CN101398943A - 基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法，属地面网格模型表示方法。将渠道经过的地面按照其X、Y坐标划分成大小相等的正四边形网格，称作外部网格，整个地面被划分成由行列网格的形式。检查每个外部网格中有无测量的地形数据点，当有数据点落入网格内，则将该外部网格进一步划分成小的单元格，这个小的单元网格被称为内部网格。根据测量的地形点数据，预先可以求出外部网格和内部网格中每个顶点的高程值，并把顶点坐标和高程数据信息存入到内部网格和外部网格数组中，这样可以利用网格坐标和顶点高程，实时计算任意点地面高程。本发明地形分辨率可调，可以表达复杂地形的突变现象。

Description

基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法

技术领域

本发明涉及一种用于地面网格模型表示方法，尤其是一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法。

背景技术

目前数字高程模型(DEM)的表达方式主要有3种：不规则三角网(TIN)，规则网格(GRID)和等值线，其中前两种是应用最广泛的结构形式。

规则网格通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的网格单元，每个网格单元对应一个数值。该数值可以表示网格单元所有顶点的高程值，也可以被认为是网格中心的高程值或顶点的平均高程值。

在数字地形建模中，不规则三角网通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形表面。对TIN模型。其基本要求TIN是唯一的、每个三角形尽量接近等边形状、保证最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。在所有可能的三角网中，Delaunay三角网在地形拟合方面表现最为出色，因此常常被用于TIN的生成。

规则网格的高程矩阵可以很容易地用计算机进行处理，具有较小的内存占用和简单的数据结构，并且构网算法简单，网格细分程度随意，它还可以很容易的计算等高线等信息，使得它成为DEM最广泛的使用形式，目前许多国家提供的DEM数据都是以规则网格的数据矩阵形式提供的。规则网格DEM的缺点是：在地形平坦的地方存在数据冗余；在不改变网格大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象。

不规则三角网可以减少平坦地形的数据冗余，可以表示地形突变，使用原始数据，如果采样点比较精确，则其建模精度较高。它的缺点是：TIN的存储方式复杂，它不仅需要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。算法复杂度高，而且分块处理难度大，不利于处理大规模地型。其构网完全依据采样地形点，地形分辨率无法进行调整，难以满足观察需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法。

本发明一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法包括以下步骤：

第1步：设置参数

设置外部网格边长为L1，设置内部网格的边长为L2，两个网格边长之间关系为：L1＝L2*2^a，其中a是正整数，每个内部网格的行数和列数都为2^a；

第2步：输入渠道设计的地形点数据

设置一个地形点数组DIXING，数组的每条记录存放输入渠道设计相关的地形点数据的X、Y坐标和高程，其中X为地形点横轴坐标值，Y为地形点纵轴坐标值；

第3步：地形数据排序

对地形点进行排序，以X坐标为主键、Y坐标为次键，按递增的顺序进行排序；

第4步：查找地形数据的边界坐标

查找到地形点数据中最小的X坐标值min_x、最大的X坐标值max_x、最小的Y坐标值min_y、最大的Y坐标值max_y，选择坐标(min_x，min_y)作为边界最小点；

第5步：设置地形网格大小

设置外部网格数组，外部网格的列数n是大于(max_x-min_x)/L1的最小正整数，外部网格的行数m是大于(max_y-min_y)/L1的最小正整数，

第6步：设置外部网格数组

以坐标(min_x，min_y)作为外部网格的起点，设置外部网格数组OutGrid[m][n][5]用于存放外部网格OutGrid[i][j]的四个顶点的高程和包含有内部网格的外部网格编号，按照顺序依次为左下顶点高程OutGrid[i][j][0]，右下顶点高程OutGrid[i][j][1]，右上顶点高程OutGrid[i][j][2]，左上顶点高程OutGrid[i][j][3]，OutGrid[i][j][4]用于表示包含有内部网格的外部网格编号h，包含有内部网格的外部网格编号初始值设置为0，其中i为外部网格的行数0≤i<m-1，j为外部网格的列数0≤j<n-1；

第7步：遍历外部网格

按照行或列检查每个外部网格，当一个外部网格OutGrid[i][j]中有地形数据点落入，进到第8步；当一个外部网格OutGrid[i][j]中没有地形数据点落入，重复第7步；当已经检测完所有外部网格，进到第9步；

第8步 更新包含有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝h+1，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h，并将该外部网格设置为有地形点数据的编号，即OutGrid[i][j][4]＝H，回到第7步；

第9步：建立内部网格数组

外部网格数组中有地形点的外部网格数量为h，每个外部网格中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)，设置内部网格数组InGrid[K][4]，其中K表示内部网格数组中内部网格的数量，K＝h*(L1/L2*L1/*L2)，进到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

