CN107992588B - 一种基于高程瓦片数据的地形显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于高程瓦片数据的地形显示系统，包括处理器和存储器，存储器中存储有对应于正方形区域地形(边长为W)的n个数字高程模型数据DEM＝{D₁,D₂,...,D_n}；其中，D_i的分辨率为m_i，即包括m_i×m_i个高程数据E＝(x,y,z)，x和y为高程数据E所代表区域的左上角的坐标，z为高程数据E的高度值，i的取值范围为1到n，且m₁＜m₂＜...＜m_n；所述D_i还被切割为x_i×x_i个高程瓦片，每个高程瓦片的分辨率为

处理器执行计算机程序以实现相应的地形显示步骤。

Description

一种基于高程瓦片数据的地形显示系统

技术领域

本发明涉及地理信息系统领域，特别涉及一种基于高程瓦片数据的地形显示系统。

背景技术

数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)是在一定范围内通过规则格网点描述地面高程信息的数据集，用于反映区域地貌形态的空间分布。目前，我国已建成覆盖全国陆地范围的1:100万、1:25万、1:5万DEM数据库。瓦片地图金字塔模型是一种多分辨率层次模型，从瓦片金字塔的底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变。对于固定的缩放级别N，把地图比例尺最大的地图图片作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，从地图图片的左上角开始，从左至右、从上到下进行切割，分割成相同大小(比如256x256像素)的正方形地图瓦片，形成第0层瓦片矩阵；在第0层地图图片的基础上，按例如2x2像素合成为一个像素的方法生成第1层地图图片，并对其进行分块，形成第1层瓦片矩阵；采用同样的方法生成第2层瓦片矩阵；如此下去，直到第N-1层，构成整个瓦片金字塔。

马静谨在《基于瓦片数据的DEM构建与显示》中，将瓦片地图金字塔的思想应用到DEM中，采用地形瓦片重组数据结构的方法实现实时高帧率的绘制大规模地形。该文章中认为，视距是瓦片算法判断数据绘制的依据，靠近视点的地形信息详细，绘制精细瓦片，远离视点处，绘制粗糙层。

三维数字地图(或者说三维地形显示系统)的相关应用中，DEM数据一般来源于权威的测绘机构，通常包含多种精度不同的数据(例如国家基础地理信息中心官方网站的介绍中具有三种不同精度的数据)。重点关注区域(例如离视点较近的区域)调用高精度DEM数据，非重点关注区域(例如离视点较远的区域)为低精度DEM。但是对于某些DEM数据所覆盖的区域，例如俯视视点下某个区域即存在离视点较近的山地区域，又存在离视点较远的平原区域，存在部分区域(例如山地)需要高精度DEM数据，部分区域(例如平原)可以采用低精度DEM数据的情况。对于这种情况，通常的处理方式是对于该区域全部使用高精度DEM数据。这种方式中不丧失重点关注区域的丰富信息，但是由于高精度DEM相较于低精度DEM，其效率和需要处理的数据量均是指数级别的增加，对于非重点区域来说，形成大量的不必要的冗余数据。

发明内容

为克服上述问题，本发明提出一种基于高程瓦片数据的地形显示系统，包括处理器和存储器，存储器中存储有对应于正方形区域地形(边长为W)的n个数字高程模型数据DEM＝{D₁,D₂,...,D_n}；其中，D_i的分辨率为m_i，即包括m_i×m_i个高程数据E＝(x,y,z)，x和y为高程数据E所代表区域的左上角的坐标，z为高程数据E的高度值，i的取值范围为1到n，且m₁＜m₂＜...＜m_n；所述D_i还被切割为x_i×x_i个高程瓦片，每个高程瓦片的分辨率为

所述处理器执行计算机程序以实现以下步骤：

步骤S100，自D₁到D_n遍历DEM获得D_k，使得

其中C为预定义的显示区域内显示的最少高程数据的数量，L＝2Htg(θ/2)，H为视点高度，θ为视锥的顶角。

步骤S200，根据视点在区域地形上的投影坐标(X,Y)，获得对应于视锥外接正方形的D_k的高程瓦片集合T＝{T₁,T₂,...,T_p}；其中X为视点经度(即相对于区域地形左上角的横坐标)，Y为视点纬度(即相对于区域地形左上角的纵坐标)，p为T中高程瓦片的数量。

