碩士論文三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用

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1、大連理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 三維GIS的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 姓名：蓋印 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 指導(dǎo)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(rèn)

9、為ＧＩｓ是一個(gè)從現(xiàn)實(shí)世界采集、存貯、轉(zhuǎn)換、顯示空間 數(shù)據(jù)的工具集合； 陀）數(shù)據(jù)庫(kù)定義，認(rèn)為ＧＩＳ是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)庫(kù)里的大多數(shù)數(shù)據(jù)能被索引 和操作，以回答各種各樣的問(wèn)題； （３）基于組織機(jī)構(gòu)的定義，認(rèn)為ＧｉＳ是一個(gè)功能集合，能夠存貯、檢索、操作和顯 示地理數(shù)據(jù)，是一個(gè)集數(shù)據(jù)庫(kù)、專家和持續(xù)經(jīng)濟(jì)支持的機(jī)構(gòu)團(tuán)體和組織結(jié)構(gòu)， 提供解決環(huán)境問(wèn)題的各種決策支持。 基于工具箱的定義強(qiáng)調(diào)對(duì)地理數(shù)據(jù)的各種操作，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的定義強(qiáng)調(diào)用來(lái)處理空 間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組織的差異，而基于組織的定義強(qiáng)調(diào)機(jī)構(gòu)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(rèn)為“Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ

10、ａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ”主要用來(lái)區(qū)分純粹的二維ＧＩＳ與 三維ＧＩＳ。為區(qū)分三維ＧＩＳ與現(xiàn)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(diǎn)，認(rèn)為三維ＧＩＳ是布滿整個(gè)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(xiàn)在空間位置與拓?fù)潢P(guān)系的描述及空間分析 的伸展方向上。三維ＧＩＳ加上對(duì)時(shí)間維的處理，即為四維ＧＩＳ［１，２１。 １．１．２三維ＧＩＳ的研究現(xiàn)狀 三維ＧＩＳ理論和技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，已取得了很大成果，并且在應(yīng)用要求 較為強(qiáng)烈的某些專業(yè)部門，如采礦、地質(zhì)、石油等領(lǐng)域建立～些具體系統(tǒng)。但迄今為止

11、仍沒(méi)有一套系統(tǒng)完整的理論，沒(méi)有成功的通用平臺(tái)，因此在以后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)三維 Ｇ１Ｓ將是發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容。以下從三維數(shù)據(jù)獲取、三維空間數(shù)據(jù)模型、三維拓?fù)潢P(guān) 系的描述和表達(dá)、三維可視化和三維空間分析等幾方面評(píng)述了三維ＧＩＳ研究進(jìn)展［３】。 （１）三維數(shù)據(jù)的獲取 由于理論和技術(shù)水平的限制，三維空間信息的獲取能力相對(duì)較弱是阻礙三維ＧＩＳ發(fā) 展的一個(gè)重要原因。一旦能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間信息的實(shí)時(shí)廉價(jià)獲取，三維ＧＩＳ將會(huì)有更迅 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 猛的發(fā)展。目前常用的三維數(shù)據(jù)獲取方法主要有：地形圖和建筑圖紙相結(jié)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(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)。 但）三維空間數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種抽象、歸類及簡(jiǎn)化的描述。三維空間數(shù)據(jù)模型是 研究三維空問(wèn)的幾何對(duì)象的數(shù)據(jù)組織、操作方法以及規(guī)則約束條件等內(nèi)容的集合。典型 的三維空問(wèn)數(shù)據(jù)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(duì)象視為體單元的集合［４，５】?，F(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型可以分為基于柵格 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型、基于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型和混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型。 （３）三維窄間關(guān)系捕述和表達(dá) 完備和形式化的空間關(guān)系描述與表達(dá)是設(shè)計(jì)空間查詢語(yǔ)言的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)有效空間 查詢的前提，同時(shí)也是空間分析的基礎(chǔ)?？諉?wèn)關(guān)系包括度量關(guān)系、拓?fù)?/p>

13、關(guān)系和方向關(guān)系 三類。其中，度量關(guān)系是定量關(guān)系，拓?fù)潢P(guān)系和方向關(guān)系屬于定性關(guān)系，在定量和定性 關(guān)系之間可以相互轉(zhuǎn)化。度量關(guān)系指描述目標(biāo)關(guān)系的某種度量空問(wèn)中的數(shù)值量，如距 離。拓?fù)潢P(guān)系，即拓?fù)渥儞Q下的拓?fù)洳蛔兞?，它只考慮空間實(shí)體間的位置關(guān)系，如相 鄰、相交?？臻g關(guān)系表達(dá)指存儲(chǔ)和組織空間目標(biāo)問(wèn)的空間關(guān)系并構(gòu)建相應(yīng)的檢索方法。 為了表達(dá)三維空間對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系，一些學(xué)者開發(fā)了基于拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)模型。 （４）三維可視化 隨著三維圖形硬件芯片的出現(xiàn)和ＯｐｅｎＧＬ、Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ三維軟件標(biāo)準(zhǔn)的建立，地形三 維可視化逐漸由夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。地形的可視化是－－ｆｑ以研究數(shù)字地形模型或數(shù)字高程

