CN102682479A - 一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，包括如下步骤：(1)三维地形细节特征区域的提取；(2)地形特征区域三维特征点智能内插；(3)水系特征要素的协调处理；(4)顾及地形细节的三维地形特征点形成。本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，在不规则三角网上，可以自动进行地形特征分析、地形特征提取、地形正负向趋势判断、水系关系协调、水体高程计算以及地形细节优化精化等，解决了用等高线做数据源构建不规则三角网时出现的地形细节精度不够以及地形细节丢失问题。可以广泛用于地形数据细节精化优化、地学分析、DEM数据生产等领域。

Description

一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法

技术领域

本发明涉及一种三维地形特征的的选取方法，尤其是一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法。

背景技术

三维地形特征点是指一些决定地形整体轮廓、地形起伏以及走向趋势的特殊点，从数学角度讲是用三维坐标决定地形二维曲面的采样点。这些地形特征点一旦确定，整个描述地形的二维曲面的轮廓、起伏、走向即可大致确定，所以它们在地形表示方面有着极其重要的作用。

三维地形特征点主要包括山顶点、凹陷点、山脊点、山谷点、鞍部点、水体范围点。其中，山顶点是指在局部区域高程极大值点，表现为各方向上都为凸起；凹陷点是指在局部区域内高程极小值点，表现为各方向上都凹陷；山脊点只两个相互正交的方向桑，一个方向凸起，另一个方向没有凹凸性变化的点，也称分水线上的点；山谷点是指在两个相互正交的方向上，一个方向凹陷，而另一个方向没有凹凸性变化的点，也称汇水线上的点；鞍部点是指两个相互正交的方向上，一个方向凸起，另一个方向凹陷的点；水体范围点则是指单线河流、双线河流、以及面状水体的轮廓结构点，该点对三维地形的精细表示有着至关重要的作用。

现有的方法中，三维地形特征点的提取主要有三种：基于规则格网数据(DEM的地形特征点提取、基于等高线数据的地形特征提取和基于TIN的地形特征提取。其中：基于规则格网的地形特征提取主要有地形断面极值法和基于地表流水模拟方法。地形断面极值法是采用计算地形断面找出高程极值点的办法，通常指采用两个正交方向上的地形断面，因此会丢失某些方向上的特征点；基于地表水流模拟方法存在处于地形高出的山谷线上的点因汇水量小而被遗忘，地形低处点因为汇水量大而被误判为山谷上的点得缺陷。

基于等高线数据的地形特征提取则主要是等高线曲率判别法和等高线骨架化法。等高线曲率判别法是从数字化等高线数据中提取特征点，该方法在提取地形特征点时，先计算每条等高线上离散点的曲率，然后将曲率绝对值大于某一阈值的点选择出来作为地形特征点，该方法忽略了每条等高线自身变化规律，当阈值选择较大时候，会丢失许多地形特征线上的点，当阈值选择较小时，会将本来不是地形特征线上的点误认为是地形特征点，而且在地形破碎地区或等高线不光滑区域，地形特征的提取将十分困难；等高线骨架化法实际上是将地形特征线两侧的地形视为对称变化，所提取的地形特征线有很大程度的相似性，所提取的地形特征点大多与地形变化不相符合，而当等高线不光滑或存在噪音时，结果更加糟糕。

发明内容

本发明提供了一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，很大程度上解决了由等高线构建不规则三角网时，在山脊、山谷、山顶、谷底、鞍部、以及水体区域地形细节丢失的情况，更大程度的优化了地形细节。

实现本发明目的的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，包括如下步骤：

(1)三维地形细节特征区域的提取：

a将等高线离散为高程点，按照Delaunay三角剖分原则，构建初始不规则三角网；

b将不规则三角网中的三角形边进行分类定义，同一条等高线上相邻两点间的线段落在不规则三角网中某三角形的一边上，将该边标记为“结构边”；其它边标记为“非结构边”；

c将不规则三角网中的三角形进行分类定义，遍历整个三角网，将具有三条“结构边”的三角形标记为I型三角形；具有两条“结构边”、一条“非结构边”的三角形标记为II型三角形；将具有一条“结构边”、两条“非结构边”的三角形标记为III型三角形；将具有三条“非结构边”的三角型标记为IV型三角形；

