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南京大学硕士研究生毕业论文 浙江黄土岭流域地表空间水文过程三维可视化研究 共67页。
摘要：
本研究是国家自然科学基金项目“基于GIS的流域空间水文过程的模拟与预测”(编号：40171015)的部分研究内容，目的是采用当前比较成熟的数字高程模型(DEM)面三维可视化技术模拟地形和水文的演变过程。可视化能够提高人类对事物整体的观察能力，有利于人的记忆和理解。在信息的处理和表达方面，它具有其他方法无法比拟的优点。该研究使用了大量抽象的水文数据，以三维可视化图形和图像，辅以先进的计算机信息处理技术，模拟和分析地表水文现象变化和发展的规律，预测水文现象的发展趋势。它对于洪涝灾害、水土流失、面源污染的扩散过程、土地利用和地表覆盖的变化、气候变化的模拟以及气候变化对水文过程的影响等许多方面都具有十分重要的意义。 以浙江黄土岭流域为试验区，本研究采用VisualC++6.0计算机编程语言和OpenGL图形函数库，结合地理信息系统和计算机图形学的方法和技术，实现地表空间水文变化过程的三维可视化。具体来说， (1)水文现象的栅格显示。首先用基于物理基础的分布式水文模型计算出给定时刻的地表空间水文栅格数据，然后对这些数据进行显示建模和光照处理，最后在三维地形背景的衬托下，使用混色处理显示试验区的水文现象。这项研究通过OpenGL的建模渲染功能和技术，解决了三角形条带建模、地表颜色设计、顶点法线计算、用颜色混合功能表现水体等不同问题，实现了水面高程在同一水平面和不同水平面的连续水体的显示，这样用户可直观地分析某一时刻的水文现象。 (2)水文过程的动画实现。采用计算机动画技术展示地表水文要素和变化的动态过程。根据显示内容的固定与否，动画可分为非交互动画和交互动画两类。本研究采用交互动画的设计方法，原因是该方法能够瞬时生成动画画面，并且提供丰富的交互操作，允许用户改变视点距离、飞行路线等，从而可以多角度、多视点观察地表水文的变化过程。此外，同步动画还可用于探索水文要素之间的因果关系和时间一致性。例如，探索降水量和地表水深之间的关系。空间水文过程同步动画显示为左右视图提供四种可选方式：三维显示、颜色渐变显示、作为高程显示和累计数值显示。三维显示方式适合表现地表水体的深浅变化，颜色渐变显示适合表现下渗量和饱和度等水文过程的变化，作为高程显示适合表现降水专题，累计数值显示适合表现一段时间内的总降水量变化。 (3)地表背景的逼真模拟。本研究用分形算法计算出天空云纹理的显示数据，通过不同颜色值的映射，分别生成晴天和阴天的天空图像。同时，采用贝塞尔曲面模拟天空形状，粒子系统模拟三维场地降雨。三维场地降雨具体做法是将雨粒子产生区域定义为一个视图体顶部的外接长方体，用象素点和直线作为雨粒子的形状和降落过程的重力作用模拟，用粒子组来实现雨粒子的连续补充和雨粒子的降落高度检测。试验结果表明，该方法能有效地再现三维地形环境场景中的降雨景象，在满足实时交互漫游的前提下表现出较强的真实感，具有一定的实用价值。 (4)数字图像的等面积分割。为了使数字高程模型图像显示时各种颜色所占面积大体相等，提出一种图像分割多阈值确定方法。首先，对数据点进行分组，分组的原则是高程；然后，根据数据点个数合并相邻组之间的数据点。最终得到分布较为均匀、组数较少的二次分组，提取二次分组的组限作为阈值。实践证明用该方法所获取的阈值能较好地分割图像，节省图像显示的时间和空间。 (5)程序响应的及时速度。本研究采用了多线程技术实现同步动画过程。地形和水文的计算、渲染将消耗大量的计算机资源。为了提高程序的响应速度，将上述过程分离出来，以工作者线程方式在后台进行处理，而主线程在前台处理场景的交互和其余任务。 综上所述，这项研究成果能够基本上满足小流域的地表空间水文变化的可视化要求，对地表水文过程模拟具有相当的参考价值。今后，在较大流域的应用时，如何实现大数据集的显示，还需做进一步探讨。 关键字:三维可视化模拟,空间水文过程,地形水文演变模拟,地理信息系统,黄土岭流域,动画技术,水文过程模拟,数字高程模型。
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