按照行或列检查每个外部网格，当一个外部网格OutGrid[i][j][4]大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；当OutGrid[i][j][4]等于0，重复第10步；当已经检测完所有外部网格，则地形网格划分结束，退出算法；

第11步：设置内部网格

当一个外部网格OutGrid[i][j]需要划分内部网格，其编号为H，则内部网格InGrid中的第(H-1)*(L1*L1)/(L2*L2)到H*(L1*L1)/(L2*L2)-1的记录该外部网格中每个内部网格，数组的每条记录存放内部网格四个顶点的高程，按照顺序依次为左下顶点高程InGrid[k][0]，右下顶点高程InGrid[k][1]，右上顶点高程InGrid[k][2]，左上顶点高程InGrid[k][3]，其中k大于等于(H-1)*(L1*L1)/(L2*L2)，同时k小于等于H*(L1*L1)/(L2*L2)-1，返回第10步。

本发明一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法将网格分成内部网格和外部网格两个层次，更加适用于渠道设计这种不规则带状地形的应用。传统的规则网格需要覆盖所有区域，产生了大量的冗余，即使采用分段的方式，也不可能完全避免冗余，而且增加算法复杂性。将地形层次划分，如果没有地形点落入，只保留外部网格数据，可以有效避免数据冗余。该方法还可以方便的进行地形分辨率的调整，外部网格的边长设定为内部网格边长的2的整数次方倍，这样在进行缩放时，只需要将几个网格拼接成一个网格或者将一个网格分解为几个网格，有利于地形的显示。利用分层的地形网格划分方法，任意给定一个坐标点，可以实时地查找到该坐标点所在的地形网格，基于该地形网格的顶点高程就可以实时计算出该坐标点的高程。

附图说明

图1：本发明基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法流程图；

图2：本发明基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示。一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法，将渠道经过的所有地面模型按照其X、Y坐标划分成大小相等的正四边形网格，称作外部网格，这样整个地面就可以被划分成由行列网格的形式。遍历每个外部网格中有无测量的地形数据点，如果有数据点落入网格内，则将该网格按照用户输入的单元格宽度进一步划分成小的单元格，称为内部网格。根据测量的地形点数据，预先可以求出外部网格和内部网格的每个顶点的高程值，并把顶点坐标和高程数据信息存入到内部网格和外部网格数组中，这样可以利用网格坐标和顶点高程，实时计算任意点地面高程。

图2的测量地形点序列坐标为{(3，3，1)，(4.3，4.2，1.2)，(5.6，4.1，1)，(6.2，4.2，1.5)，(5.7，5.9，2)，(6.6，6.3，3)，(7.3，5.7，2)，(9.8，6.8，3)，(10.8，5.7，3)}。

本发明的具体技术步骤如下：

第1步：设置参数

设置外部网格边长为2，设置内部网格的边长1；

第2步：输入渠道设计的地形点数据

设置一个地形点数组DIXING，数组的每条记录存放输入渠道设计相关的地形点数据的X、Y和高程；DIXING＝{(3，3，1)，(4.3，4.2，1.2)，(5.6，4.1，1)，(6.2，4.2，1.5)，(5.7，5.9，2)，(6.6，6.3，3)，(7.3，5.7，2)，(9.8，6.8，3)，(10.8，5.7，3)}第3步：地形数据排序

对地形点进行排序，按照以X坐标为主键，以Y坐标为次键的方式，以递增的顺序进行排序；DIXING＝{(3，3，1)，(4.3，4.2，1.2)，(5.6，4.1，1)，(5.7，5.9，2)，(6.2，4.2，1.5)，(6.6，6.3，3)，(7.3，5.7，2)，(9.8，6.8，3)，(10.8，5.7，3)}第4步：查找地形数据的边界坐标

查找到地形点数据中最小的X坐标值min_x＝3、最大的X坐标值max_x＝10.8、最小的Y坐标值min_y＝3、最大的Y坐标值max_y＝6.8，选择坐标(3，3)作为边界最小点；

第5步：设置地形网格大小

设置外部网格数组，外部网格的列数n是大于(max_x-min_x)/L1＝(10.8-3)/2＝3.4的最小正整数，n＝4，行数m是大于(max_y-min_y)/L1＝(6.8-3)/2＝1.9的最小正整数，m＝2；

第6步：设置外部网格数组

以坐标(3，3)作为外部网格的起点，设置外部网格数组OutGrid[2][4][5]，数组的每条记录存放网格四个顶点的高程，按照顺序依次为左下顶点高程OutGrid[2][4][0]，右下顶点高程OutGrid[2][4][1]，右上顶点高程OutGrid[2][4][2]，左上顶点高程OutGrid[2][4][3]，OutGrid[2][4][4]用于表示该外部网格中是否包含有地形点，初始值设置为0；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[0][0]外部网格，外部网格OutGrid[0][0]中有地形数据点{(3，3，1)，(4.3，4.2，1.2)}落入，进入第8步；

