CN107886570A - 一种兼顾精度与效率的可视域计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼顾精度与效率的可视域计算方法，包括以下骤：（1）将地表网格进行方形环及扇区划分；（2）为各扇区建立垂直投影面并划分条带；（3）将第1环上各格网点投影至垂直投影面以得到一条条带化的天际线；（4）结合上一环条带化天际线逐网格点判断当前环当前点是否可见，并输出该点的可见性；（5）根据当前环各网格点的投影高程更新上一环的天际线；（6）重复步骤（4）至步骤（5）直至所有环均被处理为止。上述方法在任一环内各网格点的遮挡信息均体现在最新的天际线上，通过对该天际线进行条带离散化，并以此作为格网点可视性判断的依据，使得本发明方法在保证相近精度的前提下，比现有近似计算方法的时间效率更高。

Description

一种兼顾精度与效率的可视域计算方法

技术领域

本发明专利涉及可视域分析技术领域，具体涉及一种兼顾精度与效率的可视域计算方法。

背景技术

可视域分析（地形可视性分析）是根据通视性原理分析相对于视点可见的所有区域范围的方法和技术，在设施选址、景观路线规划及安防监控等实际问题中具有重要应用价值。实际问题解决中，常将周围地物抽象为一个统一的表面（如地形表面或城市地表），而这个抽象表面又常用规则网格来表示。为此，可视域计算通常为寻找相对于某一视点（即观测点）所有的可见网格点。吕品等人在其专著《地形可视性分析与应用》中归纳总结了部分常见地形可视域的计算方法，可分为以下几类：

（1）无复用逐点计算法：典型代表为R3算法。基本原理为从视点位置出发向观测范围内的每个网格点引一条光线（称为视线）；如果当前视线被其它网格点遮挡，则当前网格点不可见；否则为可见。是否遮挡则需根据可视高程及斜率进一步比较判断。该方法的优点是精度非常高，被认为是一种精确计算方法；缺点是算法效率非常低下，对于n×n的地形网格其时间复杂度高达O (n³)。

（2）复用向内最近点法：典型代表为R2算法。基本原理为只精确计算视野边界点的可见性，对于边界范围内部的点则采用边界点视线与网格线交叉点来逼近。该方法的优点是算法效率较高，对于n×n的地形网格其时间复杂度为O (n²)，缺点是准确性较差，存在一些错误计算的点，是一种近似方法。

（3）复用外向逐点计算法：典型代表为xDraw算法及参考面算法。基本原理为以视点为中心，将视野范围划分为多个同心方形环，然后自里向外记录各环上每点的最低可视高程；外环某一点的可见性由内环邻近两点的最低可视高程来决定。该方法与复用向内最近点法类似，算法效率较高，对于n×n的地形网格其时间复杂度为O (n²)，但准确性较差，是一种近似方法。

上述优化方法均以精度损失为代价来提高可视域计算的时间效率。在许多实际应用中，可视域计算的准确性也是一个重要的衡量因素。因此，现有的可视域的计算方法有待进一步改进，使得既能保持可视域计算的准确性也能大幅提高可视域计算的时间效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种兼顾精度与效率的可视域计算方法，通过对能精确反映各网格点遮挡信息的天际线进行条带离散化，并以此作为格网点可视性判断的依据，使得本发明方法在保证相近精度的前提下，比现有近似计算方法的时间效率更高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种兼顾精度与效率的可视域计算方法，包括以下骤：

