CN106373190A - 基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法，包括：步骤1：建立航道的立体三维显示模型；步骤2：构建不规则四边形边框；步骤3：对每一个四边形进行等分，并将对边对应等分点相连形成栅格；步骤4：将三角网格中的每一个三角形顶点映射到栅格中，并记为对应栅格的数据点；步骤5：分别提取出数据点在对应栅格中的行列数据；步骤6：采用均值滤波或高斯滤波方法对切面的数据点进行平滑处理；步骤7：通过绘制Catmull‑Rom曲线得到不规则航道的切面的曲线图。本发明省去从散点图构建中间形式数据的步骤，能够适用于不规则形状航道，更快的得到任意一数据点所对应位置的切面数据。

Description

基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法

技术领域

本发明涉及航道显示技术，具体地，涉及一种基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法。

背景技术

传统的航道电子海图是作为航道管理部门用于引航以及航道疏浚等航道管理、维护的主要依据。二维电子海图只由二维的图像来表述信息，一般通过等深线等来表述深度信息，虽然能够提供较为准确的信息，但是对于划定的等深线间的信息却无法显示，且表述的信息也不够直观。三维显示已经广泛用于城市地图等GIS领域，但在航道等领域仍没有被采用。通过对航道河床的三维显示结合切面信息能够更加详细的表述连续深度信息，且三维的模型能够更加直观地帮助理解航道的淤塞情况。

目前常见的三维显示技术都是从确切的三维对象中构建三维模型并显示。对于数据源满足要求的情况，此类技术能够较好的解决三维显示的问题。但是对于数据源为原始的离散测量点数据，需要解决从离散点到三维模型构建的问题。对于规则图形，直接通过栅格数据即可得到，但对于不规则形状航道直接通过栅格数据来得到切面数据较为繁琐。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法。

根据本发明提供的基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法，包括如下步骤：

步骤1：通过绘制航道表面、侧面以及底面三角网格建立航道的立体三维显示模型；

步骤2：确定航道图形所包含图形区域的四个顶点，并构建不规则四边形边框；

步骤3：对每一个四边形进行等分，并将对边对应等分点相连形成栅格；

步骤4：将三角网格中的每一个三角形顶点映射到栅格中，并记为对应栅格的数据点，对于栅格中在航道覆盖区域无数据点的情况，则采用双线性插值或最邻近插值法得到数据点；

步骤5：对于任意一数据点所在的横纵切面，分别提取出该数据点在对应栅格中的行列数据；

步骤6：采用均值滤波或高斯滤波方法对切面的数据点进行平滑处理；

步骤7：通过绘制Catmull-Rom曲线得到不规则航道的切面的曲线图。

优选地，所述步骤1包括：

步骤1.1：通过Delaunay三角剖分将散点图转化为三角网格；或者

根据需求在较大或形状较为狭长的三角形中采用最邻近、双三次插值方法插入适当数量的点并分割所在的三角形，构成三角网格。

步骤1.2：通过绘制三角网格中的每个三角形来得出线性插值的航道河床的表面图；

步骤1.3：分别构建底面和侧面的三角网格，并结合河床的表面图构建立体三维显示模型。

优选地，所述步骤1.3包括：

步骤1.3.1：对于每个河床面三角网格中的三角形构建对应深度坐标，并设为统一底面深度值，得到底面的三角网格；

步骤1.3.2：通过检测每一条边所参与构建的三角形数量得到三角网格的边缘，并根据处于边缘的每一个面的侧边以及该面所对应底面中相应的侧边组建成侧面的三角网格；

步骤1.3.3：结合底面的三角网格、侧面三角网格以及河床的表面图构建立体三维显示模型。

优选地，所述步骤7包括：对于经过平滑处理后的切面数据中的每连续四点分别作为Catmull-Rom曲线，并取Catmull-Rom曲线中p2与p3间的一段作为切面曲线在p2与p3间的部分，从而绘制出切面的曲线图；其中：p2与p3分别表示切面数据连续四点中的第二个数据点和第三个数据点。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、相较于传统的二维电子海图显示，本发明中的方法采用了三维航道以及任意点切面显示，从而能够使得用户对航道有更加直观的了解，尤其是对航道淤塞状况以及清淤的具体工作量和区域有更加清晰地了解，为航道管理部门决策提供的依据，同时也能够为船只引航作参考。

2、本发明通过对散点进行三角切分将散点数据连接成不重叠的三角网格，来构建三维显示模型，同时对不规整的航道进行栅格化来进行快速实时的切面数据提取与现实，并通过滤波技术来对切面数据进行润滑，使得切面更接近实际，减少侧脸误差与数据稀疏导致的切面显示生硬。

3、本发明直接从散点数据构建航道三维显示所需的模型，能够省去从散点图构建中间形式数据的步骤，同时提供一种针对不规则形状航道栅格化和快速提取和显示切面的方法，能够更快的得到任意一点所对应的位置的切面数据。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为三维模型图；