遍历整个三角网，若三角形三个顶点高程相同，则将该三角形标记为F-三角形；若三角形三个顶点高程不完全相同或完全不同，则将该三角形标记为N-三角形；

d针对上述三角形分类中的F-三角形建立索引，同时进行三角形聚类分析，将空间关系为邻接关系的F-三角形进行编组，形成F-三角形簇；

这些簇的形成有多种原因：在等高线弯曲较大的地方，由于等高线上相邻的离散点较密，构建不规则三角网的时候容易形成开放式F-三角形簇，这些F-三角形簇往往是丢失了地形细节的山脊或山谷区域；在若干条高程相同的等高线所围成的区域，等高线离散后高程点值相同，构建三角网时也可以形成开放式F-三角形簇，这些簇往往对应着丢失了细节的鞍部地区；若某一闭合等高线内再无其它等高线时，在构建不规则三角网时，容易形成封闭式F-三角形簇，该区域一般为山顶或山谷区域。所有的开放式F-三角形簇、封闭式F-三角形簇，构成地形特征待选区域。

(2)地形特征区域三维特征点智能内插：

a开放式的F-三角形簇，其轮廓边由“结构边”和“非结构边”组成，找到其“非结构边”，该“非结构边”系相邻F-三角形与N-三角形的公共边，取其中点作为待插值点位，其三维高程值的确定由N-三角形与F-三角形簇的面积比例与高程变化比例决定；

b封闭式F-三角形簇，其轮廓边均为步骤二中的“结构边”，取F-三角形簇中心点作为待插值点位，其三维高程值的确定采用以下方式：对于F-三角形簇的每一条轮廓边，获得该边的长度，以及该边相邻接的N-三角形的另一个端点高程值，将边长度及对应端点高程进行加权求和，与边的总长度进行比例换算，获得F-三角形簇外轮廓地形变化平均高程值；将外轮廓地形变化平均高程值乘以比例系数，与F-三角形簇高程值求和，获得F-三角形簇中心高程点值；将得到的特征点作为部分地形细节，加入不规则三角网进行地形细节精化；

c循环迭代处理步骤(1)中所述地形特征区域，重新建立“结构边”、“非结构边”索引，循环处理，直到地形特征待选区域数目为零或指定数目；

(3)水系特征要素的协调处理：

对于单线河，将线状单线河离散为点集，在建立好的不规则三角网上，内插出三维高程坐标；对于双线河，取其河流结构线，将河流范围线离散成点集，得到，然后，分别向河流结构线做垂线，垂足的高程值由不规则三角网内插得到，即为河流范围线上对应点得三维高程值；

对于面状静止水体，将面状水体的范围线离散为点集，分别在不规则三角网上获得三维高程值，随后进行排序，取出最小高程值，将该高程值乘以一个大于零小于一的比例系数，可获得面状水体的高程值；

(4)顾及地形细节的三维地形特征点形成：

将步骤(2)、(3)所形成的三维地形特征点统一管理，形成最终成果：三维地形细节特征点。

本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法的有益效果如下：

本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，是通过计算三角面的几何特征来判断或找出地形特征点线，再利用TIN的拓扑信息将这些离散的特征点线连接起来。该方法在不规则三角网上，可以自动进行地形特征分析、地形特征提取、地形正负向趋势判断、水系关系协调、水体高程计算以及地形细节优化精化等，解决了用等高线做数据源构建不规则三角网时出现的地形细节精度不够以及地形细节丢失问题。该方法内插的三维地形特征点具有点位分布典型合理、点位数据冗余量极小、高程内插合理等明显优点，可以广泛用于地形数据细节精化优化、地学分析、DEM数据生产等领域。

附图说明

图1为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法的流程示意图。

图2为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法中地形特征区域分析步骤不规则三角网局部结构示意图。