第8步：设置包括有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝0+1＝1，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h即h＝1，将该外部网格设置为有地形点数据，即OutGrid[0][0][4]＝1；回到第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[0][1]外部网格，外部网格OutGrid[0][0]中有地形数据点{(5.6，4.1，1)，(6.2，4.2，1.5)}落入，进入第8步；

第8步：设置包括有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝1+1＝2，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h即h＝2，将该外部网格设置为有地形点数据，即OutGrid[0][1][4]＝2；回到第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[0][2]外部网格，外部网格OutGrid[0][2]中没有地形数据点落入，继续第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[0][3]外部网格，外部网格OutGrid[0][3]中没有地形数据点落入，继续第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[1][0]外部网格，外部网格OutGrid[1][0]中没有地形数据点落入，继续第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[1][1]外部网格，外部网格OutGrid[1][1]中有地形数据点{(5.7，5.9，2)，(6.6，6.3，3)}落入，进入第8步；

第8步：设置包括有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝2+1＝3，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h即h＝3，将该外部网格设置为有地形点数据，即OutGrid[1][1][4]＝3；回到第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[1][2]外部网格，外部网格OutGrid[1][2]中有地形数据点{(7.3，5.7，2)}落入，进入第8步；

第8步：设置包括有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝3+1＝4，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h即h＝4，将该外部网格设置为有地形点数据，即OutGrid[1][2][4]＝4；回到第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

检查OutGrid[1][3]外部网格，外部网格OutGrid[1][3]中有地形数据点{(9.8，6.8，3)，(10.8，5.7，3)}落入，进入第8步；

第8步：设置包括有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝4+1＝5，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h即h＝5，将该外部网格设置为有地形点数据，即OutGrid[1][3][4]＝5；回到第7步；

第7步：检测包含地形点的外部网格

已经检测完所有外部网格，没有地形数据点落入外部网格则地形网格划分结束，进到第9步；

第9步：建立内部网格数组

外部网格数组中有地形点的外部网格数量为h＝5，每个外部网格中设置内部网格的数量为(2/1*2/1)＝4，设置内部网格数组InGrid[K][4]＝InGrid[20][4]，其中K表示内部网格数组中内部网格的数量，K＝5*4＝20，进到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[0][0]外部网格，外部网格OutGrid[0][0][4]＝1大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；

第11步：设置内部网格

外部网格OutGrid[0][0]中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)＝2/1*2/1＝4，则内部网格InGrid中的第(1-1)*(2*2)/(1*1)＝0到1*(2*2)/(1*1)-1＝3的记录该外部网格中每个内部网格，设置内部网格数组InGrid[0][4]、InGrid[1][4]、InGrid[2][4]、InGrid[3][4]记录OutGrid[0][0]中四个内部网格中每个内部网格的四个顶点高程；回到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[0][1]外部网格，外部网格OutGrid[0][1][4]＝2大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；

第11步：设置内部网格

外部网格OutGrid[0][1]中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)＝2/1*2/1＝4，则内部网格InGrid中的第(2-1)*(2*2)/(1*1)＝4到2*(2*2)/(1*1)-1＝7的记录该外部网格中每个内部网格，设置内部网格数组InGrid[4][4]、InGrid[5][4]、InGrid[6][4]、InGrid[7][4]记录OutGrid[0][1]中四个内部网格中每个内部网格的四个顶点高程；回到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[0][2]外部网格，外部网格OutGrid[0][2][4]=0，不划分内部网格，继续第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[0][3]外部网格，外部网格OutGrid[0][3][4]＝0，不划分内部网格，继续第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[1][0]外部网格，外部网格OutGrid[1][0][4]＝0，不划分内部网格，继续第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[1][1]外部网格，外部网格OutGrid[1][1][4]＝3大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；

第11步：设置内部网格

外部网格OutGrid[1][1]中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)＝2/1*2/1＝4，则内部网格InGrid中的第(3-1)*(2*2)/(1*1)＝8到3*(2*2)/(1*1)-1＝11的记录该外部网格中每个内部网格，设置内部网格数组InGrid[8][4]、InGrid[9][4]、InGrid[10][4]、InGrid[11][4]记录OutGrid[1][1]中四个内部网格中每个内部网格的四个顶点高程；回到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[1][2]外部网格，外部网格OutGrid[1][2][4]＝4大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；