14、域的顯示、簡(jiǎn)化、仿真等內(nèi)容的學(xué)科，它屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)分支。它的應(yīng)用涉及 地理信息系統(tǒng)（ＧＩＳ）、虛擬與現(xiàn)實(shí)（ＶＲ）、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真、娛樂(lè)與游戲、地形的穿越 飛行、土地管理與利用、氣象數(shù)據(jù)的可視化等領(lǐng)域。三維可視化是三維ＧＩＳ的一項(xiàng)基本 功能。在建立、維護(hù)和使用三維ＧＩＳ系統(tǒng)的各個(gè)階段，不論三維對(duì)象的輸入、編輯、存 儲(chǔ)、管理，還是對(duì)它們進(jìn)行操作分析或是輸出結(jié)果，都存在三維對(duì)象的幾何建模與三維 可視表達(dá)問(wèn)題［６］。 （５）三維空間分析 ＧＩＳ的核心是空問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)、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(jìn)行空間揉作與分析，并對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維表達(dá)與管理?？臻g分析應(yīng)

15、該是面向 用戶的，通過(guò)空間分析解決用戶特定的問(wèn)題，為決策者直接提供決策支持。但是，由于 現(xiàn)在三維ＧＩＳ空ｆ剛分析的種類及數(shù)量都很少，只能滿足簡(jiǎn)單的編輯、管理、查詢和顯示 要求，不能做到?jīng)Q策層次上來(lái)。因此，研究開發(fā)ＧＩＳ的基本空間分析及將各領(lǐng)域的專家 ，２． 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 知識(shí)嵌入ＧＩＳ中，是三維ＧＩＳ發(fā)展的一個(gè)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(yīng)包括針對(duì)三維空間對(duì)象的特殊分析功能，具體包括：空間查詢、空 間量測(cè)、疊置分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、地形分析、剖面分析和空間統(tǒng)計(jì)分析。 １．１．３三維ＧＩＳ在氣象方面的發(fā)展現(xiàn)狀 目前在氣象預(yù)報(bào)

16、相關(guān)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要包括數(shù)據(jù) 庫(kù)、數(shù)據(jù)處理、決策支持、多媒體演示、氣象服務(wù)系統(tǒng)、基于Ｗｅｂ的應(yīng)用等。然而， ＧＩＳ技術(shù)在氣象方面的應(yīng)用只是局限于氣象數(shù)據(jù)處理、ＷｅｂＧｌＳ監(jiān)控系統(tǒng)等，可以說(shuō)， Ｇ］Ｓ技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)相關(guān)領(lǐng)域還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。 隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展，氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域與之相關(guān)需求也 不斷提出。目前幾乎所有的電視天氣預(yù)報(bào)都是通過(guò)圖、表、文字、數(shù)字、符號(hào)等信息為 觀眾提供近期天氣情況，而沒(méi)有將真實(shí)的天氣情況直觀的展現(xiàn)出來(lái)。雖然說(shuō)觀眾已經(jīng)習(xí) 慣了這種方式，但是，將天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)用可視化的方式展示給用戶一定會(huì)成為未來(lái)發(fā)展 的

17、趨勢(shì)。同時(shí)隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，也將進(jìn)一步促進(jìn)三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān) 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。 ； 目前三維ＧＩＳ技術(shù)還沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域，三維ＧＩＳ技術(shù)在氣象模擬 研究領(lǐng)域僅僅是用來(lái)研究的工具。氣象模擬的研究成果被推向應(yīng)用，特別是存在大量地 形、地物數(shù)據(jù)的應(yīng)用，主要面臨兩方面的困難： （１）天氣現(xiàn)象的三維模擬算法的實(shí)現(xiàn) 由于天氣現(xiàn)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(shè)計(jì)有效的 算法模擬多變的、沒(méi)有穩(wěn)定變化規(guī)律的天氣現(xiàn)象，這是實(shí)現(xiàn)上的首要問(wèn)題。同時(shí)氣象數(shù) 據(jù)的復(fù)雜程度也很大程度上影響了算法有效的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。雖然目前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)水 平得到了迅猛的發(fā)展

18、，但是在算法上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的難度仍然是制約氣象模擬的一個(gè)瓶 頸。 （２）三維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量、計(jì)算量與系統(tǒng)效率、效果之間的矛盾問(wèn)題 對(duì)于氣象預(yù)報(bào)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)不僅有大量的氣象數(shù)據(jù)需要處理和計(jì)算，同時(shí)還有海 量的地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等。從系統(tǒng)應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，不僅要將各類天氣現(xiàn)象模擬出 來(lái)，而且還需要考慮系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大帶來(lái)的一系列問(wèn)題。 最近幾年，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的不斷提高，加之天氣現(xiàn)象的三維模擬算法的改 迸，氣象模擬研究工作已經(jīng)取得了較大的進(jìn)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(shè)計(jì)比較復(fù)雜，計(jì)算最大，單純演示 天氣現(xiàn)象就需要極高的計(jì)算

19、機(jī)配置。這些算法往往不能有效的融入到應(yīng)用系統(tǒng)中去，其 －３， 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 主要原因就是沒(méi)有考慮應(yīng)用自身的其它問(wèn)題，比如海量地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)等。也就是 說(shuō)，麗向應(yīng)用的時(shí)候要解決一個(gè)重要的問(wèn)題：系統(tǒng)效率和演示效果的矛盾。最終實(shí)現(xiàn)的 應(yīng)用既要有好的數(shù)據(jù)建模效率，又要有良好的演示效果。 １．２天氣和天氣現(xiàn)象 天氣與人們的生產(chǎn)、生活以及軍事活動(dòng)的關(guān)系十分密切。人類預(yù)測(cè)天氣的愿望和要 求由來(lái)已久。起初人們根據(jù)肉眼觀測(cè)到的天象、物象來(lái)判斷當(dāng)?shù)靥鞖夂蜌夂虻淖兓?。? 來(lái)人們把長(zhǎng)期觀察到的天氣現(xiàn)象與天象、物象問(wèn)的聯(lián)系，用于預(yù)報(bào)天氣。本章介紹的各 種天氣現(xiàn)象的概念和