图3为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法中地形特征区域分析步骤中三角形聚类结果图。

图4为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法中地形特征点提取及三维高程智能内插流程图。

图5为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法中开放式F-三角形簇特征提取原理示意图。

图6为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法中封闭式F-三角形簇特征提取原理示意图。

图7为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法中水体关系协调处理算法流程图。

图8为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法的中三维地形特征点智能内插部分区域效果图一。

图9为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法的中三维地形特征点智能内插部分区域效果图二。

图10为本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法的中三维地形特征点智能内插部分区域效果图三。

具体实施方式

如图1所示，本发明的在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，包括如下步骤：

(1)初始三角网生成步骤：按照Delaunay三角剖分原则，将等高线离散为三维高程点集，并构建初始不规则三角网。

地形特征区域分析步骤：初始不规则三角网分析：在不规则三角网上，若同一条等高线上相邻两点间的线段落在不规则三角网中某三角形的一边上，将该边标记为“结构边”；其他边标记为“非结构边”。

如图2所示，BD边为结构边，BC、BA、DC边均为非结构边。

三角形结构分析：遍历整个不规则三角网，将具有三条“结构边”的三角形标记为I型三角形；具有两条“结构边”、一条“非结构边”的三角形标记为II型三角形；将具有一条“结构边”、两条“非结构边”的三角形标记为III型三角形；将具有三条“非结构边”的三角型标记为IV型三角形。如图二，三角形DEF为II型三角形，三角形BCD为III型三角形，I型与IV型三角形依次类推可得。

三角形分类：遍历整个不规则三角网，如图2，三角形DEF三个顶点来源于同一等高线上，其高程相同，则将该三角形标记为F-三角形，三角形BCD、CDF均为F-三角形；若三角形三个顶点高程不完全相同或完全不同，如三角形ADE、ABC则将该三角形标记为N-三角形。

三角形聚类：针对所有的F-三角形建立索引，同时进行三角形聚类分析，将空间关系为邻接关系的F-三角形进行编组，形成F-三角形簇。如图2，蓝色部分多边形BDEFC，这些簇的形成有多种原因：在等高线弯曲较大的地方，由于等高线上相邻的离散点较密，构建不规则三角网的时候容易形成开放式F-三角形簇，这些F-三角形簇往往是丢失了地形细节的山脊或山谷区域；在若干条高程相同的等高线所围成的区域，等高线离散后高程点值相同，构建三角网时也可以形成开放式F-三角形簇，这些簇往往对应着丢失了细节的鞍部地区；若某一闭合等高线内再无其它等高线时，在构建不规则三角网时，容易形成封闭式F-三角形簇，该区域一般为山顶或山谷区域。所有的开放式F-三角形簇、封闭式F-三角形簇，构成地形特征待选区域，如图3的蓝色标注区域。

(2)地形特征点提取及三维高程智能内插步骤：本步骤采取循环迭代方法，将不规则三角网中提取出的地形特征区域，即F-三角形簇进行逐一处理，对每一个F-三角形簇进行类型判断，然后根据不同类型采用不同的局部算法，该步骤算法整体流程图如图4所示。

其中，对于开放式F-三角形簇，其轮廓边由“结构边”和“非结构边”组成，找到其“非结构边”，该“非结构边”系相邻F-三角形与N-三角形的公共边，取其中点，作为待插值点位，其三维高程值的确定由N-三角形与F-三角形簇的面积比例与高程变化比例决定；

以图5为例，蓝色区域为开放式F-三角形簇，红色轮廓线表示不规则三角网中的各个三角形，黑色线条表示等高线，不规则三角网的边E为邻接开放式F-三角形簇与非F-三角形簇之间的公共边，通过对E的中点P插入一个高程点，来达到逐渐消除该开放式F-三角形簇的目的，具体到P点的高程值的确定，本申请采用的方式是，计算开放式F-三角形簇(PanArea)加上E边上邻接的三角形的面积之和TotalArea，通过搜索邻接三角形另外一个点的高程，得到开放式F-三角形簇的外围高程ElevOut，另外，读取当前开放式F-三角形簇的高程(即等高线的高程)ElevIn，通过公式：ElevP＝ElevOut(ElevIn-ElevOut)*PanArea/TotalArea计算点P的高程，并将点P参与不规则三角网的局部重构，当重构完成后，地形细节得到精化，同时该开放式F-三角形簇中F-三角形的数目减少一个，按照上述方法进行迭代处理，直到F-三角形簇中数目为零或为给定阈值，此时，该F-三角形簇处理完毕，进行下一环节处理。

