碩士論文三維GIS的天氣現象模擬研究與應用

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1、大連理工大學 碩士學位論文 三維GIS的天氣現象模擬研究與應用 姓名：蓋印 申請學位級別：碩士 專業(yè)：計算機應用技術 指導教師：遲忠先 20050301 三絲望！盟鲞皇望壑塑型塹塞量些些Ｌ—— ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＷｅａｔｈｅｒＰｈｅｎｏｍｅｎａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎ３ＤＧＩＳ Ａｂｓｔｒａｃｔ ＂ｆｈｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ（３Ｄｏｒｓ）ｈａｓｂｅｅｎａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐａｓｔｔｗｏｄｅｃａｄｅｓ．３Ｄｖｉｓｕａ

2、ｌｉｚａｔｉｏｎｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔｉｎ ３ＤＧＩＳ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ、ｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆ３Ｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｓｏｍｅｏｆｔｈｅｍ，ｓｕｃｈａｓｒｅａｌ．ｔｉｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｓｃｅｎｅａｎｄｖｉｓｕａｌｌｙ－ｒｅａｌｉｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｓｃｅｎｅ，ｎｅｅｄｔｏｍａｋｅａｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ． Ａｔｐｒｅｓｅｎｇｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆｓｉｍｕｌ

3、ａｔｉｎｇｗｅａｔｈｅｒｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｓｍａｉｎｌｙｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ－ｂａｓｅｄ， ｔｈｅｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙｓｉｍｐｌｉｆｙｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｓ．Ｉｆｄｉｒｅｃｔｌｙａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｓｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｎ３Ｄ ＧＩＳ，ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｈａｒｄｗａｒｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｂｅｓａｔｉｓｆｉｅｄ．Ｓｏ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｄｉｒｅｃｔｅｄｂｙａｃｔｕａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｏ

4、 ｍａｋｅｓｔａｒｅｒｅａｌｉｓｔｉｃ－ｌｏｏｋｉｎｇａｎｉｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓ． Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ｔｈｅ‘‘３ＤＷｅａｔｈｅｒＤｅｍｏＳｙｓｔｅｍ’’ｂｙｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ，ｍａｋｅｓｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｍａｉｎｌｙｆｒｏｍｓｅｖｅｒａｌｗｅａｔｈｅｒｐｈｅｎｏｍｅｎａ． Ｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｋｙｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｄｖａｎｃｅｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｔｈ

5、ｅ ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｉｎｓｋｙｃｏｌｏｒａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｔｈｅｃｏｌｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｒｔｅｘ ｏｎｔｈｅｓｋｙｄｏｍｅ．Ｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｌｏｕｄｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇａｎｄ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ—ｌｏｏｋｉｎｇａｎｉｍａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｃｌｏｕｄｓ，ｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｓｔｈｅｓｐａｔｉａｌｉｎｄｅｘｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｃｌｏｕｄｓ，ａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｔｈｅｏｒｙｏｆ

6、ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆ３Ｄｓｐａｔｉａｌｏｂｊｅｃｔｓｔｏｊｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｆｒｍｎｅｒａｔｅ．Ｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｍｉｎａｎｄｓｎｏｗ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒａｉｎｄｒｏｐ ａｎｄｓｎｏｗｆｌａｋｅｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎａｏｆｒａｉｎｆａｌｌａｎｄｓｎｏｗｆａｌｌ． Ｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ

7、ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ、ｖｉｔｈｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｒｕｉｔｓ． ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｄｖａｎｃｅｓｓｏｍｅｍｅｔｈｏｄｓｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｓｅｖｅｒａｌｗｅａｔｈｅｒｐｈｅｎｏｍｅｎａ，ｓｕｃｈａｓｓｋｙ， ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ，ｃｌｏｕｄｓ，ｒａｉｎ，ｓｎｏｗ，ａｎｄｓｏｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍｐｌｅｔｅｓｒｅａｌｉｓｔｉｃ—ｌｏｏｋｉｎｇ ａｎｉｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌ—ｔｉｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｉｎ３ＤＧＩＳ．Ｔｈｅｓｅｍｅｔｈｏｄｓｔｈａｔｔｈｅａｕｔｈｏｒｐｒｏｐｏｓｅｓｉｎ ｔｈｉ

8、ｓｐａｐｅｒｈａｖｅｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎｔｈｅ‘＇３ＤＷｅａｔｈｅｒＤｅｍｏＳｙｓｔｅｍ”，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔ ｉｓｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ． ＫｅｙＷｏｒｄｓ：３ＤＧＩＳ：ｖｉｓｕａＩｉｚａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅａｔｈｅｒｐｈｅｎｏｍｅｎａ：ｔｅａｌ－ ｔｉｍｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ．ＩＩ— 一 ＿大壟堡三查堂堡主堂垡堡莖 ———————————————————————————————＿一 一 １緒論 １．１三維ＧＩｓ概述 １。１．１三維ＧＩＳ的定義 從不同的角度出發(fā)，ＧＩＳ有三種定義： （１）基于工其箱的定義，認

9、為ＧＩｓ是一個從現實世界采集、存貯、轉換、顯示空間 數據的工具集合； 陀）數據庫定義，認為ＧＩＳ是一個數據庫系統(tǒng)，在數據庫里的大多數數據能被索引 和操作，以回答各種各樣的問題； （３）基于組織機構的定義，認為ＧｉＳ是一個功能集合，能夠存貯、檢索、操作和顯 示地理數據，是一個集數據庫、專家和持續(xù)經濟支持的機構團體和組織結構， 提供解決環(huán)境問題的各種決策支持。 基于工具箱的定義強調對地理數據的各種操作，基于數據庫的定義強調用來處理空 間數據的數據組織的差異，而基于組織的定義強調機構和人在處理空間信息上的作用， 而不是他們需要的工具的作用。 ＴＵＲＮＥＲ認為“Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ

10、ａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ”主要用來區(qū)分純粹的二維ＧＩＳ與 三維ＧＩＳ。為區(qū)分三維ＧＩＳ與現今世界上比較成熟的流行的各種二維商業(yè)ＧＩＳ，這里傾 向于ＢＲＥＵＮＩＧ的觀點，認為三維ＧＩＳ是布滿整個三維空間的ＧＩＳ。與傳統(tǒng)的基于平面 的二維ＧＩＳ或２．５維ＧＩＳ明顯不同，尤其體現在空間位置與拓撲關系的描述及空間分析 的伸展方向上。三維ＧＩＳ加上對時間維的處理，即為四維ＧＩＳ［１，２１。 １．１．２三維ＧＩＳ的研究現狀 三維ＧＩＳ理論和技術經過多年的研究和探索，已取得了很大成果，并且在應用要求 較為強烈的某些專業(yè)部門，如采礦、地質、石油等領域建立～些具體系統(tǒng)。但迄今為止

11、仍沒有一套系統(tǒng)完整的理論，沒有成功的通用平臺，因此在以后相當長的時間內三維 Ｇ１Ｓ將是發(fā)展的重要研究內容。以下從三維數據獲取、三維空間數據模型、三維拓撲關 系的描述和表達、三維可視化和三維空間分析等幾方面評述了三維ＧＩＳ研究進展［３】。 （１）三維數據的獲取 由于理論和技術水平的限制，三維空間信息的獲取能力相對較弱是阻礙三維ＧＩＳ發(fā) 展的一個重要原因。一旦能夠實現三維空間信息的實時廉價獲取，三維ＧＩＳ將會有更迅 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應用 猛的發(fā)展。目前常用的三維數據獲取方法主要有：地形圖和建筑圖紙相結合的城市三維 信息獲取、航空航天遙感、激光掃描儀、混合集成方法、