图2为不规整河床栅格划分图；

图3为Catmull-Rom曲线示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

不同于城市三维地图等，航道即河床为不规则的曲面，无法直接构建出精准的模型，且航道测量得到的数据多为离散的散点图，并处于成本因素和实际测量作业方式；从测量部门得到的数据，往往具有无序性和稀疏性。本发明通过对散点进行三角切分将散点数据连接成不重叠的三角网格，来构建三维显示模型，同时将不规整的航道进行栅格化以进行快速实时的切面数据提取，并通过滤波技术来对切面数据进行润滑，使得切面更接近实际，减少侧脸误差与数据稀疏导致的切面显示生硬。

相较于传统的二维电子海图显示，本发明中的方法采用了三维航道以及任意点切面显示，从而能够使得用户对航道有更加直观的了解，尤其是对航道淤塞状况以及清淤的具体工作量和区域有更加清晰地了解，为航道管理部门决策提供的依据，同时也能够为船只引航作参考。

本发明通过对散点数据通过三角切分构建航道河床表面的三角网格，再由此网格提取出航道区域的边缘并构建航道边框和底面。同时本发明通过构建等分的栅格网格，并将三角网格的顶点映射到对应位置，对于其余位置进行差值来得到对应点的数据。最后通过滤波处理来平滑切面数据，对切面数据中每三个连续的点将其分别作为Catmull-Rom曲线的起点与终点绘制曲线。

具体地，如图1所示，首先通过Delaunay三角剖分将散点图转化为三角网格，通过这一步可以将无序的散点图转化为不规整的网面；其次，通过绘制三角网格中的每个三角形即可绘制出线性插值的航道河床的表面图，或者根据需求也可以在较大或形状较为狭长的三角形中采用最邻近、双三次等插值方法插入适当数量的点并分割所在的三角形，使得构建的三角网格面更加的平滑。

为构建立体三维显示模型，需要构建底面与侧面。对于每个河床面三角网格中的三角形构建对应深度坐标设为统一底面深度值即可构建底面的三角网格。对于侧面，首先得到上述三角网的边缘，可以通过检测每一条边所参与构建的三角形数量来达到这一目的，然后对于处于边缘的每一条面以及其在底面中对应的边构成的四边形即形成了侧面。

对于形状具有一定不规则性的航道，如图2所示，通过先确定图形包含图形区域的四个顶点构建不规则四边形边框，再通过对每一个四边形进行等分来，对边对应等分点相连形成栅格。再将三角网格中的每一个三角形顶点映射到栅格中，对于栅格中在航道覆盖区域的无数据点，采用双线性插值或最邻近插值。对于任意一点所在的横纵切面即分别取此点对应栅格中点所在行列数据。

对于上述得到的切面数据可能会由于插值方式选择不当、测量数据误差以及栅格密度选择不当导致切面数据存在突兀或频繁波动的现象。对此可以采用均值滤波或高斯滤波来去除部分高频部分信息，达到平滑的目的。

经过平滑处理后的切面数据，对于每连续四点如图3，分别作为Catmull-Rom曲线的四个控制点，绘制Catmull-Rom曲线，并取Catmull-Rom曲线中p2与p3间的一段作为切面曲线在p2与p3间的部分，从而绘制出切面的曲线图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过绘制航道表面、侧面以及底面三角网格建立航道的立体三维显示模型；

步骤2：确定航道图形所包含图形区域的四个顶点，并构建不规则四边形边框；

步骤3：对每一个四边形进行等分，并将对边对应等分点相连形成栅格；

步骤4：将三角网格中的每一个三角形顶点映射到栅格中，并记为对应栅格的数据点，对于栅格中在航道覆盖区域无数据点的情况，则采用双线性插值或最邻近插值法得到数据点；

步骤5：对于任意一数据点所在的横纵切面，分别提取出该数据点在对应栅格中的行列数据；

步骤6：采用均值滤波或高斯滤波方法对切面的数据点进行平滑处理；

步骤7：通过绘制Catmull-Rom曲线得到不规则航道的切面的曲线图。

2.根据权利要求1所述的基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1：通过Delaunay三角剖分将散点图转化为三角网格；

步骤1.2：通过绘制三角网格中的每个三角形来得出线性插值的航道河床的表面图；

步骤1.3：分别构建底面和侧面的三角网格，并结合河床的表面图构建立体三维显示模型。

3.根据权利要求1所述的基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法，其特征在于，所述步骤1.3包括：

步骤1.3.1：对于每个河床面三角网格中的三角形构建对应深度坐标，并设为统一底面深度值，得到底面的三角网格；

步骤1.3.2：通过检测每一条边所参与构建的三角形数量得到三角网格的边缘，并根据处于边缘的每一个面的侧边以及该面所对应底面中相应的侧边组建成侧面的三角网格；

步骤1.3.3：结合底面的三角网格、侧面三角网格以及河床的表面图构建立体三维显示模型。

4.根据权利要求3所述的基于稀疏散点数据的三维航道与切面显示方法，其特征在于，所述步骤7包括：对于经过平滑处理后的切面数据中的每连续四点分别作为Catmull-Rom曲线，并取Catmull-Rom曲线中p2与p3间的一段作为切面曲线在p2与p3间的部分，从而绘制出切面的曲线图；其中：p2与p3分别表示切面数据连续四点中的第二个数据点和第三个数据点。