（1）将地表网格进行方形环及扇区划分；

（2）为各扇区建立垂直投影面并划分条带；

（3）将第1环上各格网点投影至垂直投影面以得到一条条带化的天际线；

（4）结合上一环条带化的天际线逐网格点判断当前环当前点是否可见，并输出该点的可见性；

（5）根据当前环各网格点的投影高程更新上一环的天际线；

（6）重复步骤（4）至步骤（5）直至所有环均被处理为止。

所述步骤（1）中的地表网格方形环划分是以视点为中心进行划分，并自里向外进行编号，最内侧一环编号为1，编号向外依次增大。

所述步骤（1）中的扇区划分方式为沿方形环的两条对角线将整个地形网格划分为4个扇区，每个扇区分别由两条相邻对角线及最外层方形环的一条边构成。

所述步骤（2）中的各扇区建立垂直投影面并划分条带的具体方式为以视点位置为中心，沿当前扇区的视线方向在某一特定距离处设置一个垂直投影面。

所述的特定距离设置在最大视域范围内。

所述步骤（2）中条带划分的具体方式为以一定的间隔将各垂直投影面沿水平方向划分为不同的竖直条带。

所述步骤（3）的具体步骤为：

根据三角形相似原理计算环上各格网点的投影点高度及条带号；

将各投影点依次连接成折线段以形成一条连续的天际线；

计算该天际线所跨越的各条带的高度，所有这些条带的顶端共同构成了一条条带化的天际线；

所述天际线所跨越的各条带的高度，为上一条带的高度加上当前天际线的斜率得到当前条带的高度。

所述步骤（4）的具体步骤为：

计算当前点的投影高度及对应的条带；

比较投影高度与对应条带所记录的上一环天际线的高度，若前者大于后者，则当前点可见，否则，当前点不可见。

所述步骤（5）的具体步骤为：

对于当前环的第一个和最后一个网格点而言，比较该网格点的投影的高度与该点对应条带所记录的高度，若前者大于后者，则用前者高度替换后者高度；否则，则无需更新；

对于当前环的中间网格点而言，获取当前网格点与上一网格点的条带，然后从上一网格点的条带开始，逐条带更新各条带的高度，直至遇到当前网格点对应的条带为止；具体的更新方法为：利用上一网格点的条带高度加上当前网格点投影与上一网格点投影连线的斜率，若相加后的高度大于当前网格点对应的条带高度，则利用相加后的高度替换当前网格点对应的条带高度；否则，则无需更新。

本发明的有益效果是：任一环内各网格点的遮挡信息均体现在最新的天际线上，基于该天际线的可视性判断如实反映了目标点与视点间的视线遮挡情况，通过对该天际线进行条带离散化，并以此作为格网点可视性判断的依据，使得本发明方法在保证相近精度的前提下，比现有近似计算方法的时间效率更高。

附图说明

附图1为本发明的可视域计算流程图；

附图2为本发明中对地表网格方形环及扇区划分的示意图；

附图3为本发明中第1扇区的垂直投影面及条带划分的示意图；

附图4为本发明第1环的条带化天际线的示意图；

附图5为本发明第2环各网格点可视性计算及天际线更新的示意图。

图中：叉点为上一条天际线的各顶点；三角形点为当前环各点投影；圆点为上一条天际线与当前环各点投影的连线的交点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示的一种兼顾精度与效率的可视域计算方法，具体实施步骤如下：第一步 (图2)，先对地表网格以视点V为中心划分成4个方形环，并自里向外依次编号为1～4；然后，用最外环的对角线将所有环划分成I、II、III、IV共4个扇形区域。

第二步（图3），在各扇区的最大视野范围处竖起一个垂直投影面P，并按照一定的间隔将投影面划分成若干个条带。

第三步（图4）：将第1个环的3个网格点分别投影至垂直投影面上，根据三角形相似原理计算各格网点投影点的高度及条带号，将3个投影点依次连接成两条折线段，然后分别对每条折线段进行条带化。以P'₀₀P'₀₁为例，先找出P'₀₀的条带(条带0)，将该条带的高度设置为P'₀₀的高度，然后后续各条带的高度则通过上一条带的高度加上P'₀₀P'₀₁的斜率而得。图中各条带中的短划线为各条带的高度，所有短划线共同构成了一条条带化的天际线。