20、理論均來(lái)自文獻(xiàn)【７，８】。 給出天氣和】天氣現(xiàn)象在氣象學(xué)中的概念如下： 一天氣是指經(jīng)常不斷變化著的大氣狀態(tài)，既是一定時(shí)惻和空間內(nèi)的大氣狀態(tài)，也 是大氣狀態(tài)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的連續(xù)變化。所以可以理解為天氣現(xiàn)象和天氣過(guò) 程的統(tǒng)稱。 一天氣現(xiàn)象是指發(fā)生在大氣中的各種自然現(xiàn)象，即某瞬時(shí)內(nèi)大氣中各種氣象要素 （如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)、云、霧、雨、雪、霜、雷、雹等）空間分布的綜 合表現(xiàn)。 下面介紹的幾種天氣現(xiàn)象是本文后面章節(jié)主要研究的內(nèi)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(jiǎn)稱大氣。由 于地球引力的作用，大氣質(zhì)量的１／２集中在６千米高度以下，３／

21、４質(zhì)量集中在ｌＯ千米高 度以下，９９％的質(zhì)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(zhì)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(duì)地球上生物有著重要的作用。同時(shí)，在大氣中進(jìn)行著各種不同的物理過(guò)程， 產(chǎn)生著各種不同的物理現(xiàn)象。大氣中有時(shí)風(fēng)起云涌，雨雪紛飛；有時(shí)云消風(fēng)靜，晴空蔚 藍(lán)。這些天氣現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，直接或間接地與大氣的成分、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)有關(guān)，所 以，對(duì)大氣的研究能使我們更逼真地模擬各種天氣現(xiàn)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(fù)雜的介質(zhì)。～方

22、面，大氣是可以被 光穿透的連續(xù)介質(zhì)，當(dāng)日月光或其它光源發(fā)出的光在大氣中傳播時(shí)，會(huì)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(huì)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(fù)雜運(yùn)動(dòng)之中。大氣 ．４． 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 對(duì)光的折射、衍射、散射和吸收作用是復(fù)雜多交的，從而形成了多種多樣、絢麗多彩的 大氣光學(xué)現(xiàn)象，它們可作為未來(lái)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(guò)蒸發(fā)或蒸騰成水汽進(jìn)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(huì)凝結(jié)或凝

23、華 成云霧滴。若云霧滴迸一步增大就會(huì)形成降水。所以，蒸發(fā)、凝結(jié)、云的形成及云中降 水所有這些過(guò)程都是緊密相聯(lián)的，它們各是整個(gè)自然界水分循環(huán)的個(gè)別環(huán)節(jié)。 １．３本文的研究?jī)?nèi)容及組織方式 本課題屬于Ｇ１Ｓ的三維可視化研究領(lǐng)域，研究要解決的問(wèn)題是幾種主要的天氣現(xiàn)象 的真實(shí)感模擬和實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。 具體研究?jī)?nèi)容和組織方式如下： ●緒論。介紹三維ＧＩＳ的定義、研究現(xiàn)狀及在氣象方面的發(fā)展情況：描述幾 種常見的天氣現(xiàn)象；闡述本文的研究?jī)?nèi)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(shù)；完成天空背景的三角形分割繪制。 ＿云的模擬研究。結(jié)合圖形

24、硬件可編程接口完成Ｈａｒｒｉｓ的光散射簡(jiǎn)化模型計(jì) 算；采用八分樹索引技術(shù)和三維空間對(duì)象替代紋理繪制技術(shù)加速大規(guī)模粒 子云的實(shí)時(shí)繪帶４速度。 一雨和雪的模擬研究。完成通用、高效、可擴(kuò)展的粒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)基于 粒子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)降雨和降雪仿真。 一天氣現(xiàn)象模擬研究的應(yīng)用。介紹某戰(zhàn)區(qū)氣象演示系統(tǒng)；具體展示了本文研 究?jī)?nèi)容的應(yīng)用效果。 ．５． 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 ２天空背景的模擬研究 天氣現(xiàn)象的模擬一般都要以天空作為背景，但是對(duì)天空的模擬并不是單純地畫一片 藍(lán)色那樣簡(jiǎn)單，天空顏色是隨著時(shí)間和空間的變化而變化的。 大氣散射物理學(xué)對(duì)于理解天空顏色是至關(guān)重要的，但是

25、，物理精衡陛并不是本章研 究的重點(diǎn)。研究的主要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)符合視覺(jué)效果的天空背景生成和繪制算法，研究的主 要目標(biāo)是視覺(jué)上的真實(shí)感，研究的目的是模擬出天空顏色隨著太陽(yáng)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(wù)。 ２．１天空顏色的變化規(guī)律 太陽(yáng)光在到達(dá)地球表面前要經(jīng)過(guò)大氣的吸收、散射、反射或折射。人的眼睛根據(jù)可 見光的波長(zhǎng)分辨出不同強(qiáng)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(duì)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(zhì)中存 在的微小粒子（異質(zhì)體）或者分子