12、車載移動測繪系統(tǒng)。 但）三維空間數據模型 空間數據模型是對現實世界的一種抽象、歸類及簡化的描述。三維空間數據模型是 研究三維空問的幾何對象的數據組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內容的集合。典型 的三維空問數據的表示方法可以分為體的表示法和邊界面的表示法。常用的體的表示法 是將三維空間對象視為體單元的集合［４，５】?，F有的三維空間數據模型可以分為基于柵格 結構的數據模型、基于矢量結構的數據模型和混合結構數據模型。 （３）三維窄間關系捕述和表達 完備和形式化的空間關系描述與表達是設計空間查詢語言的關鍵，是實現有效空間 查詢的前提，同時也是空間分析的基礎?？諉栮P系包括度量關系、拓撲

13、關系和方向關系 三類。其中，度量關系是定量關系，拓撲關系和方向關系屬于定性關系，在定量和定性 關系之間可以相互轉化。度量關系指描述目標關系的某種度量空問中的數值量，如距 離。拓撲關系，即拓撲變換下的拓撲不變量，它只考慮空間實體間的位置關系，如相 鄰、相交?？臻g關系表達指存儲和組織空間目標問的空間關系并構建相應的檢索方法。 為了表達三維空間對象的拓撲關系，一些學者開發(fā)了基于拓撲關系的數據模型。 （４）三維可視化 隨著三維圖形硬件芯片的出現和ＯｐｅｎＧＬ、Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ三維軟件標準的建立，地形三 維可視化逐漸由夢想變成了現實。地形的可視化是－－ｆｑ以研究數字地形模型或數字高程

14、域的顯示、簡化、仿真等內容的學科，它屬于計算機圖形學的一個分支。它的應用涉及 地理信息系統(tǒng)（ＧＩＳ）、虛擬與現實（ＶＲ）、戰(zhàn)場環(huán)境仿真、娛樂與游戲、地形的穿越 飛行、土地管理與利用、氣象數據的可視化等領域。三維可視化是三維ＧＩＳ的一項基本 功能。在建立、維護和使用三維ＧＩＳ系統(tǒng)的各個階段，不論三維對象的輸入、編輯、存 儲、管理，還是對它們進行操作分析或是輸出結果，都存在三維對象的幾何建模與三維 可視表達問題［６］。 （５）三維空間分析 ＧＩＳ的核心是空問數據庫、空間查詢和空間分析。三維空間分析，就是真接在三維 空間中進行空間揉作與分析，并對空間對象進行三維表達與管理?？臻g分析應

15、該是面向 用戶的，通過空間分析解決用戶特定的問題，為決策者直接提供決策支持。但是，由于 現在三維ＧＩＳ空ｆ剛分析的種類及數量都很少，只能滿足簡單的編輯、管理、查詢和顯示 要求，不能做到決策層次上來。因此，研究開發(fā)ＧＩＳ的基本空間分析及將各領域的專家 ，２． 大連理工大學碩士學位論文 知識嵌入ＧＩＳ中，是三維ＧＩＳ發(fā)展的一個重要方面。三維空間分析除了包括二維ＧＩＳ 的分析功能外，還應包括針對三維空間對象的特殊分析功能，具體包括：空間查詢、空 間量測、疊置分析、緩沖區(qū)分析、網絡分析、地形分析、剖面分析和空間統(tǒng)計分析。 １．１．３三維ＧＩＳ在氣象方面的發(fā)展現狀 目前在氣象預報

16、相關領域，計算機技術已經得到了較為廣泛的應用，主要包括數據 庫、數據處理、決策支持、多媒體演示、氣象服務系統(tǒng)、基于Ｗｅｂ的應用等。然而， ＧＩＳ技術在氣象方面的應用只是局限于氣象數據處理、ＷｅｂＧｌＳ監(jiān)控系統(tǒng)等，可以說， Ｇ］Ｓ技術在氣象預報相關領域還沒有得到廣泛的應用。 隨著虛擬現實技術以及三維可視化技術的快速發(fā)展，氣象預報領域與之相關需求也 不斷提出。目前幾乎所有的電視天氣預報都是通過圖、表、文字、數字、符號等信息為 觀眾提供近期天氣情況，而沒有將真實的天氣情況直觀的展現出來。雖然說觀眾已經習 慣了這種方式，但是，將天氣預報數據用可視化的方式展示給用戶一定會成為未來發(fā)展 的

17、趨勢。同時隨著應用范圍的不斷擴大，也將進一步促進三維可視化、虛擬現實等相關 技術的持續(xù)發(fā)展。 ； 目前三維ＧＩＳ技術還沒有被廣泛應用于氣象預報領域，三維ＧＩＳ技術在氣象模擬 研究領域僅僅是用來研究的工具。氣象模擬的研究成果被推向應用，特別是存在大量地 形、地物數據的應用，主要面臨兩方面的困難： （１）天氣現象的三維模擬算法的實現 由于天氣現象受多方面的影響，所以它們是多變的，不易得到規(guī)律的。設計有效的 算法模擬多變的、沒有穩(wěn)定變化規(guī)律的天氣現象，這是實現上的首要問題。同時氣象數 據的復雜程度也很大程度上影響了算法有效的設計和實現。雖然目前計算機硬件技術水 平得到了迅猛的發(fā)展

18、，但是在算法上的設計與實現的難度仍然是制約氣象模擬的一個瓶 頸。 （２）三維系統(tǒng)的數據量、計算量與系統(tǒng)效率、效果之間的矛盾問題 對于氣象預報應用來說，系統(tǒng)不僅有大量的氣象數據需要處理和計算，同時還有海 量的地形數據、地物數據等。從系統(tǒng)應用的角度來說，不僅要將各類天氣現象模擬出 來，而且還需要考慮系統(tǒng)數據量大帶來的一系列問題。 最近幾年，隨著計算機軟硬件水平的不斷提高，加之天氣現象的三維模擬算法的改 迸，氣象模擬研究工作已經取得了較大的進展，很多研究成果的演示效果都非常逼真。 然而這樣的演示效果是有局限性的。首先這些算法設計比較復雜，計算最大，單純演示 天氣現象就需要極高的計算

19、機配置。這些算法往往不能有效的融入到應用系統(tǒng)中去，其 －３， 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應用 主要原因就是沒有考慮應用自身的其它問題，比如海量地形數據、地物數據等。也就是 說，麗向應用的時候要解決一個重要的問題：系統(tǒng)效率和演示效果的矛盾。最終實現的 應用既要有好的數據建模效率，又要有良好的演示效果。 １．２天氣和天氣現象 天氣與人們的生產、生活以及軍事活動的關系十分密切。人類預測天氣的愿望和要 求由來已久。起初人們根據肉眼觀測到的天象、物象來判斷當地天氣和氣候的變化。后 來人們把長期觀察到的天氣現象與天象、物象問的聯系，用于預報天氣。本章介紹的各 種天氣現象的概念和

