004
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[39]朱英浩.城市三维可视化GIS的研究:[博士学位论文].武汉:武汉测绘科技大学,2008
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[41]伏玉琛,周洞汝.虚拟现实GIS核心技术的研究[J],计算机应用,2003,23(7)
[42]冯宏华,徐莹,程远等.C++应用程序性能优化[砌.北京:电子工业出版社,2007
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[45]Theresa Marie Rhyne.Going Virtual With Geographic information and Scientific Visualization[J].Computer & Geosciences,1997,23(4):489-491