第11步：设置内部网格

外部网格OutGrid[1][2]中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)＝2/1*2/1＝4，则内部网格InGrid中的第(4-1)*(2*2)/(1*1)＝12到4*(2*2)/(1*1)-1＝15的记录该外部网格中每个内部网格，设置内部网格数组InGrid[12][4]、InGrid[13][4]、InGrid[14][4]、InGrid[15][4]记录OutGrid[1][2]中四个内部网格中每个内部网格的四个顶点高程；回到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查OutGrid[1][3]外部网格，外部网格OutGrid[1][3][4]＝5大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；

第11步：设置内部网格

外部网格OutGrid[1][3]中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)＝2/1*2/1＝4，则内部网格InGrid中的第(5-1)*(2*2)/(1*1)＝16到5*(2*2)/(1*1)-1＝19的记录该外部网格中每个内部网格，设置内部网格数组InGrid[16][4]、InGrid[17][4]、InGrid[18][4]、InGrid[19][4]记录OutGrid[1][3]中四个内部网格中每个内部网格的四个顶点高程；回到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

检查完全部的OutGrid外部网格，地形网格划分结束，退出算法。

Claims (1)

1.一种基于双层规则化的渠道地面网格模型表示方法，其特征在于包括以下步骤：

第1步：设置参数

设置外部网格边长为L1，设置内部网格的边长为L2，两个网格边长之间关系为：L1＝L2*2^a，其中a是正整数，每个内部网格的行数和列数都为2^a；

第2步：输入渠道设计的地形点数据

设置一个地形点数组DIXING，数组的每条记录存放输入渠道设计相关的地形点数据的X、Y坐标和高程，其中X为地形点横轴坐标值，Y为地形点纵轴坐标值；

第3步：地形数据排序

对地形点进行排序，以X坐标为主键、Y坐标为次键，按递增的顺序进行排序；

第4步：查找地形数据的边界坐标

查找到地形点数据中最小的X坐标值min_x、最大的X坐标值max_x、最小的Y坐标值min_y、最大的Y坐标值max_y，选择坐标(min_x，min_y)作为边界最小点；

第5步：设置地形网格大小

设置外部网格数组，外部网格的列数n是大于(max_x-min_x)/L1的最小正整数，外部网格的行数m是大于(max_y-min_y)/L1的最小正整数，

第6步：设置外部网格数组

以坐标(min_x，min_y)作为外部网格的起点，设置外部网格数组OutGrid[m][n][5]用于存放外部网格OutGrid[i][j]的四个顶点的高程和包含有内部网格的外部网格编号，按照顺序依次为左下顶点高程OutGrid[i][j][0]，右下顶点高程OutGrid[i][j][1]，右上顶点高程OutGrid[i][j][2]，左上顶点高程OutGrid[i][j][3]，OutGrid[i][j][4]用于表示包含有内部网格的外部网格编号h，包含有内部网格的外部网格编号初始值设置为0，其中i为外部网格的行数0≤i<m-1，j为外部网格的列数0≤j<n-1；

第7步：遍历外部网格

按照行或列检查每个外部网格，当一个外部网格OutGrid[i][j]中有地形数据点落入，进到第8步；当一个外部网格OutGrid[i][j]中没有地形数据点落入，重复第7步；当已经检测完所有外部网格，进到第9步；

第8步更新包含有内部网格的外部网格编号

更新包含有内部网格的外部网格编号H＝h+1，将更新后的包含有内部网格的外部网格编号H赋值给h，并将该外部网格设置为有地形点数据的编号，即OutGrid[i][j][4]＝H，回到第7步；

第9步：建立内部网格数组

外部网格数组中有地形点的外部网格数量为h，每个外部网格中设置内部网格的数量为(L1/L2*L1/L2)，设置内部网格数组InGrid[K][4]，其中K表示内部网格数组中内部网格的数量，K＝h*(L1/L2*L1/*L2)，进到第10步；

第10步：遍历包含内部网格的外部网格

按照行或列检查每个外部网格，当一个外部网格OutGrid[i][j][4]大于0，表示该外部网格可以进一步划分为更细的内部网格，进到第11步；当OutGrid[i][j][4]等于0，重复第10步；当已经检测完所有外部网格，则地形网格划分结束，退出算法；

第11步：设置内部网格

当一个外部网格OutGrid[i][j]需要划分内部网格，其编号为H，则内部网格InGrid中的第(H-1)*(L1*L1)/(L2*L2)到H*(L1*L1)/(L2*L2)-1的记录该外部网格中每个内部网格，数组的每条记录存放内部网格四个顶点的高程，按照顺序依次为左下顶点高程InGrid[k][0]，右下顶点高程InGrid[k][1]，右上顶点高程InGrid[k][2]，左上顶点高程InGrid[k][3]，其中k大于等于(H-1)*(L1*L1)/(L2*L2)，同时k小于等于H*(L1*L1)/(L2*L2)-1，返回第10步。

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