二维矢量要素在三维地形上的贴合渲染研究已经发展多年,形成了一系列算法,并广泛应用于三维地图导航、游戏场景设计和军事模拟等领域中。二三维的贴合渲染能够有效增强虚拟地理环境的真实感、丰富场景的地理信息、提高场景的表达能力和抽象概括能力。例如通过在三维地形表面叠加表示道路、河流等地物的矢量要素,可以为观察者提供引导,增强观察者在三维场景中的方向感。当前,二三维贴合渲染算法多将研究重点放在矢量要素与地形的无缝贴合、提高渲染精度和渲染效率等方面,忽略了具有明确指示意义的矢量要素所具备的自然特征限制对地形的约束,以及几乎不可避免的局部地形高程的不规则波动对矢量要素真实感表达的影响。尽管二维矢量与三维地形的贴合紧密度是衡量可视化效果的重要因素,但如果忽视矢量要素的自然特性,将会导致矢量要素表面出现扭曲变形现象,从而极大地影响三维场景的可视化效果。例如将表示道路或者河流的矢量要素简单地贴合在三维地形表面上,局部地形高程的不规则波动可能会导致道路表面不平整和“河流上坡”等现象产生。针对以上问题,在二三维贴合渲染之前应该对地形做符合矢量要素自然特征限制的调整,以使得贴合渲染效果更自然,可视化效果更真实。相关工作受国家自然科学基金面上项目“三维建筑物连续Lo D(Level of Detail)模型的生成及可视化研究”和“典型二维矢量地图要素在三维地形表面的贴合渲染算法研究”支持。研究提出了一种基于矢量要素自然特征限制的三维地形局部调整方法:将矢量要素栅格化到地形的高程纹理中,依据矢量要素的自然特性重新计算局部地形的高程,并利用多重网格方法计算地形的拉普拉斯表面,实现重计算后的局部地形与其周围地形的平滑过渡与协调整合。研究的主要内容和主要结论如下:1)研究矢量要素与地形的一体化处理方法,有效保障矢量要素与地形的紧密贴合。为了在保持矢量要素与地形紧密贴合的同时实现对局部地形的有效调整,将矢量数据栅格化到地形高程纹理的对应网格中,通过调整地形高程纹理从而实现对矢量要素的处理;根据DEM(Digital elevation model)分辨率确定地形高程纹理的网格大小,矢量要素的属性信息与地形高程信息统一存储于一张纹理中;通过将矢量要素节点坐标转换为与高程纹理相对应的行列号,即可确定当前节点在高程纹理中的具体位置,从而获取该位置存储的信息。2)研究基于矢量要素自然特性的局部地形高程重计算方法,令局部地形满足矢量要素的特征限制条件。选取虚拟地理环境中的典型矢量要素,根据矢量要素的自然特性归纳其包含的特征限制条件,并利用公式将相应的限制条件具体化;根据矢量要素宽度为其划定核心缓冲区,计算地形上的点与矢量要素的位置关系,若点位于核心缓冲区内,则依据限制条件重新插值计算该点的高程。3)研究重计算后的局部地形与其周围地形的平滑变形方法,保持局部地形的自然过渡和连续性。为消除局部地形高程重计算产生的高程突变问题,为矢量要素划定过渡缓冲区,并在其中实现局部地形高程的平滑过渡;利用多重网格方法计算地形的拉普拉斯表面,并通过设置Dirichlet边界条件将地形变形限定到指定范围内;权衡不同变形范围与变形效果之间的关联,为选择变形范围提供合理的建议。实验表明,本研究提出的局部地形调整方法能够在保持矢量要素与地形的紧密贴合的基础上,有效地解决矢量要素表面出现的扭曲变形和高程异常等问题;地形在调整后能够符合矢量要素的自然特征限制,并且能够保持原始地形的整体起伏形态。采用CPU-GPU并行异构模型编码实现,在CUDA(Compute Unified Device Architecture)中利用多重网格方法加快地形拉普拉斯表面的计算,提升了方法的性能。