CN108648271B - 一种基于gis数据生成复杂地形网格模型的插值方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建模技术领域，并公开了一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，该方法包含以下步骤：1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；2)通过输入特征参数，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格；3)通过程序实现提取研究区域的实际地形数据，根据实际地形高程值插值得到对应平坦地形网格节点的高程值，实现实际地形网格生成。本发明得到的实际地形网格准确度高、网格质量好，为复杂地形的数值模拟提供了高仿真的地形模型，插值算法十分简单，显著提高计算效率。

Description

一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法

技术领域

本发明属于建模技术领域，更具体地，涉及一种生成复杂地形网格模型的插值方法。

背景技术

目前，对于复杂地形的数值模拟研究属于国内外研究热点：了解近地层的风场特征，对于风能评估、大气环境影响评价以及气象灾害风险评估等都有着重要的意义，通常需要利用数值模拟的方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料；虚拟军事战场环境仿真中，必须通过数值模拟构建一个高实时性、高逼真度的三维复杂地形环境；低空飞行环境复杂多变，很多飞行活动(如飞机的起飞和着陆)都是在距地面1000m以下的低空，因此必须通过数值模拟的手段，有效建立实际复杂地形模型。真实地形的地貌形态复杂，地势高低起伏，地形范围大，在研究中复杂地形模型能否有效的模拟实际地形，网格的准确性显得尤为重要。

唐矗和洪冠新从等高线地图上提取多个点的坐标及其对应高程值，利用曲面样条插值技术把离散的地形数据通过插值得到一个光滑的地形曲面，建立复杂地形的三维数字模型；但是从等高线上提取的点坐标比较疏散，可能无法更逼真地还原地形细节，而且导致采用样条函数插值得到高程精确度降低。梁力等在结构化网格离散方法的基础上，利用自然三次样条函数插值法对三维复杂矿体自动划分网格，但采用三次样条函数插值高程的方法过于理想化，某种程度上不能真实反映实际地形的变化。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于GIS地形数据生成复杂地形网格模型的插值方法，该方法简单明了，可操作性高，能有效地提高复杂地形网格的准确性，降低人工操作的复杂性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTER GDEM 30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；

2)通过输入三维平坦地形模型的特征参数并调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，其中，所述特征参数包括计算域尺寸、网格尺寸和加密区半径；

3)提取所述研究地形区域的实际地形数据，根据实际地形的高程值插值得到对应三维平坦地形的网格节点的高程值，生成实际地形网格模型。

优选地，步骤1)具体包括以下子步骤：

1.1)选取研究地形区域，在地理空间数据云下载得到ASTER GDEM 30m分辨率大地坐标下的地形数据；

1.2)将下载得到的地形数据导入至ArcMap中，进行前处理，将地形数据导出为包含x、y、z三维坐标形式的txt文件。

优选地，步骤3)包括以下子步骤：

3.1)筛选研究地形区域内的有效地形数据；

3.2)修改三维平坦地形模型底面网格节点的高程：根据模型底面网格节点的x、y坐标，查找出在其周围的4个地形数据点，使用这些地形数据点的高程通过三点共面法线性插值得到三维平坦地形模型底面该网格节点的高程，其中三点共面法线性插值是当查找出某个网格节点所在的实际地形网格的位置后，判断该节点所在的三角形，并用该三角形的3个地形数据点高程所形成的的平面线性插值得到该节点的高程值；

3.3)修改三维平坦地形模型除底面外其余网格节点的高程，从而得到实际地形网格模型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)从建立三维平坦地形模型，到筛选研究地形区域的有效地形数据，以及实现地形数据点与平坦地形网格点之间的数据转换，生成实际地形模型网格文件，实现程序化建模，显著降低复杂地形模型网格划分的复杂程度。

(2)通过本发明提出的有效的插值方法与常规的插值方法相比，得到的实际地形网格准确度高、网格质量好，为复杂地形的数值模拟提供了高仿真的地形模型，另外，插值算法十分简单，显著提高计算效率。

附图说明

图1是本发明所提出的三点共面插值法的示意图；

图2是本发明提出作为对比的插值方法——距离倒数加权法的示意图；

图3a和图3b分别是本发明提出作为对比的插值方法——高斯曲面法和节点在地形网格中的示意图；

图4是本发明采用三点共面法插值得到实际地形网格示意图；

图5是本发明提出作为对比的插值方法——距离倒数加权法插值得到实际地形网格示意图；

图6是本发明提出作为对比的插值方法——高斯曲面法插值得到实际地形网格示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图6，一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，该方法包括以下步骤：

1)、选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTER GDEM 30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件，具体过程如下：

