基于有向网络的地形可视性分析方法与应用研究

The current theory and methods of terrain visibility analysis mainly paid close attention to the ideal visibility analysis parameters including straight line of sight, single object and static objects. Furthermore, those researches could give the disagreement of department for extension requirements and innovative exploration and development in application mode research. The project will present a comprehensive method that can transform the traditional 2.5-dimensional field model of visibility analysis into a 2-dimensional directed network model with graph feature and in turn build a unified visibility coverage network model based on terrain visibility feature. Consequently, a comprehensive analysis method is proposed to build synthetic analysis mechanism from visibility coverage network analysis model, aiming to provide optimal solutions for various application scenarios. Introducing the algorithm of visibility analysis, a layered dependent relationship model of directed network and its quantitative expression are put forward to build data partition strategy for parallel computing and explore effective data and task schedule approach, which will become a useful supplement to theory and method of visibility analysis. Using the conclusions based on above research, the optimization mathematical models and synthetic analysis algorithms for the applications of observer siting and visibility coverage path planning are studied, and hence further theory info of visibility analysis applications for general parallel computing are discussed which will systematically present and perfect the theory and method of terrain visibility analysis under high-performance computing environment.

针对已有的地形可视性分析相关理论和方法主要面向直视线、单目标、静止对象的可视性分析，难以满足应用部门对可视性分析的扩展需求和在应用模式研究上的创新性探索与拓展，顾及可视性分析中海量DEM数据及实际地形与地理特征，提出将可视性分析的2.5维场模型转换成图特征的2维有向网络，进而基于可视性特征建立通用的可视覆盖网络模型。在此基础上，从可视覆盖网络模型中抽象出综合分析机制用于建立解决各种应用问题的分析方法。以地理可视性分析算法为切入点，提出针对可视覆盖网络的数据依赖关系及其量化表达，建立并行化数据划分策略，探索有效的数据与任务调度方法，其有望成为地形可视性分析理论与方法的有益补充。在上面研究的基础上，以观察点设置和可视覆盖路径规划应用为例，研究相应的最优化数学模型和综合可视性分析算法，探讨普适的面向并行计算的可视性分析应用理论体系，系统地提出和完善地理高性能计算环境下地形可视性分析理论与方法。

可视性分析是地理信息系统中一种重要的空间分析方法，其广泛应用在森林瞭望塔、无线通讯基站选址、行军隐蔽路径、景观分析等。但是基于DEM可视性分析的场模型方法，仅表达复杂地形的可见状况，而没有考虑多观察点和多目标点之间的复杂关系，在实际应用中受到一定的限制。因此，将可视性分析中的观察点和目标点抽象为一种离散的2维有向网络，构建一种融合可视特性和有向网络的可视覆盖网络，研究具有图特征的可视覆盖网络及其应用分析理论方法，提升复杂可视性分析效率、扩展其应用范围，为面向可视性分析与应用研究提供了新方法、新途径。 .本课题研究内容：（1）面向DEM的地形数据的有向网络构建。开展有向网络转换方法、基于有向网络的DEM地形重建和并行转换方法研究；（2）可视覆盖网络模型。开展基于有向网络与可视域特征的可视覆盖网络构建，基于可视覆盖网络的最短路规划方法及其并行化研究。（3）并行Xdraw可视域算法及其容错方法。开展容错计算方法、数据调度方法、面向Xdraw并行计算的细粒度的数据调度算法和通信可视域计算模型研究。（4）地形可视域分析方法。开展地形可视域并行计算方法、地形观察者选址规划、多分辨率地形路径规划方法和基于可视域的旅游微路线规划方法研究。.本课题取得了以下重要的研究结果：（1）提出了可视域分析的并行计算容错计算算法，有效解决可视域计算的效率和可靠性问题；（2）提出了面向DEM数据模型到有向网络的图模型的转换与地形表达方法，构建了地形可视域的可视覆盖网络，解决了地形可视域的图模型表达问题；（3）提出基于可视覆盖网络的最短路径搜索算法、选址规划的快速过滤算法和多分辨率的地形最短路算法，并实现了算法的并行化方法；（4）提出了观察点设置问题和最有可视路径规划方法，建立了地形可视域分析理论体系和方法。.本课题研究发表期刊论文8篇，国际会议3篇，申请发明专利5件，培养研究生8名。其中SCI检索8篇，EI或CPCI检索3篇。