步骤S300，对于集合T的每个Ti，计算平均高度值

其中

步骤S400，将H-h_i作为Ti所在区域的视点高度H_i，计算L_i＝2H_itg(θ/2)；自D₁到D_n遍历DEM获得D_ki，使得

步骤S500，如果k＝ki，那么将Ti中的高程数据加载到地形中，在显示屏幕上进行显示。

根据本发明的一个方面，通过将高精度DEM和低精度DEM，分别切割成瓦片地图数据，加载到三维数字地图的相关应用中，从而避免产生冗余数据。

根据本发明的另一个方面，在调用高程瓦片数据时，由于精度不同，在两种数据衔接处存在高程差，在绘制并显示瓦片地图数据时出现“断崖”现象。为此，本发明还采取加权平均法实时计算邻接区域的高程值。并利用计算完成的高程值分别对原有低精度的DEM瓦片高程值和高精度的瓦片高程值进行修正。

附图说明

图1是根据本发明的计算机程序执行流程图；

图2是根据本发明的视野范围和显示区域的示意图；

图3是根据本发明的高程瓦片数据的示意图；

图4是根据本发明的邻接区域的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。

本发明提供了一种基于高程瓦片数据的地形显示系统，包括处理器和存储器，存储器中存储有对应于正方形区域地形(边长为W)的n个数字高程模型数据DEM＝{D₁,D₂,...,D_n}。区域地形一般为漫游区域的地形，通常制作成正方形区域以更有效率的适应后续的操作，例如10km*10km的区域。本领域技术人员清楚，区域地形如果是矩形，通过特定的几何变换后，也能够适应后续操作。

根据本发明，在DEM中，D_i的分辨率为m_i，即

其中包括了m_i×m_i个高程数据E＝(x,y,z)(此处方便起见，将E₁₁-E_mimi均简写为E)，x和y为高程数据E所代表区域的左上角的坐标，z为高程数据E的高度值。显然，i的取值范围为1到n。

在一个示例性的例子中，对于10km*10km的区域，如果D_i的分辨率m_i＝1000，那么在Di中，该10km*10km的区域被分成1000*1000＝1*10⁶个正方形栅格。每个正方形栅格代表的面积为(10km*10km)/10⁶＝100平方米，其边长为10米。该例子中，本领域技术人员也能够方便的获得每个高程数据的坐标x和y，例如E₁₁的(x,y)＝(0,0)，E₁₂的(x,y)＝(10,0)，E₂₁的(x,y)＝(0,10)等等以此类推。

根据本发明，m₁＜m₂＜...＜m_n，即意味着DEM中的数字高程模型数据按照精确度由低到高进行排序。

根据本发明，如图1所示，所述处理器执行计算机程序以实现以下步骤：

步骤S100，自D₁到D_n遍历DEM获得D_k，使得

其中C为预定义的显示区域内显示的最少高程数据的数量。m_k和m_k-1分别为D_k和D_k-1的分辨率。

本发明中，如图2所示，首先需要获得漫游视点的位置信息(X,Y,H)，其中(X,Y)为视点在区域地形(例如10km*10km的区域)基准平面(即不考虑地形高度的平面)上的投影坐标，H为视点高度(即相对于基准平面的高度)。根据本发明，H可根据使用三维地形显示系统的用户控制，例如用户单击或持续按下某个按键时，H增加，用户单击或持续按下另一按键时，H减少。本发明中，还需要获得视锥的顶角(视角)θ，如图2所示，从空中进行地形漫游时，受制于视角的限制，视野范围根据视点高度H的不同而构成圆锥形(即视锥)。本发明中，视锥的顶角θ可以由用户通过计算机程序实现的GUI进行设定，例如60度-120度之间，优选90度。

根据视点的高度H和用户设置的视锥的顶角(视角)θ，可以获得视锥与区域地形基准平面相交的圆的直径L(也是该圆的外接正方形的边长)，L＝2Htg(θ/2)。

本领域技术人员知晓，显示屏幕的显示区域为矩形，为适应用户的漫游习惯，本发明中将视锥与基本片面相交的圆的外接正方形显示的显示屏幕的显示区域内，但是这并不意味着将视锥与基本片面相交的圆显示在显示区域的方案不落入本申请的保护范围。

根据本发明，步骤S100，C为预定义的显示区域内显示的最少高程数据的数量。本领域技术人员知晓，在显示屏幕的显示区域内，应当有足够数量的高程数据才能够清楚的显示出容易被用户人眼观测并认知的三维地形。足够数量的最小值即为步骤S100中的“C”，即显示屏幕的显示区域内至少应当显示C个高程数据，这就要求在面积L*L构成的视野范围(准确说应为视野圆的外接正方形)内，至少应当具有C个高程数据，即被选择使用的高程数据模型D_k具有一定的精度。同时，如果D_k的精度过高，也会使得效率和需要处理的数据量均成指数级别的增加，带来较大的负担。

