[发明专利]基于三维R树索引扩展结构的三维城市模型自适应方法

说明书

技术领域

本发明属于地理空间信息系统技术领域，特别是涉及一种用于基于三维R树索引扩展结构的三维城市模型自适应方法。

背景技术

随着地球空间数据获取手段如摄影测量、激光扫描技术等的发展，三维模型数据的获取精度和建模速度不断提高，一方面提高了三维场景的细腻程度，另一方面也带来了场景的复杂性，并使数据量激增。三维显示方面的硬件技术的发展速度已经不能满足数据量日益增长的需要，即使是硬件水平最好的计算机也无法实时显示所有的数据；硬件技术的发展使得各种各样的硬件终端不断出现，这些终端的性能特点各有差别，即使是同一类型的终端也会存在性能的差别。现实三维应用中，用户对于系统的响应时间都有一个限度，对于实时绘制三维场景的应用程序来说尤其如此。如何在限定的时间内，自动适应数据量和硬件性能等客观条件的变化，从而绘制出最佳的场景图像，已经成为制约虚拟地理环境、三维城市模型和数字地球等应用的关键科学问题之一。

R树是一种平衡的树状层次结构，所有叶节点具有相同的深度，叶节点直接包含目标，其父节点包含数个叶节点，依次向上逐级嵌套，处于最上层的根节点间接包含全部目标，根节点范围是包含所有目标的最小包围盒，全树仅有一个根节点，通常是各种操作的入口，如空间查询和更新操作等。除了提供三维空间检索功能，三维R树也可以实现二维查询功能，对各种空间分布形态的目标集合也具有很强的适应性，因此三维R树索引方法能够为GIS应用提供全面的空间查询方案。

R树扩展至三维空间后，节点重叠引发多路查询激增是效率低下的主要原因。近年来研究人员通过改进节点选择算法和节点分裂算法，通过改善节点形状来解决三维R树节点重叠严重问题。为消除空间目标形态对索引效率影响，通过拓扑关系制定了构建索引的规则，对不规则三维目标切割成小目标，一定程度上改善节点重叠现象，然而切割过程增加几何和语义维护成本。全局优化的节点选择算法和二分为三的节点分裂算法也被提出，最大限度地改善节点重叠现象，使得节点的三维空间聚簇性增强，三维R树树形更趋合理。以良好树形为基础，R树的天然层次结构使得与多细节层次技术结合成为可能。相关研究文献有：朱庆，龚俊.一种改进的真三维R树空间索引方法.武汉大学学报(信息科学版)，2006，31(4)：340-343；龚俊，柯胜男，鲍曙明，2008.一种全新的R树索引方法.计算机应用研究，25(10)：2946-2948，2955；陈鹏，孟令奎，宋杨.三维GIS中基于空间拓扑约束条件的R树研究.武汉大学学报(信息科学版)，2007，32(4)：347-349；朱庆，龚俊，张叶廷，杜志强.顾及多细节层次的三维R树索引方法.国家发明专利，200910063373.2。

三维城市模型自适应研究主要涉及三维空间数据调度和可视化的自适应理论、方法和技术。从上世纪80年代开始，人们已经在相关领域进行大量研究探索工作。人们从数据管理、LOD可视化乃至预测模型等多个角度开展了系统研究。Funkhouser将高度复杂建筑物场景按照小的独立空间进行管理，采用一种成本-贡献判据在帧率稳定的前提下自适应地选择合适的离散多细节层次模型来绘制画面。Mattausch提出了一种将可视空间自动划分成为一个多级可视单元层次的方法，它使用一个基于成本的模型使得平均绘制时间最小化。Haist通过一种侦测算法预调度几何和纹理数据，同时也采取成本-贡献原则选择合适的细节层次模型数据。Wimmer从连续LOD管理的角度提出了相应的算法。Zach对离散和连续LOD结合的情况进行了研究。已有的流行通用绘制平台如Vega、OSG和OpenGVS等均尚无法满足千兆级场景复杂度的需求，而近期开发的海量图形绘制系统一般是研究性的原型系统，通常是在一个新的关键算法基础上集成其他的系统模块，如北卡大学的GigaWalk，意大利CRS4可视计算小组的Far Voxels，普林斯顿大学的iWalk，霍普津斯大学的vLOD等。这些系统需要大量的预处理，且对具有不同复杂类型的三维城市场景和硬件条件的适应性不高。

发明内容

本发明目的在于针对三维城市模型应用缺乏自适应方法的现状，基于三维R树索引扩展结构，提出一种便于定量调整且易于实现的三维城市模型自适应方法。

本发明的技术方案为：包括有以下步骤，

步骤1，采用现有三维R树索引方法对三维城市模型构建树状索引结构，借助R树的层次结构自动创建多细节层次模型；

步骤2，从该步骤起，即进入三维城市模型应用的每一帧图像处理过程，下面开始一帧的完整处理过程；

步骤3，根据统计数据调整R树的多细节层次参数；