20、理論均來自文獻【７，８】。 給出天氣和】天氣現象在氣象學中的概念如下： 一天氣是指經常不斷變化著的大氣狀態(tài)，既是一定時惻和空間內的大氣狀態(tài)，也 是大氣狀態(tài)在一定時間間隔內的連續(xù)變化。所以可以理解為天氣現象和天氣過 程的統(tǒng)稱。 一天氣現象是指發(fā)生在大氣中的各種自然現象，即某瞬時內大氣中各種氣象要素 （如氣溫、氣壓、濕度、風、云、霧、雨、雪、霜、雷、雹等）空間分布的綜 合表現。 下面介紹的幾種天氣現象是本文后面章節(jié)主要研究的內容。 （１）大氣 地球是由水圈及生物圈所組成。包圍地球的氣體外殼稱為地球大氣，簡稱大氣。由 于地球引力的作用，大氣質量的１／２集中在６千米高度以下，３／

21、４質量集中在ｌＯ千米高 度以下，９９％的質量集中在３５千米高度以下。 大氣是由各種氣體及懸浮在空中的液態(tài)和固態(tài)微粒所組成的混合物。大氣可以大致 分為干浩空氣、水汽、微粒雜質和新的污染物。地球上一切有生命的東西都離不開大 氣，大氣對地球上生物有著重要的作用。同時，在大氣中進行著各種不同的物理過程， 產生著各種不同的物理現象。大氣中有時風起云涌，雨雪紛飛；有時云消風靜，晴空蔚 藍。這些天氣現象的發(fā)生和發(fā)展，直接或間接地與大氣的成分、結構、狀態(tài)有關，所 以，對大氣的研究能使我們更逼真地模擬各種天氣現象。 （２）光在大氣中傳播 光是一種電磁波，大氣是一種成分和狀態(tài)都很復雜的介質?！?/p>

22、面，大氣是可以被 光穿透的連續(xù)介質，當日月光或其它光源發(fā)出的光在大氣中傳播時，會受到衰減；另一 方面，大氣又是由空氣分子和水滴、冰晶及其它各種氣溶膠粒子組成的，它們都會與光 波發(fā)生相互作用。由于大氣的不均勻性，以及大氣總處于不停頓的復雜運動之中。大氣 ．４． 大連理工大學碩士學位論文 對光的折射、衍射、散射和吸收作用是復雜多交的，從而形成了多種多樣、絢麗多彩的 大氣光學現象，它們可作為未來天氣變化的征兆。 （３）云、雨和雪 水從海洋、江河、湖泊、潮濕的土壤通過蒸發(fā)或蒸騰成水汽進入大氣，而后隨氣流 輸送到其它各地和空中各不同高度處。在一定的條件下，大氣中的水汽又會凝結或凝

23、華 成云霧滴。若云霧滴迸一步增大就會形成降水。所以，蒸發(fā)、凝結、云的形成及云中降 水所有這些過程都是緊密相聯的，它們各是整個自然界水分循環(huán)的個別環(huán)節(jié)。 １．３本文的研究內容及組織方式 本課題屬于Ｇ１Ｓ的三維可視化研究領域，研究要解決的問題是幾種主要的天氣現象 的真實感模擬和實時繪制技術的實現。 具體研究內容和組織方式如下： ●緒論。介紹三維ＧＩＳ的定義、研究現狀及在氣象方面的發(fā)展情況：描述幾 種常見的天氣現象；闡述本文的研究內容和組織方式。 －天空背景的模擬研究。分析天空背景變化的規(guī)律；提出符合變化規(guī)律的特 征函數；完成天空背景的三角形分割繪制。 ＿云的模擬研究。結合圖形

24、硬件可編程接口完成Ｈａｒｒｉｓ的光散射簡化模型計 算；采用八分樹索引技術和三維空間對象替代紋理繪制技術加速大規(guī)模粒 子云的實時繪帶４速度。 一雨和雪的模擬研究。完成通用、高效、可擴展的粒子系統(tǒng)設計；實現基于 粒子系統(tǒng)的動態(tài)降雨和降雪仿真。 一天氣現象模擬研究的應用。介紹某戰(zhàn)區(qū)氣象演示系統(tǒng)；具體展示了本文研 究內容的應用效果。 ．５． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應用 ２天空背景的模擬研究 天氣現象的模擬一般都要以天空作為背景，但是對天空的模擬并不是單純地畫一片 藍色那樣簡單，天空顏色是隨著時間和空間的變化而變化的。 大氣散射物理學對于理解天空顏色是至關重要的，但是

25、，物理精衡陛并不是本章研 究的重點。研究的主要內容是實現符合視覺效果的天空背景生成和繪制算法，研究的主 要目標是視覺上的真實感，研究的目的是模擬出天空顏色隨著太陽位置和觀察高度改變 的變化規(guī)律，研究的方法必須快速高效，以便把更多的資源留給三維ＧＩＳ的其他任務。 ２．１天空顏色的變化規(guī)律 太陽光在到達地球表面前要經過大氣的吸收、散射、反射或折射。人的眼睛根據可 見光的波長分辨出不同強度和顏色。 光的衰減是由吸收和散射引起的。只有在臭氧層人們一般才＋考慮光的吸收【９】。所 以，對于臭氧層下面的大氣人們一般只考慮光的散射作用。光的散射就是由于介質中存 在的微小粒子（異質體）或者分子

26、對光的作用，使光偏離原來的傳播方向而向四周傳播 的現象。介質的大小和波長不同散射作用也不同，所以人們看到的散射光和入射光是不 同的。 任何類型的電磁波在大氣中傳播都受散射的影響。散射強度和介子大小與入射 光波長之間的比率有關。如果介質大小相對小于入射光波長（“＾／１０），發(fā)生的是 瑞利散射；如果介子相對較大（ｒ≥＾／１０），發(fā)生的是米氏散射［１０．１４］。 純凈的天空呈現出藍色是光在大氣中傳播的過程中發(fā)生散射的結果。根據瑞利散射 定律，紫色和藍色光的散射強度較大，黃色和紅色光的散射強度較小。再加上眼睛對紫 色光相對不敏感。所以純凈的天空一般呈現出藍色。大氣中還有一定數量的塵埃和

27、水 汽。這些異構體發(fā)生米氏散射，所以，一般人們看到的天空不是純凈的藍色。 天空的顏色和明暗的變化也是很復雜的。除了瑞利散射和米氏散射的共同作用外， 天空顏色明暗分布還與太陽位置有關。如圖２．１所示。圖２．１中，天頂表示天空的至高 點，觀察路徑表示觀察的方向，‰：表示太陽方向與天頂方向間的夾角，‰表示視線方 向與天頂方向的夾角，ｅ表示太陽方向與視線方向的夾角。 人眼觀察到的天空顏色可以總結為以下三個效果合成的結果【９】： ●朝向太陽的方向，天空的亮度逐漸增強，顏色逐漸變白。如圖２．２陽）。 一太陽視線夾角ｅ為９０度，天空最暗，籃色最濃。如圖２．２（∽。 一朝著地平線方向，天空的

28、亮度增強，顏色由深藍逐漸變自。如圖２．２ｆｃ）。 ．６． 大連理工大學碩士學位論文 ，一圖２．１天空顏色變化規(guī)律中使用的角度參數 Ｆｉｇ．２．１Ｔｈｅａｎｇｌｅｓａｂｏｕｔｔｈｅｒｕｌｅｏｆｔｈｅｓｋｙｃｏｌｏｒａｓｔｈｅｙａｒｅｕｓｅｄ （ａ）太陽周圍明亮區(qū)域（ｂ）天空最暗藍色最濃區(qū)域（ｃ）接近地平線漸變 圖２．２天空顏色受三個主要效果的影響 Ｆｉｇ?２．２Ｔｈｅｃｏｌｏｒｏｆｔｈｅｓｋｙｃａｎｂｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓａｎｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｒｅｅｅｆｆｅｃｔｓ 第一個效果是米氏散射的結果。米氏散射的對方向的強烈依賴性，導致了朝著 太陽方向亮度迅速變化，米氏