因此，在步骤S100中，使用公式

在DEM选择出合适的D_k，既能够满足显示区域内高程数据的数量要求，又不至于使用过高精度的高程数据模型，导致效率和数据量的大幅度增加。

根据本发明，每个数字高程模型数据均被切割成多个高程瓦片数据，每个高程瓦片数据所覆盖的地理范围一致。如图3所示，虚线的小栅格表示高程数据，4个小栅格的高程数据构成一个实线表示的高程瓦片数据。本领域技术人员清楚，图3仅仅是示例性的，3*3＝9个高程数据构成高程瓦片数据，或者4*4＝16个高程数据构成高程瓦片数据，或者其他数量的高程数据构成高程瓦片数据也适用于本发明。对于任一高程瓦片，容易根据高程数据的坐标获得其对应的坐标，以前述的D_i为例，其中的E₁₁的(x,y)＝(0,0)，E₁₂的(x,y)＝(10,0)，E₂₁的(x,y)＝(0,10)为例，如果2*2＝4个栅格的高程数据构成一个高程瓦片数据，那么高程瓦片数据可以表示为

其中

表示向上取整。此时，T₁₁的(x,y)＝(0,0)，T₁₂的(x,y)＝(20,0)，T₂₁的(x,y)＝(0,20)等等以此类推。

进一步的，本发明中的所有高程模型数据所分隔的所有高程瓦片数据所覆盖的地理范围也一致。例如，对于DEM中的任意两个高程模型数据D_i和D_j，其中D_i被切割为x_i×x_i个高程瓦片，D_j还被切割为x_j×x_j个高程瓦片，那么x_i＝x_j＝x。D_i中每个高程瓦片的分辨率为

即每个高程瓦片包括

个高程数据，D_j中每个高程瓦片的分辨率为

即每个高程瓦片包括

个高程数据。

步骤S200，根据视点在区域地形上的投影坐标(X,Y)，获得对应于视锥外接正方形的D_k的高程瓦片集合T＝{T₁,T₂,...,T_p}；其中X为视点经度(即相对于区域地形左上角的横坐标)，Y为视点纬度(即相对于区域地形左上角的纵坐标)，p为T中高程瓦片的数量。

具体的，步骤S200包括：

步骤S210，获得视锥外接正方形的在经度和纬度(即横坐标和纵坐标)范围，经度范围为[X-L/2，X+L/2]，纬度范围为[Y-L/2，Y+L/2]。

步骤S220，对于D_k中的所有高程瓦片，如果四个顶点坐标中有一个同时落入外接正方形的经度和纬度范围内，那么将该高程瓦片添加到高程瓦片集合T中。

步骤S300，对于集合T的每个T_i，计算平均高度值

其中

x_k＝x，即q表示D_k的每个高程瓦片中的高程数据的数量。

步骤S400，将H-h_i作为T_i所在区域的视点高度H_i，与步骤S100类似，计算L_i＝2H_itg(θ/2)；自D₁到D_n遍历DEM获得D_ki，使得

步骤S500，如果k＝ki，那么将Ti中的高程数据加载到地形中，在显示屏幕上进行显示。

步骤S600，如果k＜ki，那么获得对应于Ti所在区域的D_ki的高程瓦片T_i'；对于该高程瓦片T_i'，重复执行步骤S300-S500，即计算获得T_i'的平均高度值h_i'，并根据H-h_i'作为所在区域的视点高度H_i'，进而再次遍历DEM获得相应的高程数据模型，并判断是否满足在显示屏幕上进行显示的条件，其具体方式和S300-S500一致，不再赘述。

通过步骤S300-S600，对于视锥外接正方形所在区域覆盖的每个Ti，分别使用更为准确的反应区域地形的高程数据代替基准平面，进而获得相对于某个D_k更为准确的多个D_ki。这样，即避免了使用高精度的高程数据模型统一显示所带来的数据量的指数级增加，又不丧失重点关注区域(例如离视点较近区域)的丰富细节信息。

进一步的，考虑到地形数据中低于基准平面的数据较少，因此所述步骤S300中，如果h_i≤0(低于基准平面的数据，例如“大坑”)，那么将Ti作为地形显示中使用的高程数据，不再执行后续步骤。

根据本发明，在步骤S600之后，视锥外接正方形所在区域覆盖的每个Ti可能来自不同精度的高程数据模型，由于精度不同，在两种数据衔接处存在高程差，在绘制并显示瓦片地图数据时出现“断崖”现象。

