摘要
随着空间信息技术的飞速发展，越来越多的应用领域，如飞行模拟、数字李生、地理信息系统（GIS）、自动驾驶仿真、三维开放世界游戏等，都需要大规模、真实感的数字地形模拟。大规模地形数据，甚至全球地形数据，正成为分析和决策的重要基础和支撑。但在实际应用过程中，全球地形数据的离散格网划分存在的数据元余、不均匀性和缺乏嵌套性问题，现有算法在处理大规模地形时也存在着效率下降和裂缝问题。因此本文在利用全球地形高程数据和地形纹理数据的基础上，结合计算机图形学理论，针对上述问题对三维球形地形的构建方法进行了改进，实现了高精度、高可见性和可自由浏览的全球数字地形可视化效果。本文的具体研究内容和成果如下： （1）对比研究了全球地形的离散格网剖分方法。对主流剖分方法的数据结构和格网特点进行分析对比，最终采用正二十面体作为球形建模基础，采用逐层细分的方法生成离散的球形格网模型，解决了格网不能递归细分或在特定部位需要特殊处理的问题。 （2）设计并实现了改进的基于距离的连续细节层次（CDLOD）地形算法，该算法以正三角形作为基础图元，有效地解决了球面网格在细节层次切换时经常出现的地形裂缝问题。具体而言，CDLOD算法是通过计算观察点与地形的距离，自适应地选择合适的细节层次进行渲染，通过实时动态逐级细分以及网格合并，实现了不同距离下不同细节层次的地形的连续显示，使得地形变化在观察者的视野范围内平滑过渡。此外，传统的裂缝修复方法通常需要在细节层次切换后进行额外的处理，例如添加缝隙填充或使用特殊的渲染技术来修复裂缝。而CDLOD算法不仅具有随距离自动切换细节层次且具有平滑的过渡效果，而且避免了传统算法对裂缝的后期处理，从而提高了渲染效率并减少了复杂性。 （3）研究了全球地形渲染的海量数据组织和调度问题，首先对全球多分辨率地形数据和纹理数据进行解析和采样，然后采用经典的影像金字塔模型将地形数据和纹理数据按照不同的层级进行划分和存储，实现了对海量数据的高效管理和快速访问。此外，本文还利用基于九宫格的数据预取策略来提升调度算法的效率，即在数据访问过程中提前预取相邻数据到内存中，以便在需要时能够更快地演染到视口。通过结合金字塔模型和九宫格的数据预取策略，能够有效地处理和操作大规模的地形数据和纹理数据。 （4）引入了 Least Recently Used（LRU）算法来解决视点往返运动所带来的数据重新加载问题。该算法在数据卸载时优先保留最近被访问过的数据，从而减少因视点往返运动而引起的数据重新加载。结果表明，引入LRU算法能够有效地减少数据重新加载的次数，提高数据访问的效率。此外，采用了视锥体裁剪和背面剔除技术，进一步提高算法的性能。
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