Optimizing grid computing configuration and scheduling for geospatial analysis: An example with interpolating DEM

Many geographic analyses are very time-consuming and do not scale well when large datasets are involved. For example, the interpolation of DEMs (digital evaluation model) for large geographic areas could become a problem in practical application, especially for web applications such as terrain visualization, where a fast response is required and computational demands exceed the capacity of a traditional single processing unit conducting serial processing. Therefore, high performance and parallel computing approaches, such as grid computing, were investigated to speed up the geographic analysis algorithms, such as DEM interpolation. The key for grid computing is to configure an optimized grid computing platform for the geospatial analysis and optimally schedule the geospatial tasks within a grid platform. However, there is no research focused on this. Using DEM interoperation as an example, we report our systematic research on configuring and scheduling a high performance grid computing platform to improve the performance of geographic analyses through a systematic study on how the number of cores, processors, grid nodes, different network connections and concurrent request impact the speedup of geospatial analyses. Condor, a grid middleware, is used to schedule the DEM interpolation tasks for different grid configurations. A Kansas raster-based DEM is used for a case study and an inverse distance weighting (IDW) algorithm is used in interpolation experiments.     

基于OpenGL的网格数据三维地形鼠标取值方法

在OpenGL的三维场景模拟中,通过鼠标取点得到该点的三维坐标一直是一个难题,而在三维地形模拟中则进一步要求通过鼠标取点得到该点在地形数据中的实际值,即用鼠标取值,因此OpenGL三维地形的鼠标取值一直是这类应用程序中的难点。文章在解决实际问题的基础上实现了一种解决基于OpenGL的网格数据的三维地形的鼠标取值方法。     

一种基于块和视点相关的大范围地形简化方法与实现

文章简要总结了LOD进行地形简化的一般方法,介绍了一种通过稀疏采样技术实现LOD自动生成的算法。结合DEM均匀网格模型,以“块”作为地表模型大面积简化的空间单位,同时考虑了视点视向相关因素的影响,建立了多LOD数据结构保存各层模型,大大降低了大范围地景的复杂度和计算量,有效地简化了地表模型的绘制,提高了地景生成效率。该方法通过VisualC++6.0和OpenGL编程实现了一个三维的复杂地景生成系统,进一步验证了算法的有效性。     

自适应多特征融合的真实感地形快速绘制

针对真实地形可视化中数字高程模型(DEM)数据结构复杂且绘制速度不佳的问题,提出一种基于自适应多特征融合的真实感地形快速绘制方法.引入地形高程熵,对真实的DEM高程数据进行特征提取以生成地形总体框架;利用随机中点位移分形算法并根据地形特征优化分形参数来增加地形高频细节;计算视点与地形之间的距离阈值,并对应于层次细节(LOD)等级,以实现地形自适应的调度,再根据不确定性判定因子对地形特征进行更新.最后对本文算法进行并行处理,充分利用图形处理单元(GPU)技术对地形进行加速绘制.实验结果表明,该方法生成的地形具有较高逼真度和较好实时性.     

飞行模拟机增强型近地告警系统仿真研究与设计

增强型近地告警系统(EGPWS)是现代商用飞机必备系统,飞行模拟机进行EGPWS科目训练,可以有效避免由于飞行机组操作失误导致的可控飞行撞地(CFIT)风险.重点对EGPWS系统增强功能——前视地形显示预警和地形净空层告警功能进行了研究,实现相应的仿真设计.前视地形仿真利用DEM高程数据作为地形数据库,根据设置的显示精...     

地形漫游中数据块调度算法研究

在LOD(level-of-detail)算法基础上,提出处理视点相关的交互式大规模地形数据的方法.包括:分块策略对规则网格进行区域分割;通过输入的数据点构建自顶向下的四叉树结构,划分成不同的块层次;在实时漫游过程中,根据视点z轴坐标值的变化导致块层次的改变,重新调入相应数据块构造地形网格,以及当视点x,y轴坐标改变时进行块调度.实验证明了该算法的有效性.     

