基于AUV测量信息的时空3D数据地形构建

摘要

基于AUV传感器采集数据实现海底地形的可视化建模与计算机显示,是AUV地形勘测数据处理与可视化研究的关键技术之一。本文通过对AUV各传感器的测量信息进行处理,获得海底地形点的大地坐标,基于Delaunay三角网构建算法与OpenGL平台,完成了具有真实感的三维海底地形矢量模型的构建,可以实现对所勘测海底地形的连续化数据处理与分析。
　　 本文主要对以下几个方面进行了研究:
　　 首先,建立了AUV测量中常用的坐标系及其转换关系,定义了多波束船参考坐标系、当地水平坐标系及两者之间的关系:剔除了姿态传感器测量信息的异常值,根据前后两次采集数据对缺失点进行插值;针对AUV多波束声呐的测量数据,通过格式转换和多波束测深数据的脚印归位计算,生成地形点的大地坐标,完成测量数据的空间配准:采用线性插值的方法,将各传感器的异步数据归算为相同时刻下的同步数据,完成了测量数据的时间配准。
　　 其次,针对数字地形建模中的建模速度问题,设计了一种优化的三角网生长算法。设计了点、边和三角形数据结构,并将分治算法中的点排序思想融入到三角网生长算法中,以横坐标为主,纵坐标为辅,进行升序排列,连接横坐标最小的两点,其中纵坐标大的点作为第一点,确定初始基线方向:基于正负区判别原理确定基线扩展方向,限定搜索方向,快速锁定有效点的搜索范围,缩短搜索时间;利用张角最大原则查找第三点,设计并实现了Delaunay三角网构建算法。
　　 再次,基于OpenGL实现了模型可视化与真实感表达。通过模型视图变换、投影变换、视口变换等模型可视化操作,实现三维地形的可视化;通过纹理贴图、光照计算、明暗效应处理、抗锯齿等特效操作,实现了地形模型的真实感表达。
　　 最后,基于VC2005和OpenGL,平台,模块化设计了三维海底地形仿真显示界面。对大连海试获取的海试数据进行处理后,通过接收海试数据,生成了具有真实感的三维地形矢量模型,并且具有视角切换、地形缩放、地形漫游,以及地形点、线框、面模式切换的功能。
　　 本课题基于AUV传感器的采集数据,进行了时空3D数据地形构建与计算机显示。试验结果表明:本文所设计的Delaunay三角网构建算法是可行性的,可以用于基于AUV测量信息的时空3D数据地形构建。