26、對(duì)光的作用，使光偏離原來(lái)的傳播方向而向四周傳播 的現(xiàn)象。介質(zhì)的大小和波長(zhǎng)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(qiáng)度和介子大小與入射 光波長(zhǎng)之間的比率有關(guān)。如果介質(zhì)大小相對(duì)小于入射光波長(zhǎng)（“＾／１０），發(fā)生的是 瑞利散射；如果介子相對(duì)較大（ｒ≥＾／１０），發(fā)生的是米氏散射［１０．１４］。 純凈的天空呈現(xiàn)出藍(lán)色是光在大氣中傳播的過(guò)程中發(fā)生散射的結(jié)果。根據(jù)瑞利散射 定律，紫色和藍(lán)色光的散射強(qiáng)度較大，黃色和紅色光的散射強(qiáng)度較小。再加上眼睛對(duì)紫 色光相對(duì)不敏感。所以純凈的天空一般呈現(xiàn)出藍(lán)色。大氣中還有一定數(shù)量的塵埃和

27、水 汽。這些異構(gòu)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(lán)色。 天空的顏色和明暗的變化也是很復(fù)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(yáng)位置有關(guān)。如圖２．１所示。圖２．１中，天頂表示天空的至高 點(diǎn)，觀察路徑表示觀察的方向，‰：表示太陽(yáng)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(yáng)方向與視線方向的夾角。 人眼觀察到的天空顏色可以總結(jié)為以下三個(gè)效果合成的結(jié)果【９】： ●朝向太陽(yáng)的方向，天空的亮度逐漸增強(qiáng)，顏色逐漸變白。如圖２．２陽(yáng)）。 一太陽(yáng)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(qiáng)，顏色由深藍(lán)逐漸變自。如圖２．２ｆｃ）。 ．６． 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ，一圖２．１天空顏色變化規(guī)律中使用的角度參數(shù) Ｆｉｇ．２．１Ｔｈｅａｎｇｌｅｓａｂｏｕｔｔｈｅｒｕｌｅｏｆｔｈｅｓｋｙｃｏｌｏｒａｓｔｈｅｙａｒｅｕｓｅｄ （ａ）太陽(yáng)周圍明亮區(qū)域（ｂ）天空最暗藍(lán)色最濃區(qū)域（ｃ）接近地平線漸變 圖２．２天空顏色受三個(gè)主要效果的影響 Ｆｉｇ?２．２Ｔｈｅｃｏｌｏｒｏｆｔｈｅｓｋｙｃａｎｂｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｓａｎｉｎｔｅｒｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｒｅｅｅｆｆｅｃｔｓ 第一個(gè)效果是米氏散射的結(jié)果。米氏散射的對(duì)方向的強(qiáng)烈依賴性，導(dǎo)致了朝著 太陽(yáng)方向亮度迅速變化，米氏

29、散射對(duì)光波波長(zhǎng)的較弱依賴導(dǎo)致了亮白色。 第二個(gè)效果是瑞利散射的結(jié)果。由瑞利散射定律得出，太陽(yáng)視線夾角Ｂ為９０度 時(shí)，散射強(qiáng)度最小。 第三個(gè)效果是大氣濃度的結(jié)果。大氣對(duì)藍(lán)光和紫光的散射較強(qiáng)，對(duì)紅光和黃光 的散射較弱。藍(lán)光和紫光對(duì)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(xiàn)象模擬研究與應(yīng)剛 ２．２天空顏色生成算法 ２．２，１需解決問(wèn)題 大氣散射導(dǎo)致了天空背景顏色和亮度的變化。模擬天空背景也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 研究的熱點(diǎn)之一。在這方面有很多相關(guān)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(diǎn)的光譜分布。即使對(duì)散射方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，解析散

30、射方程 仍然很復(fù)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(diǎn)，本章的目 的是實(shí)現(xiàn)符合視覺(jué)效果的天空背景生成和實(shí)時(shí)繪制算法。 根據(jù)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(jìn)一步總結(jié)如下： 一天空的基本顏色和基本亮度與時(shí)間有關(guān)。根據(jù)時(shí)間預(yù)先確定幾個(gè)采樣值。例 如：黎明和黃昏的時(shí)候，呈現(xiàn)暖色。 一時(shí)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(guān)?？梢? 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(gè) 高度的天空顏色。 一時(shí)問(wèn)一定的情況下，天空亮度的變化主要和太陽(yáng)視線角度有關(guān)?？梢圆捎? 在角度為０和９０之問(wèn)按照一定的變化規(guī)律作插值，得到

31、某個(gè)角度位置的天 空背景的亮度。 由這些規(guī)律可知，關(guān)鍵是要找到符合這些變化規(guī)律的特征函數(shù)。目前，一些比 較流行的三維動(dòng)畫和游戲的做法都是采用簡(jiǎn)單的線性內(nèi)插法［１５］，即認(rèn)為特征函數(shù) 是線性函數(shù)。但是這并不符合人們視覺(jué)上的效果。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出了兩個(gè) 特征函數(shù)：顏色隨高度變化的特征函數(shù)和亮度隨角度變化的特征函數(shù)。 ２．２．２方法描述 （１）根據(jù)時(shí)間確定天空的基本顏色和亮度 應(yīng)用特征函數(shù)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(gè)預(yù) 先指定的常量，這幾個(gè)常量存放在常量寄存器中。如表２．１。這些常量值都是根據(jù)經(jīng) 驗(yàn)從視覺(jué)效果出發(fā)而設(shè)定的。 具體的做法是，根據(jù)時(shí)間