对于封闭式F-三角形簇，其轮廓边均为“结构边”，取F-三角形簇中心点作为待插值点位，其三维高程值的确定采用以下方式：对于F-三角形簇的每一条轮廓边，获得该边的长度，以及该边相邻接的N-三角形的另一个端点高程值，将边长度及对应端点高程进行加权求和，与边的总长度进行比例换算，获得F-三角形簇外轮廓地形变化平均高程值；将外轮廓地形变化平均高程值乘以比例系数，与F-三角形簇高程值求和，获得F-三角形簇中心高程点值。

如图6中，蓝色区域为封闭式F-三角形簇，红色轮廓线表示不规则三角网中的各个三角形，黑色线条表示闭合等高线，对于这一类型的区域，需要进行特殊的处理。E为一条该封闭式F-三角形簇的轮廓边，与边E类型相同的边还有6条，均为该封闭式F-三角形簇的轮廓边，对于每一条这样的轮廓边Ei，可以找到与其邻接的N-三角形的另外一个端点及其相应的高程ElevEiOut，还有该边Ei的长度LengthEi另外，通过求取该封闭式F-三角形簇的中心点，可以得到中心点P，点P的高程则通过以下公式求得：

ElevOutMean＝Sum(ElevEiOut*LengthEi)/Sum(LengthEi)

ElevP＝ElevIn+(ElevIn-ElevOutMean)*PI

其中PI为拉伸系数，该系数为大于零小于一。最后将点P参与不规则三角网的局部重构，当重构完成后，地形细节得到精化，同时该封闭式F-三角形簇中由于加入了一个P点，使得内部分裂为两个开放式F-三角形簇，按照上述开放式F-三角形簇计算方法进行迭代处理，直到分裂后的开放式F-三角形簇中三角形数目为零或为给定阈值，此时，该F-三角形簇处理完毕，进行下一环节处理。

当所有F-三角形簇均处理完毕后，将提取的三维地形特征点，进行保存。

(3)水体关系协调步骤：

如图7所示，水体关系协调处理算法流程图所示：对于单线河，将线状单线河离散为点集，在建立好的不规则三角网上，内插出三维高程坐标。对于双线河，取其河流结构线，将河流范围线离散成点集，得到；然后，分别向河流结构线做垂线，垂足的高程值由不规则三角网内插得到，即为河流范围线上对应点得三维高程值。

对于面状静止水体，将面状水体的范围线离散为点集，分别在不规则三角网上获得三维高程值，随后进行排序，取出最小高程值，将该高程值乘以一个大于零小于一的比例系数，可获得面状水体的高程值。

(4)获得的三维地形特征点与步骤十三所获得的水体特征点统一管理，形成本方法所得的最终成果：三维地形细节特征点。这些特征点很大程度上解决了由等高线构建不规则三角网时，在山脊、山谷、山顶、谷底、鞍部、以及水体区域地形细节丢失的情况，更大程度的优化了地形细节，如图8、9、10中的三维地形特征点智能内插效果图。

通过原始等高线数据生成初始不规则三角网，然后通过标记结构边与非结构边，将三角网中不同类型的三角形加以区分，并按空间邻接关系进行三角形聚类分析，分别获得了山脊、山谷、山顶、谷底、鞍部等能够决定地形轮廓、结构以及走向的地形特征区域，地形特征区域选取准确；并将特征区域分为开放式区域(主要面对山脊、山谷、鞍部)以及闭合区域(主要面对山顶、谷底)，然后通过中点定位法，确定地形特征区域的特征点位，特征点点位分布合理。随后又联系特征区域相关邻接区域进行地形正负向判断，确保了地形特征点点位走势科学；同时结合点线距离权重、特征区域三角形面积权重对地形特征点进行智能高程内插，三维高程插值客观。同时结合了水体数据，并按照单线河、双线河，静止面状水体，对水系数据进行分类处理，顾及了水体与陆地的关系协调，同时获得了水体信息的特征三维高程，丰富了地形细节。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种在不规则三角网上进行三维地形特征点生成的方法，包括如下步骤：