29、散射對光波波長的較弱依賴導致了亮白色。 第二個效果是瑞利散射的結果。由瑞利散射定律得出，太陽視線夾角Ｂ為９０度 時，散射強度最小。 第三個效果是大氣濃度的結果。大氣對藍光和紫光的散射較強，對紅光和黃光 的散射較弱。藍光和紫光對天空顏色的影響較多，尤其是在濃度較高的大氣中。 ．７。 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應剛 ２．２天空顏色生成算法 ２．２，１需解決問題 大氣散射導致了天空背景顏色和亮度的變化。模擬天空背景也是計算機圖形學 研究的熱點之一。在這方面有很多相關的研究，提出的方法一般都是基于解析散射 方程，從而，確定某觀察點的光譜分布。即使對散射方程進行簡化，解析散

30、射方程 仍然很復雜。正如本章前面提到的，物理精確性并不是本章研究的重點，本章的目 的是實現符合視覺效果的天空背景生成和實時繪制算法。 根據２．１小節(jié)討論，天空背景的變化是有規(guī)律可循的，本文進一步總結如下： 一天空的基本顏色和基本亮度與時間有關。根據時間預先確定幾個采樣值。例 如：黎明和黃昏的時候，呈現暖色。 一時間一定的情況下，天空顏色的變化主要和被觀察位置的高度有關。可以 采用在天頂顏色和地平線顏色之間按照一定的變化規(guī)律作插值，得到某個 高度的天空顏色。 一時問一定的情況下，天空亮度的變化主要和太陽視線角度有關?？梢圆捎? 在角度為０和９０之問按照一定的變化規(guī)律作插值，得到

31、某個角度位置的天 空背景的亮度。 由這些規(guī)律可知，關鍵是要找到符合這些變化規(guī)律的特征函數。目前，一些比 較流行的三維動畫和游戲的做法都是采用簡單的線性內插法［１５］，即認為特征函數 是線性函數。但是這并不符合人們視覺上的效果。針對這個問題，本文提出了兩個 特征函數：顏色隨高度變化的特征函數和亮度隨角度變化的特征函數。 ２．２．２方法描述 （１）根據時間確定天空的基本顏色和亮度 應用特征函數插值前要確定天空基本顏色和基本亮度。那么，需要用到幾個預 先指定的常量，這幾個常量存放在常量寄存器中。如表２．１。這些常量值都是根據經 驗從視覺效果出發(fā)而設定的。 具體的做法是，根據時間

32、判斷當前時刻所處時間段，即判斷是黑夜、白天、黃 昏還是黎明。如果是黑夜和白天，那么，把常量寄存器中的相應值賦值給相應的基 本顏色和基本亮度變量。算法如表２．２。如果是黎明或者黃昏，則根據常量寄存器中 的內容作線性插值，把插值結果賦值給相應的基本顏色和亮度變量?；绢伾突? 本亮度變量在將分別用于天空某具體位置的顏色亮度計算。 ．８． 大連理ｊ：大學碩士學位論文 表２．１確定天空基本顏色和亮度預先指定的常量表 ｆＳｕｎＲｉｓｅＴｉｍｅ日出的時間 ｆＳｕｎＳｅｔＴｉｍｅ日落的時間 ｆＤａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ黎明時間段 ｆＤｕｓｔＴｉｍｅＤｅｌｔａ黃昏時間段 ｆＮｉｇｈ

33、ｔＬｕｍ夜晚的基本亮度系數 ｆＤａｙＬｕｍ白天的基本亮度系數 ｖＳｕｍＭｍｘＬｕｍ太陽最大濃度（ＲＧＢｌ ｖＳｕｍＭｉｎＬｕｍ太嘲１最小濃度（ＲＧＢ） ＶＤａｙＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ白天地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＤａｙＺｅｎｉｔｈＣｏｌ白天天頂的顏色（ＲＧＢ） ｖＤａｗｎＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ黎明地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＤａｗｎＺｅｎｉｔｈＣｏｌ黎明天頂的顏色（ＲＧＢ） ｖＤｕｓｔＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ黃昏地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＤｕｓｔＺｅｎｉｔｈＣｏｌ黃昏天頂的顏色（ＲＧＢ） ｖＮｉｇｈｔＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ夜晚地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＮｉｇｈｔＺｅｎｉｔｈＣｏｌ夜晚

34、天頂的顏色（ＲＯＢ） （２）顏色隨高度變化規(guī)律 由（１）得到天頂位置和地平線位置的基本顏色。天頂到地平線的顏色是逐漸變化 的，這種變化不是簡單的線性變化，接近地平線變化較快，靠近天頂變化較慢。通過觀 察和試驗，找到一個符合這種變化規(guī)律的特征函數，形如公式２．１。公式２．１采用對天 空上某個位置法向量Ｙ通道丌根方的方法。 ｄ．，————：———————————一 ，一∥ｕ８ｒ￡ｅｓ巴扎。｜ｒ卵ｌｎｉ．璺，，，１、 根指數越高，天項變化越慢，地平線變化越快。這里選擇５。如圖２．３。其中， 橫軸代表某位置矢量的Ｙ分量長度，天頂時值為１，地平線處值為Ｏ。 對天空背景上的某個位置計算

35、出具體的特征函數值，把函數值作為該位置的權值， 在天頂和地平線顏色間作內插，得到該位置對應的具體顏色。如表２．３。 （３）亮度隨角度變化規(guī)律 由觀察得到的變化規(guī)律可知，與太陽成９０度角的天空位置最暗，這是瑞利散射 的結果。這種變化不是簡單的線性變化，通過觀察和試驗，提出符合這一規(guī)律的特 ．．９．． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應用 表２．２確定天空基本顏色和基本亮度偽代碼 ｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅＧｅｔｔｈｅＣｕｌＴｅｎｔｔｉｍｅ ｉｆｆＣＵＩＴｅｎｔＴｉｍｅ＜＿ＩＳｕｎＲｉｓｅＴｉｍｅ—ｍａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ，２ ＯｒｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ＞；ＩＳｕｎＳｅｔＴ

36、ｉｍｅ＋ｆＤｕｓｔＴｉｍｅＤｅｌｔａ／２ ｔｈｅｎ ／／ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｉｍｅｊＳｎｉｇｈｔ ｖＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ（－－ｖＮｉｇｈｔＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ ｖＺｅｎｉｔｈＣｏｌｖＮｉｇｈｔＺｅｎｉｔｈＣｏｌ ｆＬｕｍｉｎａｎｅｅ（－－悄ｉｇｈｔＬｕｍ ｉｆｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ＞ｆｓＵｒｌＲｉｓｅＴｉｍｅ—ｆＤａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ／２ ａｎｄｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ＜ＩＳｕｎＲｉｓｅＴｉｍｅ＋ｆＤａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ／２ ｔｈｅｎ ／／ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｉｍｅｉＳｄａｗｎ ｖＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ（－－ｖＤａｗｎＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ ｖＺｅｎｉｔｈＣｏｌ

