以风场和洋流为例,大规模矢量场数据具有数据量大、结构复杂且随时间变化等特性,使用传统静态网格等渲染技术难以对其进行较好的可视化。粒子系统法是计算机图形学中最常用的可视化方法之一,其原理为通过控制粒子的生成和移动来模拟不规则物体的变化,常用于模拟风场洋流等模糊现象。传统方法中粒子系统法多实现于CPU上,但是随着计算机软硬件技术的进步,用户对矢量场可视化效果和效率提出了更高的要求,通过结合Web GL可充分利用GPU性能提高三维可视化效果及效率。但是现有实现仍存在许多问题,例如,1)矢量场的可视化效果主要表现在轨迹的长度、均匀分布程度以及特征展现上,现有研究仅通过控制粒子的放置优化可视化效果,但未考虑轨迹线的动态变化对其均匀分布程度的影响;2)基于不同图元的轨迹线绘制过程中出现的图元不连续、过渡不平滑等现象,会导致部分场的连续性特性丢失,影响可视化效果;3)在GPU中对不规则地理区域的矢量场数据（例如洋流、海浪数据）进行可视化时,未考虑地理边界约束的粒子高效生成方法。针对上述问题,本文对基于粒子系统的大范围矢量场数据三维web可视化关键技术展开具体研究,主要工作如下:1.为解决轨迹线的动态变化导致的轨迹分布不均匀的问题,本文提出了基于生命周期控制的矢量线均匀绘制方法,该算法为速度较快的粒子设置更高的粒子复位率,即粒子生命周期结束的概率,通过控制粒子生命周期实现可视化效果的优化。实验结果表明,相比于经典的种子点放置算法,本文提出的算法对矢量场数据的可视化效果和效率更好。2.针对基于点、线和三角形三种图元进行粒子轨迹绘制过程中存在的问题,本文提出了一种粒子轨迹绘制优化方法,该方法包含粒子轨迹平滑过渡的绘制优化和基于视高的粒子轨迹宽度自适应绘制两方面的优化,前者通过设置阈值对曲线转折处的两侧边缘延伸线进行截断实现曲线平滑过渡效果,后者通过设置轨迹固定像素宽度保证了视觉一致性。实验结果表明,本文提出的轨迹绘制优化方法实现了粒子轨迹的平滑过渡和宽度不依比例缩放效果,改善了轨迹的可视化效果。3.为解决不规则区域约束下在GPU中的种子点位置难确定问题,本文提出了面向GPU的不规则区域约束下的种子点生成方法,该方法提取可视范围内不规则区域的所有像素的经纬度信息集合,并将每个点的经纬度数据存储于纹理的两个颜色通道（RG或BA）中传送给GPU读取,该集合提供了重新生成粒子时的所有候选位置。实验结果表明,本文提出的粒子点生成方法可在受约束区域内随机生成粒子。4.为验证本文研究内容对大规模矢量场数据三维web可视化的优化效果,本文进行了实验系统的设计与实现,分风场和海洋两个模块,支持全球和局部数据可视化,可通过人机交互观察各参数对可视化效果和效率的影响。