32、判斷當(dāng)前時(shí)刻所處時(shí)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(yīng)值賦值給相應(yīng)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(jù)常量寄存器中 的內(nèi)容作線性插值，把插值結(jié)果賦值給相應(yīng)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(jì)算。 ．８． 大連理ｊ：大學(xué)碩士學(xué)位論文 表２．１確定天空基本顏色和亮度預(yù)先指定的常量表 ｆＳｕｎＲｉｓｅＴｉｍｅ日出的時(shí)間 ｆＳｕｎＳｅｔＴｉｍｅ日落的時(shí)間 ｆＤａｗｎＴｉｍｅＤｅｌｔａ黎明時(shí)間段 ｆＤｕｓｔＴｉｍｅＤｅｌｔａ黃昏時(shí)間段 ｆＮｉｇｈ

33、ｔＬｕｍ夜晚的基本亮度系數(shù) ｆＤａｙＬｕｍ白天的基本亮度系數(shù) ｖＳｕｍＭｍｘＬｕｍ太陽(yáng)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?shù)念伾ǎ遥牵拢? ｖＤａｗｎＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ黎明地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＤａｗｎＺｅｎｉｔｈＣｏｌ黎明天頂?shù)念伾ǎ遥牵拢? ｖＤｕｓｔＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ黃昏地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＤｕｓｔＺｅｎｉｔｈＣｏｌ黃昏天頂?shù)念伾ǎ遥牵拢? ｖＮｉｇｈｔＨｏｒｉｚｏｎＣｏｌ夜晚地平線的顏色（ＲＧＢ） ｖＮｉｇｈｔＺｅｎｉｔｈＣｏｌ夜晚

34、天頂?shù)念伾ǎ遥希拢? （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?shù)降仄骄€的顏色是逐漸變化 的，這種變化不是簡(jiǎn)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(guò)觀 察和試驗(yàn)，找到一個(gè)符合這種變化規(guī)律的特征函數(shù)，形如公式２．１。公式２．１采用對(duì)天 空上某個(gè)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(shù)越高，天項(xiàng)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(zhǎng)度，天頂時(shí)值為１，地平線處值為Ｏ。 對(duì)天空背景上的某個(gè)位置計(jì)算

35、出具體的特征函數(shù)值，把函數(shù)值作為該位置的權(quán)值， 在天頂和地平線顏色間作內(nèi)插，得到該位置對(duì)應(yīng)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(yáng)成９０度角的天空位置最暗，這是瑞利散射 的結(jié)果。這種變化不是簡(jiǎn)單的線性變化，通過(guò)觀察和試驗(yàn)，提出符合這一規(guī)律的特 ．．９．． 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)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(guó)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(diǎn)矢量Ｙ分量變化的特征函數(shù) Ｆｉｇ．２．３Ｔｈｅ

39、ｆｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈａｔｔｈｅｓｋｙｃｏｌｏｒｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌＹｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｎｏｒｍａｌｓｏｆｔｈｅｓｋｙｄｏｍｅ 表２．３插值計(jì)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(shù)

40、Ｆｉｇ．２．４Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｔｈａｔｔｈｅｓｋｙｌｕｍｉｎａｎｃｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｈｅ ａｎｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｕｎａｎｄｔｈｅｖｉｅｗｐａｔｈ 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)月｛｜ 表２．４插值計(jì)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(shù)，形如公式２．２。公式２．２采用對(duì)太陽(yáng)視線夾角ｅ的余弦值求指數(shù)的方法。 ，＝ＣＯＳ２日ｒ７７、 這里選擇指數(shù)為２。如圖２．４。由于太陽(yáng)距離地球很遠(yuǎn)，本文假設(shè)觀察位罨始終 位于天空?qǐng)A頂屋的球心位置。對(duì)天空背景上的某具體位置計(jì)算出特征函數(shù)值，把函 數(shù)值作為該位置的權(quán)值，在太陽(yáng)最大亮度和太陽(yáng)最小亮度間作內(nèi)插

42、，得到該位置對(duì) 應(yīng)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(jì)算的結(jié)果綜合得到。 ｖＣｏｌｏｒ＜－－ｖＣｏｌｏｒｄｏｔｖＬｕｍ＋ｆＬｔｉｍ ２．３實(shí)時(shí)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(gè)半球形的圓頂屋。這個(gè)圓頂屋和地球的地理坐標(biāo)系統(tǒng)類 似，使用一系列的經(jīng)線和緯線【９，１５】。這樣模擬的結(jié)果是，在天頂?shù)牡胤綀A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(diǎn)級(jí)的，也就是說(shuō)，利用ＯｐｅｎＧＬ的光柵處理可編程 接口實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間顏色和亮度的平滑過(guò)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(guān)系，分解的三角形要盡量均勻。改進(jìn)后的分解效果如圖２．５ｆｂ）所 示。 ．１２． 大連理一［大學(xué)碩士學(xué)位論文 （ａ）基于經(jīng)緯線的方法（ｂ）改進(jìn)后的方法 圖２．５天空?qǐng)A頂屋分解結(jié)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(gè)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(zhǎng)變化量相等。由 此，沒(méi)相鄰緯線上的節(jié)點(diǎn)變化量相等，比如，第一條緯線圈有８?jìng)€(gè)節(jié)點(diǎn)，第二條緯 線圈就有１６個(gè)節(jié)點(diǎn)，第三條緯線圈就有２４個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此類推。具體分割方