37、ＶＤａｗｎＺｅｎｉｔｈＣｏｌ ｆＬｕｍｉｎａｃｅ（－－ｆＮｉｇｈｔＬｕｍ＋（ｆＤａｙＬｕｍ—ｆＮｉｇｈｔＬｕｍ）＋（ｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ— ｉＳＵｒｌＲｉｓｅＴｉｍｅ一仍ａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ／２、／ＤａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ ｅｌｓｅ ｉｆｆＣｔｔｒｒｅｎｔＴｉｎｌｅ＞ｆＳｕｎＳｅｔＴｉｍｅ—ｆＤｕｓｔＴｉｍｅＤｅｒａ／２ ａｎｄｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ＜ＩＳｕｎＳｅｔＴｉｍｅ＋ｆＤｕｓｔＴｉｍｅＤｅｌｍ／２ ｔｈｅｎ ／／ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｉｍｅｉｓｄｕｓｔ ｖＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ（－－ｖＤＵＳｔＨｏｒｉｚｏｎＣ０１ ｖＺｅｎｉｔｈＣｏｌ｝ｖＤｕｓｔＺｅｎｉｔｈ

38、Ｃ０１ ｆＬｕｍｉｎａｃｅ（－－ｆＮｉｇｈｔＬｕｍ＋（ｔＤａｙＬｕｍ—ｆＮｉｇｈｔＬｕⅡｎ＋（ｉｓｕｎＳｅｔＴｉｍｅ＋ ｆＤｕｓｔＴｉｍｅＤｅｌｔａ／２－ｆＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅｌ／國ＵＳｔＴｉｍｅＤｅｒａ ｅｌｓｅ ，，ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｉｍｅｉＳｄａｙ ｖＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ（－－ｖＤａｙＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ ｖＺｅｎｉｔｈＣ０１（－－ｖＤａｙＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ ｔＬｕｍｉｎａｅｅ＜－－ｆＤａｙＬｕｍ ｅｎｄｉｆ ｅｎｄｉｆ ｅｎｄｊｆ ．１０． 一盔壟堡二！叁堂堡主堂堡壘塞一．—— 圖２．３天空顏色隨節(jié)點矢量Ｙ分量變化的特征函數 Ｆｉｇ．２．３Ｔｈｅ

39、ｆｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈａｔｔｈｅｓｋｙｃｏｌｏｒｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌＹｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｎｏｒｍａｌｓｏｆｔｈｅｓｋｙｄｏｍｅ 表２．３插值計算某位置顏色偽代碼 ｖＰｏｓｉｔｉｏｎ（－ｔｈｅｖｅｒｔｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎｔｈａｔｎｅｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅ ｖＮｏｒｍａｌ亡ｖＰｏｓｉｔｉｏｎ．ｎｏｒｍａｌ ｆＷｅｉｇｈｔ＜－ｐｏｗｆ（ｖＮｏｒｍａｌ．Ｙ，１／５） ｖＣｏｌｏｒ（－ｖＺｅｎｉｔｈＣｏｌ４ｆＷｅｉｇｈｔ＋ｖＨｏｒｉｚｏｎＣｏｉ８（１一ｆＷｅｉｇｈｔ） 圖２．４天空亮度隨角度的變化特征函數

40、Ｆｉｇ．２．４Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈａｔｔｈｅｓｋｙｌｕｍｉｎａｎｃｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅ ａｎｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｕｎａｎｄｔｈｅｖｉｅｗｐａｔｈ 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應月｛｜ 表２．４插值計算某位置亮度偽代碼 ｖＰｏｓｉｔｉｏｎ（－－ｔｈｅｖｅｒｔｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎｔｈａｔｎｅｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅ ｖＶｅｒｔｅｘＮｏｒｍａｌ（－－ｖＰｏｓｉｔｉｏｎ．ｎｏｒｍａｌ ｖＰｏｓｔｉｏｎｔｈｅｓｕｎｐｏｓｉｔｉｏｎ ｖＳｕｎＤｉｒ（－－ｖＰｏｓｉｔｏｎ．１ｌＯｒｌＴｌａｌ ｍｌｅｔａｔｈｅａｎｇｌ

41、ｅｂｅｔｗｅｅｎｖＶｅｒｔｅｘＮｏｒｍａｌａｎｄｖＳｕｎＤｉｒ ｉｆｍｌｅｔａ＞＝ＰＩ／２ ｔｈｅｎ ｆｒｈｅｔａ＝ＰＩ／２ ｅｎｄｉｆ ｆＷｅｉｇｈｔ＜－－ｃｏｓ（ｆｆｈｅｔａ） ｖＬｕｍｖＳｕｎＭａｘＬｕｍ４（１一ｆＷｅｉｇｈ０＋ｖＳｔｍＭｉｎＬｕｍ４ｆＷｅｉ曲ｔ 征函數，形如公式２．２。公式２．２采用對太陽視線夾角ｅ的余弦值求指數的方法。 ，＝ＣＯＳ２日ｒ７７、 這里選擇指數為２。如圖２．４。由于太陽距離地球很遠，本文假設觀察位罨始終 位于天空圓頂屋的球心位置。對天空背景上的某具體位置計算出特征函數值，把函 數值作為該位置的權值，在太陽最大亮度和太陽最小亮度間作內插

42、，得到該位置對 應的亮度。具體算法描述如表２．４。 最終某位置的繪制顏色由上述（１）（２）（３）計算的結果綜合得到。 ｖＣｏｌｏｒ＜－－ｖＣｏｌｏｒｄｏｔｖＬｕｍ＋ｆＬｔｉｍ ２．３實時繪制天空背景 ２．３．１生成天空形態(tài) 天空形態(tài)模擬成一個半球形的圓頂屋。這個圓頂屋和地球的地理坐標系統(tǒng)類 似，使用一系列的經線和緯線【９，１５】。這樣模擬的結果是，在天頂的地方圓頂屋三角 形分解效果很好，而接近于地平線的地方，三角形分解得很粗。如圖２．５（ａ）。 本文的繪制方法是基于節(jié)點級的，也就是說，利用ＯｐｅｎＧＬ的光柵處理可編程 接口實現各節(jié)點間顏色和亮度的平滑過渡。因此，天空背景的繪

43、制效果和三角形分 解方法有很大關系，分解的三角形要盡量均勻。改進后的分解效果如圖２．５ｆｂ）所 示。 ．１２． 大連理一［大學碩士學位論文 （ａ）基于經緯線的方法（ｂ）改進后的方法 圖２．５天空圓頂屋分解結果 Ｆｉｇ．２．５Ｔｈｅｔｅｓｓｅｌｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｓｋｙｄｏｍｅ 分解方法的基本思想是，保持緯度間的距離不變，盡量把每個緯度帶分割成大 小一致的三角形。由于緯度間的距離不變，相鄰兩條緯線的周長變化量相等。由 此，沒相鄰緯線上的節(jié)點變化量相等，比如，第一條緯線圈有８個節(jié)點，第二條緯 線圈就有１６個節(jié)點，第三條緯線圈就有２４個節(jié)點，以此類推。具體分割方