第四步（图5）：根据相似原理计算当前环各网格点的投影高度及对应的条带，将各网格点的投影高度与对应条带的高度作比较，若前者大于后者，则当前点可见（如P'₁₁和P'₁₃）；否则，则当前点不可见（如P'₁₀、P'₁₄和P'₁₄）。

第五步：连接当前环的各投影点以得到若干线段，将各线段逐条更新至上一环的天际线中。以图4的第2环为例，假设图中的水平短虚线为第1环的天际线，斜虚线为第2环的各投影点的连线。从条带0（P'₁₀对应的条带）开始逐条带更新各条带的高程，直至条带16（P'₁₄对应的条带）为止。由于P'₁₀的高度小于条带0的原高度，因此，条带0的高度不作更新。对于后续各条带，若其计算高度小于原高度（如条带0~2,6~10,14~16），则不作更新；若大于原高度，则用计算高度代替原高度（如条带3~5,11~13）。条带i的计算高度为条带i-1的最终高度加上当前斜虚线的斜率，如条带3的计算高度为条带2的最终高度加上P'₁₀P'₁₁的斜率。

第六步：参照步骤4～5的方法依次处理剩下的环。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于，包括以下骤：

（1）将地表网格进行方形环及扇区划分；

（2）为各扇区建立垂直投影面并划分条带；

（3）将第1环上各格网点投影至垂直投影面以得到一条条带化的天际线；

（4）结合上一环条带化天际线逐网格点判断当前环当前点是否可见，并输出该点的可见性；

（5）根据当前环各网格点的投影高程更新上一环的天际线；

（6）重复步骤（4）至步骤（5）直至所有环均被处理为止。

2.根据权利要求1所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于：所述步骤（1）中的地表网格方形环划分是以视点为中心进行划分的，并自里向外进行编号，最内侧一环编号为1，编号向外依次增大。

3.根据权利要求1所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于：所述步骤（1）中的扇区划分方式为沿方形环的两条对角线将整个地形网格划分为4个扇区，每个扇区分别由两条相邻对角线及最外层方形环的一条边构成。

4.根据权利要求1所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于：所述步骤（2）中的各扇区建立垂直投影面并划分条带的具体方式为以视点位置为中心，沿当前扇区的视线方向在特定距离处设置一个垂直投影面。

5.根据权利要求4所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于：所述的特定距离设置在最大视域范围内。

6.根据权利要求4所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于，所述步骤（2）中条带划分的具体方式为以一定的间隔将各垂直投影面沿水平方向划分为不同的竖直条带。

7.根据权利要求1所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于，所述步骤（3）具体的步骤为：

根据三角形相似原理计算环上各格网点的投影点高度及条带号；

将各投影点依次连接成折线段以形成一条连续的天际线；

计算该天际线所跨越的各条带的高度，所有这些条带的顶端共同构成了一条条带化的天际线。

8.根据权利要求7所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于：所述天际线所跨越的各条带的高度，为上一条带的高度加上当前天际线的斜率得到当前条带的高度。

9.根据权利要求1所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于，所述步骤（4）的具体步骤为：

计算当前点的投影高度及对应的条带；

比较投影高度与对应条带所记录的上一环天际线的高度，若前者大于后者，则当前点可见，否则，当前点不可见。

10.根据权利要求1所述的兼顾精度与效率的可视域计算方法，其特征在于，所述步骤（5）具体步骤为：

对于当前环的第一个和最后一个网格点而言，比较该网格点的投影的高度与该点对应条带所记录的高度，若前者大于后者，则用前者高度替换后者高度；否则，则无需更新；

对于当前环的中间网格点而言，获取当前网格点与上一网格点的条带，然后从上一网格点的条带开始，逐条带更新各条带的高度，直至遇到当前网格点对应的条带为止；具体的更新方法为：利用上一网格点的条带高度加上当前网格点投影与上一网格点投影连线的斜率，若相加后的高度大于当前网格点对应的条带高度，则利用相加后的高度替换当前网格点对应的条带高度；否则，则无需更新。