大规模真实地形数据中的全局路径规划方法——基于遗传算法的研究

对基于遗传算法进行路径规划的方法进行了研究，重点在于解决基于真实数据据集进行路径规划时间问题的可解性及提高求解效率，与以往的一些方法的不同之处在于：一方面规划的数据集是根据大规模真实的地形数据构建的，其中包括高程数据和表示各种景物的文化特征数据；另一方面在遗传算法提供了全局求优的机制下，在染色体的编码，初始群体的产出和各种遗传算法中加入了相关的知识，使得该算法具有较好的求解局部问题的方法，提出了遗传算法求解实际的路径规划问题的能力和效率。     

基于NT的海战场三维地形的生成与实时显示

海战场环境仿真是海军作战模拟的重要内容,逼真的战场环境实时仿真是作战模拟的基础,它为保障、分析、作战评估等试验提供了仿真平台。针对海战场仿真中大规模三维地形的生成与实时显示问题,提出了一种基于VEGA和NT平台的解决方案,讨论了DEM数据的组织及分割、数据格式的转换以生成OpenFlight格式的地形数据,介绍如何把地形数据加入VEGA场景中重新拼接,设置视点参数,最后转换为Fret格式实现实时显示。     

DEM生成算法并行化研究

数字高程模型DEM（Digital Dlevation Model），是一种表示三维空间连续起伏状态的数学模型，如今在各行业应用十分广泛。针对DEM生成过程中计算复杂、数据量大的特点，在分析几种常用的DEM生成算法的基础上，以线性内插算法为样本，对DEM生成算法的并行化处理问题进行了深入研究。研究中，分别从数据并行和算法并行的角度，对DEM生成算法并行化进行了分析，并在网络分布式机群下进行了数据处理实验，取得了较好的并行处理效果。最后，进一步根据实验结果，讨论了责任发解方法的并行效率，提出了DEM生成算法并行化的有效途径。     

基于ASTER遥感数据源的Creator三维地形建模技术研究

大面积真实地形三维建模技术是视景仿真系统开发的难点问题.该文提供了一种基于ASTER遥感数据的三维地形建模方法,采用格式转换技术将ASTER的GeoTIFF数据格式转换为USGS DEM数据格式.应用Creator地形建模技术建立了我国某地域的高质量的三维地形仿真模型,实现了真实地形三维建模的快速化、实用化.     

基于SLIC区域分割的三维地形重建算法

为利用无人机在高空连续拍摄的两幅航拍图像准确实现三维地形重建,提出了通过将图像进行区域分割来达到不同地形区域分别生成数字高程模型DEM数据的方法。首先利用简单线性迭代聚类SLIC超像素算法将图像分割为多个包含单一地形的超像素区域,再利用各区域的颜色信息进行相邻同类地形区域的融合,最后在所得的各区域内通过SIFT特征点提取与匹配、计算三维坐标来生成DEM数据。通过将重建地形结果与卫星地图对比表明,利用该方法能够有效实现地形重建;通过对比本文算法与传统地形重建算法的重建结果表明,利用该方法能准确呈现各地形间的边界信息。     

基于大地坐标的通视性检查算法

点到点的通视性检查算法是作战仿真系统使用的重要算法之一.目前通视性检查算法多基于直角坐标.计算时需要将初始给定的大地坐标转化为直角坐标.在分析了摹本通视性模型以及目前使用的基于直角坐标的通视性检查算法的基础上,提出了一种基于大地坐标的点到点通视性检查算法,算法通过求取视线和地形采样点连线在地球表面投影的交点的经纬度坐标,利用线性差值计算两连线在该经纬度处的高程,来进行通视性判定,不需要将球面上的大地坐标转换为平面直角坐标,而且能够考虑到地球曲率对通视性的影响.最后,通过算法实验分析,检验了本算法的可用性.     

基于GIS的地理可照时数自动化计算系统

基于数字高程模型（DEM）的地理可照时数计算模型复杂、耗时长,再加上我国地域广阔,致使研究中国地理可照时数的时空分布时难以在区域面积和分辨率上同时兼顾。虽然有人提出了全国范围内高分辨率地理可照时数的计算方法,但并没有说明计算平台和技术方法。利用基于DEM的地理可照时数模型并对其进行地球曲率的修正,基于VS2008平台,应用ArcGIS Engine组件技术,开发出了地理可照时数自动化计算系统。该系统可用于不同区域尺度、不同分辨率的地理可照时数的计算。用户只需输入研究区域的DEM数据和需要计算的日期,即可计算出该区域在该日期的地理可照时数栅格数据。     