44、法如表 ２．５所示。 表２．５生成天空圓頂屋改進算法的偽代碼 Ｂａｎｄｌｎｆｏ［０］．ｎＶｅｒｔｅｘＣｏｕｎｔ＜－－ｌ Ｂａｎｄｌｎｆｏ［０】．ｐＶｅｒｔｉｅｅｓ＜－－ｎｅｗＰｏｉｎｔ【１］ Ｂａｎｄｈｆｆｏ［０］．ｐＶｅｒｔｉｃｅｓ［０］．Ｘ＜－－Ｂａｎｄｌｎｆｏ［０］．ｐＶｅｒｔｉｃｅｓ［０】．Ｙ＝Ｏ．Ｏｆ ｆｏｒａｌｌｂａｎｄｉｎｆｏＢｍａｄｌｎｆｏ［ｉ］ｄｏ ｉｎｔｎＶｅｒｔｅｘＣｏｕｎｔｉ＋ＶＥＲＴＥＸ＿ＤＥＬＴＡ ＢａｎｄＩｎｆｏ［ｉ］．ｎＶｅｒｔｅｘＣｏｕｎｔ＜－－ｎＶｅｒｔｅｘＣｏｕｎｔ Ｂｍａｄｌｎｆｏ［ｉ］ｐＶｅ觸ｓ＜－－ｎｅｗＰｏｉｎｔ［ｎＶｅｒｔｅｘＣ

45、ｏｕｎｔ］ ｆｌｏａｔｆＲａｄｉｕｓｆＲａｄｉｕｓＤｅｌｍ＋ｉ ｆｏｒａⅡ血ｅｃｕｒｒｅｎｔｂａｎｄｉｎｆｏｖｅｒｔｉｃｅｓＢａｎｄｌｎｆｏ［ｉ］．ｐＶｅｒｔｉｃｅｓ［ｊ】ｄｏ ｆｌｏａｔｆＡｎｇｌｅ＝２＋ＰＩ＋（（ｔｌｏａｔ）ｊ／（ｆｌｏａｔ）ｎＶｅｒｔｅｘＣｏｕｎｔ） Ｂａｎｄｌｎｆｏ【ｉ］．ｐＶｅ幣ｃｅｓ［ｊ］．ｘｆＲａｄｉｕｓ＋ＣＯＳ（ｆＡｎｇｌｅ） Ｂａｎｄｌｎｆｏ［ｉ］．ｐＶｅｒｔｉｃｅｓ［ｊ］Ｙ（－－ｆＲａｄｉｕｓ＋ｓｊｎ（ｆＡｎｇｌｅ） ｅｎｄｆｏｒ ｅｎｄｆｏｒ ．１３． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應用 ————————＿——————————＿－－

46、－＿＿——＿—ｒ—＿●—－＿—＿——————————————＿－＿●＿－●＇＿＿＿－—————＿一 ２．３．２繪制天空背景 計算天空顏色就是計算生成天空形態(tài)的半球形圓頂屋上的所有節(jié)點的顏色，把 ＯｐｅｎＧＬ的節(jié)點可編程接口參數設定為連續(xù)三角形平滑繪制，實現整個天空背景的 繪制。具體繪制三角形的過程要通過很多復雜繁瑣的判斷條件，方法見附錄Ａ。 ．１４．． 大連理工人學碩士學靜論文 ３云的模擬研究 云是一種重要的天氣現象，不僅美觀性和易變性令人驚嘆，更是人們預測天氣變化 的重要依據。但是，由于云本身形成變化過程的復雜性和光的作用使得云的模擬和實時 繪制很困難。月前，對云的模

47、擬還停留在簡單的貼圖方法上［１６．１８］。但是，貼圖的方法 模擬出的云很不真實，尤其是在三維場景交互式的應用中，用戶一般要求飛躍穿過真實 的體狀云。模擬體狀云，除了要求云本身的變化外，還要求云在風和其他力（如浮力） 的作用下做相應的運動，此外，為了增強云的真實感還需要考慮太陽光的照明以及云的 內散射作用。 本文云模擬研究的重點是模擬應用于三維交互式系統(tǒng)的快速高效繪制的靜態(tài)云，不 考慮云本身的動態(tài)變化過程。也就是說，可以預先對靜態(tài)粒子云建模，假設云粒子的彼 此｝１１對位置不變。這樣，研究的重點內容就是：完成云的光散射作用模型以模擬真實 感；加快云的實時繪制速度以滿足二維交互式系統(tǒng)

48、的需求。 ３．１兩個層次的云建模 云建模要解塊的問題是，如何用計算機表示云，如何生成和組織表示云的數 據。如果對組成云的每個微小水滴都做明確的描述，遠遠超出了計算機硬件日前的 計算相存儲能力，凼此大多數的研究方法采用粗略的模型【１９】。 圖３．１兩個層次的粒子云建模過程 Ｆｉｇ。３．１Ｔｈｅｃｌｏｕｄｍｏｄｅｌｉｎｇｗｉｔｈｔｗｏｌｅｖｅｌｓ ．１５． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應Ｊ【１＝｛ 本文采用的是兩個層次的粒子云建模方法。假定粒子云的每個粒子粗略地代表 了一個類似球形的空間對象，每個粒子的濃度由一個高斯算法生成的小紋理圖片表 示，濃度由中心遞減。每個粒子的

49、屬性包括中心位置、半徑、濃度和顏色。每朵云 由大小和濃度不同的一系列粒子集合組成。 組成云的粒子可以通過兩個層次建模［２０】：高層建模使用立方體控制云的基本 形態(tài)；底層建模結合隨機數把每個立方體細化成粒子，通過生成隨機數和相應的參 數控制每個粒子的大小和濃度。最后，把生成的云的基本粒子數據寫入文件，完成 云建模過程。具體的步驟如圖３．１所示。 ３．２Ｈａｒｒｉｓ的散射模型 人眼觀察到的云是光和組成云的物質相互作用的結果。云是由許多微小的、具有一 定濃度的水滴組成。要想模擬出真實感的云，就是要模擬出光和組成云的水滴相互作用 的視覺效果。光和這些水滴的最主要相互作用就是光散射。

50、 下面介紹幾個重要的有關光散射的基本概念，主要來自文獻【２ｌ，２２】。 圖３．２光在大氣中的散射 Ｆｉｇ．３．２Ｔｈｅｌｉｇｈｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ 圖３．２展示了一個簡單散射活動，即來自太陽的光在點Ｐ散射到觀察方向。經 過了一次或多次散射的光也可能到達點Ｐ發(fā)生散射。觀察方向和太陽光之間的夾角 寄叫做散射角。散射角是散射相位函數中獨立的變量。到達觀察點心的光是沿著整 個觀察路徑Ｓ的所有散射作用結合的結果。 ．１６。 大連理工大學碩士學能論文 光作用于單個粒子時，一般只發(fā)生一次散射，這叫做單散射。對于很小或者很 透明的介質，采用單散射模型。比

51、如純凈的空氣和微小濃度的水蒸氣就屬于這種介 質。光相繼作用于多個粒子時，發(fā)生了多次散射，這叫做多重散射。對于像這樣的 介質只用單散射模型是不能模擬出真實感強的視覺效果。云的模擬就要考慮多重散 射。這樣的介質散射率接近１，濃度高，通過這樣介質的光經過多次散射后，幾乎 都傳播出去。 散射模型模擬了光與介質的相互作用。單散射模型模擬了按單一方向介質對光 的散射情況。在計算機圖形學中，這個方向通常是指向視點的方向，這是因為散射 到視點的光讓我們看到云的樣子。多重散射模型從物理光學的角度來說更加精確， 但是，多重散射模型要求計算所有方向的散射情況，計算多重散射很復雜，需要對 整個球面角