44、法如表 ２．５所示。 表２．５生成天空?qǐng)A頂屋改進(jìn)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(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 ————————＿——————————＿－－

46、－＿＿——＿—ｒ—＿●—－＿—＿——————————————＿－＿●＿－●＇＿＿＿－—————＿一 ２．３．２繪制天空背景 計(jì)算天空顏色就是計(jì)算生成天空形態(tài)的半球形圓頂屋上的所有節(jié)點(diǎn)的顏色，把 ＯｐｅｎＧＬ的節(jié)點(diǎn)可編程接口參數(shù)設(shè)定為連續(xù)三角形平滑繪制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)天空背景的 繪制。具體繪制三角形的過(guò)程要通過(guò)很多復(fù)雜繁瑣的判斷條件，方法見附錄Ａ。 ．１４．． 大連理工人學(xué)碩士學(xué)靜論文 ３云的模擬研究 云是一種重要的天氣現(xiàn)象，不僅美觀性和易變性令人驚嘆，更是人們預(yù)測(cè)天氣變化 的重要依據(jù)。但是，由于云本身形成變化過(guò)程的復(fù)雜性和光的作用使得云的模擬和實(shí)時(shí) 繪制很困難。月前，對(duì)云的模

47、擬還停留在簡(jiǎn)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(shí)，尤其是在三維場(chǎng)景交互式的應(yīng)用中，用戶一般要求飛躍穿過(guò)真實(shí) 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(fēng)和其他力（如浮力） 的作用下做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，此外，為了增強(qiáng)云的真實(shí)感還需要考慮太陽(yáng)光的照明以及云的 內(nèi)散射作用。 本文云模擬研究的重點(diǎn)是模擬應(yīng)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程。也就是說(shuō)，可以預(yù)先對(duì)靜態(tài)粒子云建模，假設(shè)云粒子的彼 此｝１１對(duì)位置不變。這樣，研究的重點(diǎn)內(nèi)容就是：完成云的光散射作用模型以模擬真實(shí) 感；加快云的實(shí)時(shí)繪制速度以滿足二維交互式系統(tǒng)

48、的需求。 ３．１兩個(gè)層次的云建模 云建模要解塊的問(wèn)題是，如何用計(jì)算機(jī)表示云，如何生成和組織表示云的數(shù) 據(jù)。如果對(duì)組成云的每個(gè)微小水滴都做明確的描述，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)硬件日前的 計(jì)算相存儲(chǔ)能力，凼此大多數(shù)的研究方法采用粗略的模型【１９】。 圖３．１兩個(gè)層次的粒子云建模過(guò)程 Ｆｉｇ。３．１Ｔｈｅｃｌｏｕｄｍｏｄｅｌｉｎｇｗｉｔｈｔｗｏｌｅｖｅｌｓ ．１５． 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)Ｊ【１＝｛ 本文采用的是兩個(gè)層次的粒子云建模方法。假定粒子云的每個(gè)粒子粗略地代表 了一個(gè)類似球形的空間對(duì)象，每個(gè)粒子的濃度由一個(gè)高斯算法生成的小紋理圖片表 示，濃度由中心遞減。每個(gè)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(guò)兩個(gè)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(jié)合隨機(jī)數(shù)把每個(gè)立方體細(xì)化成粒子，通過(guò)生成隨機(jī)數(shù)和相應(yīng)的參 數(shù)控制每個(gè)粒子的大小和濃度。最后，把生成的云的基本粒子數(shù)據(jù)寫入文件，完成 云建模過(guò)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(zhì)相互作用的結(jié)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(shí)感的云，就是要模擬出光和組成云的水滴相互作用 的視覺(jué)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(gè)重要的有關(guān)光散射的基本概念，主要來(lái)自文獻(xiàn)【２ｌ，２２】。 圖３．２光在大氣中的散射 Ｆｉｇ．３．２Ｔｈｅｌｉｇｈｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ 圖３．２展示了一個(gè)簡(jiǎn)單散射活動(dòng)，即來(lái)自太陽(yáng)的光在點(diǎn)Ｐ散射到觀察方向。經(jīng) 過(guò)了一次或多次散射的光也可能到達(dá)點(diǎn)Ｐ發(fā)生散射。觀察方向和太陽(yáng)光之間的夾角 寄叫做散射角。散射角是散射相位函數(shù)中獨(dú)立的變量。到達(dá)觀察點(diǎn)心的光是沿著整 個(gè)觀察路徑Ｓ的所有散射作用結(jié)合的結(jié)果。 ．１６。 大連理工大學(xué)碩士學(xué)能論文 光作用于單個(gè)粒子時(shí)，一般只發(fā)生一次散射，這叫做單散射。對(duì)于很小或者很 透明的介質(zhì)，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(zhì)。光相繼作用于多個(gè)粒子時(shí)，發(fā)生了多次散射，這叫做多重散射。對(duì)于像這樣的 介質(zhì)只用單散射模型是不能模擬出真實(shí)感強(qiáng)的視覺(jué)效果。云的模擬就要考慮多重散 射。這樣的介質(zhì)散射率接近１，濃度高，通過(guò)這樣介質(zhì)的光經(jīng)過(guò)多次散射后，幾乎 都傳播出去。 散射模型模擬了光與介質(zhì)的相互作用。單散射模型模擬了按單一方向介質(zhì)對(duì)光 的散射情況。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，這個(gè)方向通常是指向視點(diǎn)的方向，這是因?yàn)樯⑸? 到視點(diǎn)的光讓我們看到云的樣子。多重散射模型從物理光學(xué)的角度來(lái)說(shuō)更加精確， 但是，多重散射模型要求計(jì)算所有方向的散射情況，計(jì)算多重散射很復(fù)雜，需要對(duì) 整個(gè)球面角

