基于数据粒度模型的3DGIS实时可视化数据组织管理与绘制优化方法

With the great improvement of data acquisition technology and the development of 3D city modeling, the data volume of the geometry and texture grows geometrically and exponentially. The real-time rendering applications of large-scale 3D city models face great challenges, because of the limited memory and narrow bandwidth of computers. Aiming at real-time rendering of massive 3D models, this project proposal a new data organization schdule and rendering optimization method based on data granularity model, which including the following aspects: the represent of data granular based on data content and multi-resource acquisition, the represent of data granular of multi-scale spatial organization, the represent of data granular of multi-levels data storage and schedule strategy, the represent of data granular of rendering cost of the tasks in visualization pipeline. The data granularity model has been proposaled based on these four facts, and then the quantity method of granular and equivalent relationship between the granulars have been studied.A new data organization and management method and a global optimization data schedule method have been developed. At last,this proposal using real models of Wuhan city to test and verify the data granularity model.The project make a combination of the data content, spatial organization, computer hardwards and rendering tasks through granularity, which contributes a new method for large-scale 3D data real-time applications.

随着地球空间数据获取技术的进步与三维地理信息系统的发展，三维地理环境模型的几何与纹理数据量呈几何级数增长，然而大众化PC机有限的CPU/GPU处理能力与存储空间、受限的传输速度与带宽，导致大规模三维模型数据的实时可视化变得十分困难。本申请立足于单机环境大规模三维模型数据的实时可视化需求，研究数据组织管理与绘制优化的数据粒度方法，包括：基于数据内容与多源特征的粒度表达、多尺度空间粒度表达、多层次存储与调度粒度表达、实时可视化任务处理代价粒度表达，建立数据粒度模型并研究粒度的量化标准与粒度间的等价转化关系；研究基于数据粒度模型的组织与管理方法和实时可视化流水线中数据处理代价全局优化方法；以真实三维城市模型数据作为基础实验数据，验证数据粒度模型的正确性与方法的有效性。该研究通过粒度将多源数据内容分类、空间组织、存储硬件和可视化处理任务等有机联系起来，为三维空间数据的实时可视化提供了新的有效方法。

本研究针对三维地理环境中呈几何级数增长的几何与纹理数据量在大众PC机有限处理能力中的存储、管理与实时可视化问题，研究基于数据内容与多源特征的粒度表达、多尺度空间粒度表达、多层次存储与调度粒度表达、实时可视化任务处理代价粒度表达模型，建立数据粒度模型并研究粒度的量化标准与粒度间的等价转化关系，并以实时绘制为目的进行有效性验证与测试。.研究了数据粒度模型，对三维城市模型的认识，从粒度的层面进行分析时，有不同的表达。每一种描述可以表达为一种粒度，而不同的描述之间存在相互的转化关系。从不同的粒度出发，研究了城市模型数据的顶点粒度模型、象素粒度模型、对象粒度模型以及组合粒度模型，建立顶点、象素、对象与组合粒度模型之间的转换关系。针对使用边界表达的数据中，建立使用顶点为基本粒度单元的表达模型，并给出了不同对象粒度的表达关系与转换量化关系。在此基础上，分析了三维城市模型数据的空间分布粒度模型。为大规模的数据组织提供了模型的依据。.进行了三维GIS实时可视化研究。首先研究了三维实时可视化的过程。三维实时可视化一般被描述为一个循环的过程，包括应用处理阶段、几何处理阶段以及片段处理阶段。探索了3DGIS实时可视化的内容分析，将3DGIS实时可视化需要处理的内容分为：人机交互与输出反馈、场景管理与数据选择、动态调度与缓存管理、数据内容实时绘制四个阶段，每一个阶段可进一步细分成不同的子任务。在此基础上，对3DGIS实时可视化进行流水线分析，3DGIS实时可视化，是将数值映射到感知维度并传递内部信息的可视现象，从一个抽象描述的场景产生影像的计算过程。通过建议共享队列的方法实现多线程的控制与分配，理清并行的根源，建立有效的并行方法。.本研究发表与标注学术论文共9篇，其中SCI/EI检索4篇，有2项专利进入受理阶段，取得5项软件著作权，培养硕士研究生5人。各项指标均超过申请计划。.通过本项目的研究，初步探索了对大数据环境下的基于粒计算的数据处理方法与可视化方法，针对城市大规模的几何与纹理数据，探索了基于粒度计算的模型描述与组织规则，为日后进行基于粒度计算的大数据处理与可视分析打下良好的基础。后述将进一步围绕大数据的可视分析方面继续深化。