1.1)选取研究地形区域，实施例中经度112.9°、纬度22.2°，在地理空间数据云下载得到对应的ASTER GDEM 30m分辨率数字地形数据。

1.2)将下载得到的地形文件导入至ArcMap中，进行前处理，将地形文件导出为包含x、y、z三维坐标形式的txt文件。

2)、通过输入特征参数，调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，具体过程如下：

2.1)输入用户指定特征参数(实施例中，计算域边长lt＝4000m，计算域高度h＝2000m，最大网格尺寸lc1＝100m，最大网格尺寸lc2＝30m，加密区半径r＝400m)。

2.2)根据输入特征参数，调用Gmsh实现计算域内平坦网格自动划分。

3)、通过程序实现提取研究区域的实际地形数据，根据实际地形高程值插值的到对应平坦地形网格中节点的高程值，实现实际地形网格生成。

3.1)筛选研究地形区域内的有效地形数据。通常从地理空间数据云所下载的地形数据以经度1°×纬度1°的面积为单位，但往往研究地形区域很小，仅为所下载地形区域内的一小部分，因此为了更高效的建立地形模型，通过程序实现根据研究区域计算域的大小筛选提取稍大于计算域的地形数据，为插值得到真实地形网格提供数据来源。

3.2)修改平坦地形模型底面网格节点的高程。由于上一步提取出的有效地形数据点与平坦地形模型底面的网格节点不重合，运行程序，根据模型底面网格节点的x、y坐标，查找出在其周围的4个地形数据点，然后使用这些地形数据点的高程通过插值得到模型底面该网格节点的高程。本发明采用了三点共面法线性插值得到网格节点的高程，其是当查找出某个网格节点所在的实际地形网格的位置后，判断该节点位于哪个三角形内，并用三角形的3个地形数据点高程所形成的的平面线性插值得到该节点的高程值，划分的实际地形网格如图4所示；提出的对比插值方法——距离倒数加权法插值得到的地形网格如图5所示；提出的对比插值方法——高斯曲面法插值得到的实际地形网格如图6所示。

为了体现出本发明插值方法的有效性，将与常规的插值方法进行对比，以距离倒数加权法和高斯曲面法为例。距离倒数加权法采用网格节点与周围4个地形数据点的平面距离L₁、L₂、L₃、L₄加权插值得到该节点的高程值，如图2所示，其计算公式如式(1)。高斯曲面法指：对于一个4节点的矩形区域，如果其中一个节点纵坐标为1，其余三个节点纵坐标为0，那么这个矩形区域内纵坐标分布将组成一个高斯曲面(函数Z＝(X-1)(Y-1))，如图3所示，那么对于落在4个地形数据点所围成的矩形中的网格节点，它的高程值可以看做由四个高四曲面的高程值叠加而成，由式(2)得到。

式(1)中，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄分别表示4个地形数据点高程值，L₁、L₂、L₃、L₄分别表示三维平坦地形网格节点与周围4个地形数据点的平面距离，Z为插值得到的三维平坦地形网格节点高程值；式(2)中，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄分别表示4个地形数据点高程值，X、Y表示三维平坦地形网格节点的横、纵坐标，L表示地形数据网格边长。

对比三种插值方法所得到的实际地形网格，从图4～图6可以看出，当采用本发明提出的三点共面法插值时，所得到的实际地形网格十分光滑，更接近实际情况，而另外两种插值方法所得到的地形网格显然跟实际差别很大，对于需要进行精细化地形模拟时，本发明所提出的地形插值方法优势显而易见。

3.3)修改模型除底面外其余网格节点的高程，由于模型在竖向采用σ网格，即相邻网格尺寸比值为定值的网格，所以其余节点的高程随对应的底面网格点高程的变化产生相应变化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTER GDEM 30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；

2)通过输入三维平坦地形模型的特征参数并调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，其中，所述特征参数包括计算域尺寸、网格尺寸和加密区半径；

3)提取所述研究地形区域的实际地形数据，根据实际地形的高程值插值得到对应三维平坦地形的网格节点的高程值，生成实际地形网格模型，其具体包括如下子步骤：

3.1)筛选研究地形区域内的有效地形数据；

3.2)修改三维平坦地形模型底面网格节点的高程：根据模型底面网格节点的x、y坐标，查找出在其周围的4个地形数据点，使用这些地形数据点的高程通过三点共面法线性插值得到三维平坦地形模型底面该网格节点的高程，其中三点共面法线性插值是当查找出某个网格节点所在的实际地形网格的位置后，判断该节点所在的三角形，并用该三角形的3个地形数据点高程所形成的平面线性插值得到该节点的高程值；

3.3)修改三维平坦地形模型除底面外其余网格节点的高程，从而得到实际地形网格模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下子步骤：

1.1)选取研究地形区域，在地理空间数据云下载得到ASTER GDEM 30m分辨率大地坐标下的地形数据；

1.2)将下载得到的地形数据导入至ArcMap中，进行前处理，将地形数据导出为包含x、y、z三维坐标形式的txt文件。

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