52、積分，代價(jià)很高。 事實(shí)上，多重散射的大多數(shù)路徑是可以忽略的，對(duì)視覺(jué)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(diǎn)的方向。本文散射模型進(jìn)一 步簡(jiǎn)化為一個(gè)包圍沿光線傳播方向小球面角的多重散射和一個(gè)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(shù) 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(jué)效果。Ｈａｒｒｉｓ在 他的博士論文［２４］中給出了～個(gè)由云水滴發(fā)生的強(qiáng)前向散射的分析。這個(gè)分析結(jié)果 為使用的多重前向散射簡(jiǎn)化模型提供了更有力的支持，他的研究結(jié)果表明僅０．００１ 球面度列‘應(yīng)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(gè)過(guò)程［２５１： ｌ繪制場(chǎng)景前，對(duì)云粒子應(yīng)用簡(jiǎn)化的多散射模型，得到云粒子經(jīng)過(guò)光散射作 用后的基本顏色； Ｉ繪制場(chǎng)景中，對(duì)云粒子應(yīng)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(jì)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(méi)有與其他粒予發(fā)生作用而直接傳輸?shù)剑械墓?；另一部分是從其他粒子散射到? 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(xiàn)象模擬研究與應(yīng)川 其中，聯(lián)神表示

54、從云的外面來(lái)自甜方向的入射光，麗ｆ）表示云在深度ｔ的消光系 數(shù)，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(jì)算得到。 ｇ（ｘ，ｍ）＝｛ｒ（ｘ，∞，∞’）ｊ（ｘ，國(guó)’）ｄｅｏ‘ ４口 （３．２） 其中，ｇ（ｘ，腳）表示來(lái)自所有方向ａ／＇在點(diǎn)ｘ處散射到掰的光。其中，ｒ甌啦∥＞表 示在點(diǎn)ｘ處來(lái)自∥的光，有百分之多少散射到了國(guó)方向。，☆，設(shè)吐，＞可迸一步擴(kuò)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(shù)。 模擬完全散射必須沿所有入射方向?qū)Γ纾ǎ唬恚┓e分。Ｈａｒｒｉｓ的散射模型計(jì)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(shí)現(xiàn)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?yàn)榍蛎娼牵蚝苄。俣ǎ袘?yīng)范圍內(nèi) 的，和ｊ是常量，所以公式３．２可以簡(jiǎn)化為熊』）＝聯(lián)耳，Ｚ，一０?甄ｘ，－０一Ｙ／４死。 Ｈａｒｒｉｓ計(jì)算多重散射的方法是以線性積分的方法為基礎(chǔ)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(shù)目。那么，得到散射模型的離散形式，如公式３．３。 ＮＮＮ １Ｐ＝１。一ｎｇ?！器亍＃? 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(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)散射模型的計(jì)算，將公式３．３轉(zhuǎn)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(xué)“?？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(gè)云粒子融的入射光等于從靠ｌ散射到融的光，再加上通過(guò)ｐｂｉ的光（由躁】確 定）。如果３．４的囂展開，那么兩個(gè)項(xiàng)里都包含磊ｌ，因此，需要利用圖形硬件可編 程接口來(lái)實(shí)現(xiàn)公式３．４的遞歸計(jì)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(diǎn)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(bǔ) 一１８。 火連理ｊ：：：大學(xué)碩士學(xué)位論文 公式３．５與公式３．４有所不尉。這個(gè)方程表示，任意云粒子西的出射光礞等于入 射到肼但沒(méi)有吸收的光廷‘Ｅ｝－ｌＪＪＩｌ上它散射的光赫。多重前向散射模型計(jì)算的是入射 到每個(gè)云粒予的光豇，而單散射模型中感興趣的是朝向觀察點(diǎn)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(jì)算結(jié)果（矗）。由 于在兩個(gè)遞歸運(yùn)算中都使用了相位方程，可能誤認(rèn)為在某一位置同一光線作了兩次 散射計(jì)算。但并不是這樣，因

