三维建筑物连续LOD模型的生成及其可视化研究

Traditional discrete LODs of three-dimensional (3D) buildings, with limited number of levels, have some shortages, such as broken changes and large data redundancy among neighboring levels. To solve these problems, the generation and rendering algorithms of the continuous 3D building LODs are proposed. Based on continuous LODs model, the incremental data storage and streaming data transmission can be implemented, rendering performance and visual effect of 3D buildings can be improved, and the detail changes during level switching can be smoothed. And more, the geometrics, topology and semantics between different levels can be relationally connected, that benefits the consistency of 3D spatial analysis even on multi-level models. For single building model, the research will focus on the generation of its continuous LODs in constraint of feature preserving. Once a finer model and a rough model are given both as limitation, the research will focus on how to extract and match features among these two models, and on how to generate gradual increments from the rough to the finer. The achieved gradual increments of 3D building, stored in incremental data structures, are the basement to develop stream data transmission and reconstruction algorithm of building model. This research will propose the theoretic mathematic model of continuous 3D building LODs, and then support better the improvement of 3D visualization and spatial analysis in the field of virtual geographical environment.

为解决传统三维建筑物离散LOD模型层次有限、细节特征变化突兀、层次间数据冗余大等问题，研究三维建筑物连续LOD模型的生成和渲染调度算法，实现建筑物连续LOD的数据增量存储及流式传输，使得三维建筑物模型在场景漫游时具有连续平滑过渡的效果，同时保持建筑物连续LOD模型层次间的几何拓扑语义关联，对多层次模型上的三维空间分析结论的一致性提供更好的支持。针对单栋建筑物精细模型，研究其特征保持的连续LOD生成方法，使模型细节能根据视点变化进行较为平滑的调整；在给定建筑物两个细节程度不一的模型的前提下，进行模型间的特征点提取和匹配，研究特征约束下的连续LOD模型的生成方法；基于增量表达结构形成数据链条，建立模型数据的流式传输控制及模型重构机制。一方面丰富和发展三维建筑物连续LOD模型研究的理论和方法，另一方面为虚拟地理环境可视化、三维空间分析等提供更好的技术支撑。

研究背景：降低建筑物三维模型不同LOD层次中的数据冗余，保持模型特定指标在不同LOD间的一致性，支持大规模三维建筑物数据的流式传输，以提升三维系统的性能。.研究内容：为解决传统三维建筑物离散LOD模型层次有限、细节特征变化突兀、层次间数据冗余大等问题，研究三维建筑物连续LOD模型的生成和渲染调度算法，实现建筑物连续LOD的数据增量存储及流式传输，使得三维建筑物模型在场景漫游时具有连续平滑过渡的效果，同时保持建筑物连续LOD模型层次间的几何拓扑语义关联，对多层次模型上的三维空间分析结论的一致性提供更好的支持。.重要结果：（1）从维持外观特征、保护建筑物结构几何和拓扑关系等角度，提出了多种精细建筑物模型简化方法：综合考虑几何和纹理误差的简化算法、兼顾模型网格和建筑物结构的简化算法、组件拓扑约束下的简化算法。对比于经典简化算法，提高了简化率，较好地维持了三维建筑物模型的总体外观特征，有效保持了建筑物结构间的几何和拓扑依赖关系；（2）提出视点相关的三维建筑物模型渐进传输方法和基于结构的三维建筑物模型渐进式编码与传输方法。前者使用多层次顶点聚类算法简化模型，每个聚类单元内的局部网格被组织为节点树，实现视点相关的模型细化、数据组织以及网络传输，使得已传输到客户端的数据能被重复利用，有效降低传输压力。后者将基于结构的建筑物渐进式编码方式应用于传输，以一个或多个结构为最小增量传输单元（传输节点）。在数据请求过程中，基于实时视点位置、方向和和节点视觉重要性来选择并返回期望节点，有效降低了传输压力，较好维持了不同简化程度下建筑物的主要外观、几何和拓扑特征；（3）在三维建筑物注记自动配置、基于矢量要素自然特征优化调整三维地形模型、体素空间三维成本距离算法等方面也持续展开探索，取得部分成果。.科学意义：丰富和发展三维建筑物连续LOD模型研究的理论和方法，为虚拟地理环境可视化、三维空间分析等提供更好的技术支撑。