52、積分，代價很高。 事實上，多重散射的大多數路徑是可以忽略的，對視覺效果影響不大，主要受 影響的是沿光線傳播的向前散射周圍的方向和指向視點的方向。本文散射模型進一 步簡化為一個包圍沿光線傳播方向小球面角的多重散射和一個視線方向的單散射 ［２３］。研究表明，組成云的水滴主要發(fā)生這種前向散射。因此，盡管忽略了大多數 的出射光方向，這種散射模型仍然能夠模擬出散射作用的重要視覺效果。Ｈａｒｒｉｓ在 他的博士論文［２４］中給出了～個由云水滴發(fā)生的強前向散射的分析。這個分析結果 為使用的多重前向散射簡化模型提供了更有力的支持，他的研究結果表明僅０．００１ 球面度列‘應的散射量就占總散射量的～

53、半以上。 本文的散射模擬分兩個過程［２５１： ｌ繪制場景前，對云粒子應用簡化的多散射模型，得到云粒子經過光散射作 用后的基本顏色； Ｉ繪制場景中，對云粒子應用觀察方向的單散射模型，得到人眼看到的云粒 子的繪制顏色。 （１）多散射模型 首先，計算方向？的光在任意位置Ｐ的入射光。該入射光幽兩部分組成：～部分 是沒有與其他粒予發(fā)生作用而直接傳輸到Ｐ的光；另一部分是從其他粒子散射到Ｐ 的光。散射模型可以寫成公式３．１。 擘．鼉 一｝ｒ（０ｄｔ世一ｌＫｔ）ａｔ 您咖厶∽－ｅ；十｜如嘞８；舔 ０ （３．１） ．１７． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應川 其中，聯神表示

54、從云的外面來自甜方向的入射光，麗ｆ）表示云在深度ｔ的消光系 數，Ｄｊ，表示沿著光傳播方向Ｐ的深度，ｔｇ表示其他方向的光在Ｐ散射到ｍ方向的 光，由公式３．２計算得到。 ｇ（ｘ，ｍ）＝｛ｒ（ｘ，∞，∞’）ｊ（ｘ，國’）ｄｅｏ‘ ４口 （３．２） 其中，ｇ（ｘ，腳）表示來自所有方向ａ／＇在點ｘ處散射到掰的光。其中，ｒ甌啦∥＞表 示在點ｘ處來自∥的光，有百分之多少散射到了國方向。，☆，設吐，＞可迸一步擴展為 ｒ（ｘ，：ａａ／）＝球）‘《磅．ｐ（璐豌，），口（磚表示菇處的反射率，蘆（燃群０表示相位函數。 模擬完全散射必須沿所有入射方向對ｇ（ｘ；ｍ）積分。Ｈａｒｒｉｓ的散射模型計算光線

55、 傳播方向周圍的很少的多重散射，因此，形＝ｔ和ａ／ｋ—Ｚ。為了實現多重前向散射模 型，列’公式３．２很小的前向方向球面角＇，積分。因為球面角ｒ很小，假定ｙ列應范圍內 的，和ｊ是常量，所以公式３．２可以簡化為熊』）＝聯耳，Ｚ，一０?甄ｘ，－０一Ｙ／４死。 Ｈａｒｒｉｓ計算多重散射的方法是以線性積分的方法為基礎的【２６］。這種方法沿著光 向前傳播的方向從０到上ｂ分成離散段母，ｊ從１到Ｎ，Ｎ是沿著光的傳播方向從０到 上）ｐ的云粒子的數目。那么，得到散射模型的離散形式，如公式３．３。 ＮＮＮ １Ｐ＝１。一ｎｇ?！器?。ｎ ８“女 』。ｌ』２｛ｌ。，＋１ｆ３．３） 其中，如表示在云

56、的邊界上的入射光，ｇ魄０變成毋＝ｍ?露烈厶一ｌ｝）也?燁瓦形式。 為了計算機硬件實現散射模型的計算，將公式３．３轉換成遞歸形式，如公式３．４。 ，ｌｇｋ—ｌ＋２■ｉ?‘一ｌ， ２≤ｋ≤Ｎ ５ ｌ厶， ｋ２ｌ ㈣ 其中，玨２學“?？梢赃@樣直觀地理解公式３．４。從云的外面開始沿著光的方 Ｉ句，每個云粒子融的入射光等于從靠ｌ散射到融的光，再加上通過ｐｂｉ的光（由躁】確 定）。如果３．４的囂展開，那么兩個項里都包含磊ｌ，因此，需要利用圖形硬件可編 程接口來實現公式３．４的遞歸計算。 （２）單散射模型 除了多鶯前向散射外，還要完成散射到視點方向的單散射。Ｈａｒｒｉｓ的單散射遞

57、 歸方程形如公式３．５。 Ｅ女＝ｓｔＩ｝＋疋。Ｅ女一ｌ，ｌ≤ｋ≤Ｎｎ補 一１８。 火連理ｊ：：：大學碩士學位論文 公式３．５與公式３．４有所不尉。這個方程表示，任意云粒子西的出射光礞等于入 射到肼但沒有吸收的光廷‘Ｅ｝－ｌＪＪＩｌ上它散射的光赫。多重前向散射模型計算的是入射 到每個云粒予的光豇，而單散射模型中感興趣的是朝向觀察點的散射情況。鐓由 船舔烈娥書也／４研ｉ－算得到，其中甜表示觀察方向。 這里重要指出，單散射模型３．５使用了多重散射模型３．４的計算結果（矗）。由 于在兩個遞歸運算中都使用了相位方程，可能誤認為在某一位置同一光線作了兩次 散射計算。但并不是這樣，因

58、為多向散射模型計算的是某一位置的入射光，單 散射模型計算的是某一位置的出射光。多重散射３．４中，靠ｌ乘相位方程得到沿光線 方向，■ｊ散射到最的光，單散射３，５中，矗乘相位方程得到晟散射到視線方向的光。 即使視點剛好與光源相對，由于熊的入射光在繪制前存儲起來，并用于繪制時的單 散刺計算，所以，對于同一個云粒子，散射并沒有計算兩次。 （３）相位函數 相位函數ｐｔ輯∥ｊ在公式３．４和公式３．５的計算中起著非常重要的作用。相位函 數確定了對于某給定入射光的散射分布情況。相位函數在【１Ｉ－１４】中都有詳細的討 論，本文采用的是瑞利散射相位函數ｐ（∞２３／４０＋ｃｏｓ。Ｏ），其中０表示入射

59、光和散 射方向的夾角。一般來講，瑞利散射只適用于散射粒子較小的情況。本文選擇瑞利 散射相位函數是因為它的計算比較簡單，而且試驗表明采用這個函數對視覺效果沒 有太大的影響。 ３．３圖形硬件可編程接口實現散射模型 考慮到數學模型公式是遞歸的，可以結合圖形硬件可編程接１：３（如ＯｐｅｎＧＬ或 Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ）加速散射模型的計算【２７】。關鍵的技巧是完成圖形硬件的混色操作和緩沖區(qū) 像素點顏色的回讀。 混色操作就是計算緩沖區(qū)內容和輸入內容的帶權平均值，最后，把結果寫入緩沖區(qū) 中。ＯｐｅｎＧＬ中的混色函數形如公式３．６。 ｅｒｅｓｕｌｔ＝，腓’Ｃ黜＋，船ｔ‘ｃ贏刪ｎｍ 如果，設ｃ贏