基于分形与纹理映射的3D地形仿真

文章研究了基于分形与纹理映射技术的3D地形仿真技术.该技术通过分形插值算法与DEM数据矩阵的线性变换构建出各类特征的地形模型,并利用分形纹理及位图纹理,通过纹理映射技术及光照模型仿真出平原、高山、草地、海洋等各类地形地貌,实现了具有逼真效果的3D地形的视景仿真,并可运用交互技术实现在视景终端以任意角度和高度进行观察.研究结果表明,文中提出的基于分形与纹理映射的地形仿真技术,方法简洁,地形生成速度快,地形、地貌仿真效果逼真生动,适用范围广,具有很好的应用价值.     

基于格网划分的大数据集DEM三维可视化

提出基于格网划分的实时LOD分层方法，该方法基于DEM和影像数据固有的栅格特点，使用简单的几何算法即可实现DEM数据的动态分层，计算量小，可实现对大数据集DEM数据的实时漫游。     

规则网格数字高程模型中基于距离与坡度的路径规划算法

针对A^*算法在数字高程模型（DEM）路径规划中的低效问题,提出一种基于距离与坡度的改进A^*寻路算法。该算法面向规则网格DEM,以距离和坡度作为路径搜索评估指标,设计新的评价函数,并以地表障碍评判路径的可通行性。在寻路过程中,根据实际场景DEM数据计算相匹配的参数,使得改进算法能自适应不同场景下DEM数据分辨率的变化;采用动态权值调整完备性函数和启发性函数对评价结果的影响,优化路径选择。仿真测试结果表明,改进算法能够通过参数调整适应DEM分辨率的变化,搜索出优化的路径,降低搜索时间,提高搜索效率。     

遥感图像与地理坐标匹配的快速算法

针对在遥感图像处理中，在进行图像像素坐标与地理坐标相互转换时，转换速度和转换精度不能同时满足的矛盾，引入索引矩阵的概念，提出并实现了一种新的快速转换算法。该算法能快速、精确地进行地理坐标与图像像素坐标的相互转换。通过MODIS图像验证，可在接收图像的同时，实时地将经、纬度网格，省界(或州界)等地理信息叠加到卫星图像上。这对于要求实时处理的应用任务，如火灾监测的快速定位、军事侦察等具有极其重要的价值。     

基于网格服务的GEP分布式函数挖掘算法

提出了一种基于网格服务的GEP分布式函数挖掘算法(DFMGEP-GS),它将网格服务与GEP算法相结合,既成功地实现了在网格平台下的GEP函数挖掘,又提高了每个网格节点上GEP算法的全局寻优性;同时证明了在网格环境下由局部数据模型生成全局数据模型的方法.仿真实验结果表明,对于函数类型已知的数据,随着数据集的增大,在成功挖掘到目标函数的情况下,DFMGEP-GS算法的平均耗时最少,而且随着网格节点的增加,DFMGEP-GS的收敛速度最大提高了约17倍;对于函数类型未知的复杂数据集,DFMGEP-GS算法挖掘所得到的模型的误差最小.     

基于改进蚁群算法的直升机航迹规划仿真

提出了基于改进蚁群算法的直升机航迹规划仿真过程,直升机在执行任务的过程中,有效地利用地形以躲避雷达扫描是直升机提高其生存能力的关键手段。利用真实地形的DEM数字高程建立真实地形;根据目标与雷达的交会几何关系,推算出雷达在真实地形中扫描的盲区;并针对传统的蚁群算法缺点,提出一种改进的蚁群算法仿真飞机飞行通过雷达区域,为其选择一条安全的飞行路线,使直升机从起始点到目的点的路径最优,从而达到提高战斗效率的目的。     

一种高效的Delaunay三角网合并生成技术

在传统的建模方法中，规则三角网方法（GRID）由于是在格网点上对格网周围采样点按照距离远近加权平均，难以在细节上反映原貌，精度不高；不规则三角网方法（TN）按照某种原则（delaunay)将采样点直接民网，建立起模型，但是建模过程复杂，内存耗费很大，当原始采样数据量很大时，效率很低，引进四叉树分块生成标准delaunay网格，并采用凸壳边界跟踪优化合并形成三角网格，大大提高delaunay三角网生成速度，提高了建模效率。