因此，在步骤S600之后，还进一步执行以下步骤：

步骤S610，如果邻接的两个高程瓦片分别属于DEM中不同的高程模型数据，那么获取所述两个高程瓦片的邻接区域。

如图4所示，本发明中的邻接区域定义为两个具有不同分辨率(即使用DEM中不同分辨率的高程模型数据)的高程瓦片中相互邻接的高程数据所在的区域。例如图4中，示例性的显示了TA和TB两个高程瓦片，其分辨率分别为4*4和8*8，相互邻接的高程数据包括A1-A4和B1-B8共12个高程数据。

步骤S620，对邻接区域内的任一高程数据F＝(x_F,y_F,z_F)，采用以下公式进行修正。

其中，s₁和s₂分别为该高程数据所在栅格的中心坐标到邻接区域所邻接的两个瓦片中心点的距离，Z_F1和Z_F2为高程数据F分别在两个不同的高程模型数据中的高程值。

以B3为例进行说明，其s₁和s₂如图4中所示，定义为B3的栅格中心点到邻接的两个瓦片TA和TB中心点的距离。由于TA和TB的分辨率并不相同，也就意味着分别来源于不同的两个高程数据模型，将TA瓦片源于的高程模型数据命名为DA，将TB瓦片源于高程数据模型命名为DB，那么Z_F1和Z_F2分别为B3在DA和DB中对应的位置处的高程数据中的高度值。

通过步骤S610和步骤S620，本发明还采取加权平均法实时计算邻接区域的高程值，并利用计算完成的高程值分别对原有低精度的DEM瓦片高程值和高精度的瓦片高程值进行修正。

根据本发明，显示屏幕往往呈现为矩形，因此对于显示区域中超过视锥外接正方形的区域(例如图2中左右两侧的白边)，由于超出了视野范围，因此不再显示。但是优选的，为了提升用户体验，仍然进行显示，具体的，采用最为粗糙的D₁中对应的高程数据进行显示。

此外，据公开的本发明的说明书，本发明的其他实现对于本领域的技术人员是明显的。实施方式和/或实施方式的各个方面可以单独或者以任何组合用于本发明的系统和方法中。说明书和其中的示例应该是仅仅看作示例性，本发明的实际范围和精神由所附权利要求书表示。

Claims (4)

1.一种基于高程瓦片数据的地形显示系统，包括处理器和存储器，存储器中存储有对应于边长为W的正方形区域地形的n个数字高程模型数据DEM＝{D₁,D₂,...,D_n}；D_i的分辨率为m_i，即

包括了m_i×m_i个高程数据，其中每个高程数据E＝(x,y,z)，x和y为高程数据E所代表区域的左上角的坐标，z为高程数据E的高度值，i的取值范围为1到n，且m₁＜m₂＜...＜m_n；所述D_i还被切割为x_i×x_i个高程瓦片，每个高程瓦片的分辨率为

所述处理器执行计算机程序以实现以下步骤：

步骤S100，自D₁到D_n遍历DEM获得D_k，使得

其中C为预定义的显示区域内显示的最少高程数据的数量，L＝2Htg(θ/2)，H为视点高度，θ为视锥的顶角；

步骤S200，根据视点在区域地形上的投影坐标(X,Y)，获得对应于视锥外接正方形的D_k的高程瓦片集合T＝{T₁,T₂,...,T_p}；其中X为视点经度，即相对于区域地形左上角的横坐标，Y为视点纬度，即相对于区域地形左上角的纵坐标，p为T中高程瓦片的数量；

步骤S300，对于集合T的每个Ti，计算平均高度值

其中

步骤S400，将H-h_i作为Ti所在区域的视点高度H_i，计算L_i＝2H_itg(θ/2)；自D₁到D_n遍历DEM获得D_ki，使得

步骤S500，如果k＝ki，那么将Ti中的高程数据加载到地形中，在显示屏幕上进行显示；

步骤S600，如果k＜ki，那么获得对应于Ti所在区域的D_ki的高程瓦片T_i'；对于该高程瓦片T_i'，重复执行步骤S300-S600，直至k＝ki。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述步骤S300中，如果h_i≤0，那么将Ti作为地形显示中使用的高程数据，不再执行后续步骤。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在步骤S600之后还执行以下步骤：

步骤S610，如果邻接的两个高程瓦片分别属于DEM中不同的高程模型数据，那么获取所述两个高程瓦片的邻接区域；

步骤S620，对邻接区域内的任一高程数据F＝(x_F,y_F,z_F)，采用以下公式进行修正：

其中，s₁和s₂分别为该高程数据所在栅格的中心坐标到邻接区域所邻接的两个瓦片中心点的距离，Z_F1和Z_F2为高程数据F分别在两个不同的高程模型数据中的高程值。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，对于显示区域中超过视锥外接正方形的区域，采用D₁中对应的高程数据进行显示。

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