60、ｎ２矗，后ｔ２ｌ，島ｍ２髀ｌ，歹‰２弦ｉ，那么，混色操作前幀 緩沖區(qū)指定為而，公式３．４就和公式３．６相當。但是，蠢Ｉ在公式３．４中同時是兩個項的 因子，要計算鳳的遞歸公式，首先必須確定既ｌ的入剁光，這樣，就要用到緩沖區(qū)像素 點顏色的回讀。 完成公式３，４和公式３．５遞歸計算的具體方法如表３．１的方法。 ．１９． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應用 表３．１云粒子照明和繪制過程 Ｔｈｅａｓｅｕｄｏｃｏｄｅｆｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｒｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆｃｌｏｕ—ｄ—ｓ ｓｏｕｒｃｅ＿ｂｌｅｎｄ＿ｆａｃｔｏｒ。ｌ： ｄｅｓｔ＿ｂｌ

61、ｅｎｄ＿ｆａｃｔｏｒ２１一ｓｒｃ＿ａｌｐｈａ； ｔｅｘｔｕｒｅｍｏｄｅ＝ｍｏｄｕｌａｔｅ； ｆ２ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍｌｉｇｈｔ； ｉｆ（ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓ）ｔｈｅｎ 塒＝．１： ｖｉｅｗｃｌｏｕｄｆｒｏｍｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ； ｃｌｅａｒ缸ｄｌＴｌｅｂｕｆｆｅｒｔｏｗｈｉｔｅ； ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．ｓｏｒｔ（＜，ｄｉｓｔａｎｃｅｔｏｌｉｇｈｔ）； ｅｌｓｅ ｖｉｅｗｃｌｏｕｄｆｒｏｍｅｙｅｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．ｓｏｒｔ（＞，ｄｉｓｔａｎｃｅｆｒｏｍｅｙｅ）； ｅｎｄｉｆ ｙ２ｓｏｌｉｄａｎｇｌｅｏｆｐｉｘｅｌｓｔｏｒｅａｄ． ｆｏｒｅａｃｈ

62、ｐａｒｔｉｃｌｅｍ Ｐｌｈａｓｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ鋌，ａｌｂｅｄｏ鯫，ｒａｄｉｕｓ“，ｃｏｌｏｒ，ａｎｄａｌｐｈａ］ ｉｆ（ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓ）ｔｈｅｎ ｃｏｍｐｕｔｅｐｉｘｅｌｓｎｐｎｅｅｄｅｄｔｏｃｏｖｅｒｓｏｌｉｄａｎｇｌｅｙ： ｒｅａｄ珞ｐｉｘｅｌｓｉｎｓｑｕａｒｅａｒｏｕｎｄｐｒｏｊｅｃｔｅｄｃｅｎｔｅｒｏｆｐｌ： 醞２ａｖｅｒａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ唧ｐｉｘｅｌｓ； Ｉ女４＝ｌｉｇｈｔ．＿ｃｏｌｏｒ； ｐ１．ｃｏｌｏｒ＝鯫十矗｝ｉｔ＋ｙ／４兀： 尹＾．ａｌｐｈａ２ｌ—ｅｘｐ（－ｒ１）； ｅｌｓｅ 甜２ｍ．ｐｏｓｉｔｉｏｎ—ｖｉｅｗＡｏｏｓｉｔｉｏｎ； ｅ

63、ｎｄｉｆ ｃ２般ｃｏｌｏｒ＋ｐｈａｓｅ（ｏ／，幻； ｒｅｎｄｅｒ鳳ｗｉｔｈｃｏｌｏｒｃ，ｓｉｄｅ２＋強： ｅｎｄｆｏｒ ———————————————————————————————————一一 場景繪制前的預處理過程，幀緩沖區(qū)設為白色，表明在云的邊界處光線沒有衰減。 云粒子沿著光的傳播方向排序。每繪制一個粒子到幀緩沖區(qū)中，粒子的透明度改變了該 ．２０． 大連理工人學碩士學位論文 粒子覆蓋的幀緩沖區(qū)對應的像素點的顏色，完成了一定量的前向散射。在繪制該粒子 前，來自球面角ｙ的風的入射光通過讀取以腓在屏幕上投影點為中心的小范圍的像素點 的顏色得到。像素點的平均值乘ｒｆｘ．

64、１，∞，五乘以光的濃度（ＲＧＢ值），結果用于計 算公式３．４和公式３．５。 場景繪制過程中，云粒子沿實時變化的觀察方向排序，不回讀緩沖區(qū)像素點。預處 理計算得到的磊在繪制過程中用于計算觀察方向的散射光。 在上面兩個過程中，云粒子都是按照順序繪制成一個小的高斯紋理。紋理的繪制顏 色設為璐’ｒｋ－ｐ（Ｏ），Ｏ＇Ｉｋｆ４耳。預處理過程中表示光的傳播方向，繪制過程中０１表示觀察方 向。本文在實現的氣象演示系統(tǒng)具體編碼過程中，鏹和靠作為常數，分別取８０和０．９。 ３．４加速云的實時繪制速度 通過散射模型的簡化和ＯｐｅｎＧＬ的結合，得到了真實感很好的云模擬結果。但 是，一般的應用要求有很

65、多復雜或者高分辨率的云組成，同時，交互式的應用要求 很高的交互模擬速度。如果，每一幀都對所有的粒子進行繪制，在現有的硬件條件 下幾乎是不可能的。而且，云的模擬只是三維ＧＩＳ應用的一個組成部分，因此，必 須在實時繪制過程中提高速度。本文結合兩種方法加速大規(guī)模粒子云的實時繪制速 度：動態(tài)地生成替代品和三維空間八分樹索引的視景體剪裁。 ３．４．１動態(tài)地生成替代品 圖３．３動態(tài)生成替代圖像的側面圖 Ｆｉｇ?３?３Ａｎｏｕｔｓｉｄｅｖｉｅｗｏｆｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｍｐｏｓｔｏｒｉｍａｇｅｓ 。２１． 三維ＧＩＳ的天氣現象模擬研究與應剛 這早的替代品是指一個半

66、透明的多邊形紋理，用這個紋理替代三維場景中的某 個要繪制的對象，本文替代的對象是靜態(tài)的粒子云。這個替代紋理在視覺誤差允許 范圍內對多個視點有效。對應于某個視點的替代紋理能有效地近似模擬需要繪制的 對象。替代紋理可以預先生成，也可以在需要繪制的時候動態(tài)地生成［２５，２８】。本文 采用文獻［２５】的方法——動態(tài)生成紋理。如圖３．３。為了直觀，圖中白色線表示視景 體，黃色線表示生成的紋理的邊框。 首先，確定視景體位置，視點設在生成替代紋理對應的視點位置，視點嚴格對 應對象的范圍。接下來，設慝臨時緩沖區(qū)，在當前視圖．投影矩陣下繪制靜態(tài)的粒子 云。最后，用ＯｐｅｎＧＬ的接Ｅ１，由屏幕緩沖區(qū)生成紋理，生成云的替代紋理圖像， 釋放Ｉ臨時緩沖區(qū)，恢復原三維場景的緩沖區(qū)。 本文通過找到三維場景中幀與幀之間的一致性，在視覺誤差允許的范圍內，在 多個幀中使用同一個紋理圖像替代云，從而提高云繪制的速度。幀與幀之間的一致 性導致了多個幀的紋理圖像的重用。本文使用誤差估計作為是否需要更新紋理圖像 的條件?！荆玻福葜薪o出了兩個與幀一致性相關的重要的誤差衡量標準。第一個叫做