(1)三维地形细节特征区域的提取：

a将等高线离散为高程点，按照Delaunay三角剖分原则，构建初始不规则三角网；

b将不规则三角网中的三角形边进行分类定义，同一条等高线上相邻两点间的线段落在不规则三角网中某三角形的一边上，将该边标记为“结构边”；其它边标记为“非结构边”；

c将不规则三角网中的三角形进行分类定义，遍历整个三角网，将具有三条“结构边”的三角形标记为I型三角形；具有两条“结构边”、一条“非结构边”的三角形标记为I I型三角形；将具有一条“结构边”、两条“非结构边”的三角形标记为I II型三角形；将具有三条“非结构边”的三角型标记为IV型三角形；

遍历整个三角网，若三角形三个顶点高程相同，则将该三角形标记为F-三角形；若三角形三个顶点高程不完全相同或完全不同，则将该三角形标记为N-三角形；

d针对上述三角形分类中的F-三角形建立索引，同时进行三角形聚类分析，将空间关系为邻接关系的F-三角形进行编组，形成F-三角形簇；

这些簇的形成有多种原因：在等高线弯曲较大的地方，由于等高线上相邻的离散点较密，构建不规则三角网的时候容易形成开放式F-三角形簇，这些F-三角形簇往往是丢失了地形细节的山脊或山谷区域；在若干条高程相同的等高线所围成的区域，等高线离散后高程点值相同，构建三角网时也可以形成开放式F-三角形簇，这些簇往往对应着丢失了细节的鞍部地区；若某一闭合等高线内再无其它等高线时，在构建不规则三角网时，容易形成封闭式F-三角形簇，该区域一般为山顶或山谷区域。所有的开放式F-三角形簇、封闭式F-三角形簇，构成地形特征待选区域。

(2)地形特征区域三维特征点智能内插：

a开放式的F-三角形簇，其轮廓边由“结构边”和“非结构边”组成，找到其“非结构边”，该“非结构边”系相邻F-三角形与N-三角形的公共边，取其中点作为待插值点位，其三维高程值的确定由N-三角形与F-三角形簇的面积比例与高程变化比例决定；

b封闭式F-三角形簇，其轮廓边均为步骤二中的“结构边”，取F-三角形簇中心点作为待插值点位，其三维高程值的确定采用以下方式：对于F-三角形簇的每一条轮廓边，获得该边的长度，以及该边相邻接的N-三角形的另一个端点高程值，将边长度及对应端点高程进行加权求和，与边的总长度进行比例换算，获得F-三角形簇外轮廓地形变化平均高程值；将外轮廓地形变化平均高程值乘以比例系数，与F-三角形簇高程值求和，获得F-三角形簇中心高程点值；将得到的特征点作为部分地形细节，加入不规则三角网进行地形细节精化；

c循环迭代处理步骤(1)中所述地形特征区域，重新建立“结构边”、“非结构边”索引，循环处理，直到地形特征待选区域数目为零或指定数目；

(3)水系特征要素的协调处理：

对于单线河，将线状单线河离散为点集，在建立好的不规则三角网上，内插出三维高程坐标；对于双线河，取其河流结构线，将河流范围线离散成点集，得到，然后，分别向河流结构线做垂线，垂足的高程值由不规则三角网内插得到，即为河流范围线上对应点得三维高程值；

对于面状静止水体，将面状水体的范围线离散为点集，分别在不规则三角网上获得三维高程值，随后进行排序，取出最小高程值，将该高程值乘以一个大于零小于一的比例系数，可获得面状水体的高程值；

(4)顾及地形细节的三维地形特征点形成：

将步骤(2)、(3)所形成的三维地形特征点统一管理，形成最终成果：三维地形细节特征点。

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