58、為多向散射模型計(jì)算的是某一位置的入射光，單 散射模型計(jì)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(diǎn)剛好與光源相對(duì)，由于熊的入射光在繪制前存儲(chǔ)起來(lái)，并用于繪制時(shí)的單 散刺計(jì)算，所以，對(duì)于同一個(gè)云粒子，散射并沒(méi)有計(jì)算兩次。 （３）相位函數(shù) 相位函數(shù)ｐｔ輯∥ｊ在公式３．４和公式３．５的計(jì)算中起著非常重要的作用。相位函 數(shù)確定了對(duì)于某給定入射光的散射分布情況。相位函數(shù)在【１Ｉ－１４】中都有詳細(xì)的討 論，本文采用的是瑞利散射相位函數(shù)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(lái)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(shù)是因?yàn)樗挠?jì)算比較簡(jiǎn)單，而且試驗(yàn)表明采用這個(gè)函數(shù)對(duì)視覺(jué)效果沒(méi) 有太大的影響。 ３．３圖形硬件可編程接口實(shí)現(xiàn)散射模型 考慮到數(shù)學(xué)模型公式是遞歸的，可以結(jié)合圖形硬件可編程接１：３（如ＯｐｅｎＧＬ或 Ｄｉｒｅｃｔ３Ｄ）加速散射模型的計(jì)算【２７】。關(guān)鍵的技巧是完成圖形硬件的混色操作和緩沖區(qū) 像素點(diǎn)顏色的回讀。 混色操作就是計(jì)算緩沖區(qū)內(nèi)容和輸入內(nèi)容的帶權(quán)平均值，最后，把結(jié)果寫入緩沖區(qū) 中。ＯｐｅｎＧＬ中的混色函數(shù)形如公式３．６。 ｅｒｅｓｕｌｔ＝，腓’Ｃ黜＋，船ｔ‘ｃ贏刪ｎｍ 如果，設(shè)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(dāng)。但是，蠢Ｉ在公式３．４中同時(shí)是兩個(gè)項(xiàng)的 因子，要計(jì)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(diǎn)顏色的回讀。 完成公式３，４和公式３．５遞歸計(jì)算的具體方法如表３．１的方法。 ．１９． 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)用 表３．１云粒子照明和繪制過(guò)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(qiáng)： ｅｎｄｆｏｒ ———————————————————————————————————一一 場(chǎng)景繪制前的預(yù)處理過(guò)程，幀緩沖區(qū)設(shè)為白色，表明在云的邊界處光線沒(méi)有衰減。 云粒子沿著光的傳播方向排序。每繪制一個(gè)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(xué)碩士學(xué)位論文 粒子覆蓋的幀緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)的顏色，完成了一定量的前向散射。在繪制該粒子 前，來(lái)自球面角ｙ的風(fēng)的入射光通過(guò)讀取以腓在屏幕上投影點(diǎn)為中心的小范圍的像素點(diǎn) 的顏色得到。像素點(diǎn)的平均值乘ｒｆｘ．

64、１，∞，五乘以光的濃度（ＲＧＢ值），結(jié)果用于計(jì) 算公式３．４和公式３．５。 場(chǎng)景繪制過(guò)程中，云粒子沿實(shí)時(shí)變化的觀察方向排序，不回讀緩沖區(qū)像素點(diǎn)。預(yù)處 理計(jì)算得到的磊在繪制過(guò)程中用于計(jì)算觀察方向的散射光。 在上面兩個(gè)過(guò)程中，云粒子都是按照順序繪制成一個(gè)小的高斯紋理。紋理的繪制顏 色設(shè)為璐’ｒｋ－ｐ（Ｏ），Ｏ＇Ｉｋｆ４耳。預(yù)處理過(guò)程中表示光的傳播方向，繪制過(guò)程中０１表示觀察方 向。本文在實(shí)現(xiàn)的氣象演示系統(tǒng)具體編碼過(guò)程中，鏹和靠作為常數(shù)，分別?。福昂停埃?。 ３．４加速云的實(shí)時(shí)繪制速度 通過(guò)散射模型的簡(jiǎn)化和ＯｐｅｎＧＬ的結(jié)合，得到了真實(shí)感很好的云模擬結(jié)果。但 是，一般的應(yīng)用要求有很

65、多復(fù)雜或者高分辨率的云組成，同時(shí)，交互式的應(yīng)用要求 很高的交互模擬速度。如果，每一幀都對(duì)所有的粒子進(jìn)行繪制，在現(xiàn)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(yīng)用的一個(gè)組成部分，因此，必 須在實(shí)時(shí)繪制過(guò)程中提高速度。本文結(jié)合兩種方法加速大規(guī)模粒子云的實(shí)時(shí)繪制速 度：動(dòng)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(dòng)態(tài)地生成替代品 圖３．３動(dòng)態(tài)生成替代圖像的側(cè)面圖 Ｆｉｇ?３?３Ａｎｏｕｔｓｉｄｅｖｉｅｗｏｆｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｍｐｏｓｔｏｒｉｍａｇｅｓ 。２１． 三維ＧＩＳ的天氣現(xiàn)象模擬研究與應(yīng)剛 這早的替代品是指一個(gè)半

66、透明的多邊形紋理，用這個(gè)紋理替代三維場(chǎng)景中的某 個(gè)要繪制的對(duì)象，本文替代的對(duì)象是靜態(tài)的粒子云。這個(gè)替代紋理在視覺(jué)誤差允許 范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)視點(diǎn)有效。對(duì)應(yīng)于某個(gè)視點(diǎn)的替代紋理能有效地近似模擬需要繪制的 對(duì)象。替代紋理可以預(yù)先生成，也可以在需要繪制的時(shí)候動(dòng)態(tài)地生成［２５，２８】。本文 采用文獻(xiàn)［２５】的方法——?jiǎng)討B(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(diǎn)設(shè)在生成替代紋理對(duì)應(yīng)的視點(diǎn)位置，視點(diǎn)嚴(yán)格對(duì) 應(yīng)對(duì)象的范圍。接下來(lái)，設(shè)慝臨時(shí)緩沖區(qū)，在當(dāng)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(shí)緩沖區(qū)，恢復(fù)原三維場(chǎng)景的緩沖區(qū)。 本文通過(guò)找到三維場(chǎng)景中幀與幀之間的一致性，在視覺(jué)誤差允許的范圍內(nèi)，在 多個(gè)幀中使用同一個(gè)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(dǎo)致了多個(gè)幀的紋理圖像的重用。本文使用誤差估計(jì)作為是否需要更新紋理圖像 的條件。【２８］中給出了兩個(gè)與幀一致性相關(guān)的重要的誤差衡量標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)叫做