CN109671149A - 基于dem的地形素描图自动绘制方法 - Google Patents

基于dem的地形素描图自动绘制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DEM的地形素描图自动绘制方法，包括如下步骤：1、获取待绘制地形素描图区域的DEM数据，提取区域内的地形特征线要素；2、以流域分割线为视觉层次分割线将待绘制区域划分为近景、中景、远景三个区域；3、保留近景区域的所有地形特征线要素；只保留中景区域的视觉轮廓线；计算远景区域中由视觉轮廓线围成的封闭区域的面积，选择面积最大的前N个封闭区域的边界所在的视觉轮廓线作为远景区域保留的地形特征线要素；4、将近景、中景、远景三个区域中保留的地形特征线要素组合为地形素描图。该方法利用DEM来绘制地形素描图，实现了素描图自动绘制，简化了地形素描绘画技术，可以快速提供能够反映丰富的地理环境和地貌结构的地形素描图。

Description

基于DEM的地形素描图自动绘制方法
技术领域
本发明属于地形素描图自动绘制技术，具体涉及一种基于数字高程模型自动绘制地形素描图的方法。
背景技术
随着数字地形获取与建模技术的飞速发展，过于追求地形表达的定量化与精细化，给地形认知带来了困难。大多数人面对高精度、大范围的数字地形数据，往往抓不住地形地貌的本质特征，基于一大堆地形分析得到的量化指标反而更加抽象和难以理解。
地形素描，主要是通过写生的方式，以地理景观作为描写对象，为反映地理景观的结构和内在的性质，被作为研究和说明景观的一种科学方法。与其他形式的地理场景艺术化表达形式相比，地形素描更多的是为了反映地理景观的结构和内在性质，是在科学家地理认知的基础上，对地表景象加以概括和分析，用适当的艺术化的形式表现出来。相比于现代的照相技术，地形素描利用了尽可能少的笔触去描绘尽可能多的地理信息和地理信息中的重点信息。这一简明的表达方式可以最直观的突出画面中所蕴含的地理知识，给人深刻的印象。正如在伟大画家所画的肖像画中，一个人甚至比像片更像自己，因为画家能抓住人物的特征，把隐藏在人物内部的一切东西都暴露出来。因此，地形素描更像事实，比直接临摹现实景象还要真实。
地形素描作为地形特征表达的语言，具有简练却又深刻的揭示地貌内涵的能力。可惜的是，地形素描这一简明、概括却又深刻的地形表达方法并未能有效传承下来。因此，急需研究基于数字地形数据的地形素描自动绘制技术。
随着计算机可视化及数字地形分析方法的快速发展，使得将艺术性与科学性相结合的地形素描自动绘制成为可能。
数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的实体地面模型，可用于工程建设、通讯、水文、气象等多种领域。DEM数据的获取方式有很多，目前已有很多技术成熟的厂家可以提供多种分辨率的DEM数据。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种基于DEM来自动绘制地形素描图的方法，该方法利用DEM来绘制地形素描图，实现了素描图自动绘制，简化了地形素描绘画技术，可以快速提供能够反映丰富的地理环境和地貌结构的地形素描图。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
基于DEM的地形素描图自动绘制方法，包括如下步骤：
(1)获取待绘制地形素描图区域的DEM数据，根据地形素描图的观察点、视角和观察距离要求提取待绘制地形素描图区域内的地形特征线要素；所述地形特征线要素，包括视觉轮廓线、沟沿线、切沟、塬边线、坡面流水线；
(2)获取流域分割线，以流域分割线为视觉层次分割线将待绘制区域划分为近景、中景、远景三个区域；
(3)保留近景区域的所有地形特征线要素；保留中景区域的视觉轮廓线；计算远景区域中由视觉轮廓线围成的封闭区域的面积，选择面积最大的前N个封闭区域的边界所在的视觉轮廓线作为远景区域保留的地形特征线要素；
(4)将近景、中景、远景三个区域中保留的地形特征线要素组合为地形素描图。
具体地，步骤(1)中提取视觉轮廓线的步骤为：
(101)获取三维视点平面坐标和高程，记为(X,Y,Z)，然后依次遍历DEM栅格数据，将当前栅格点坐标记为(X0,Y0,Z0)；
(102)利用Bresenham算法生成(X,Y,Z)和(X0,Y0,Z0)两点之间的直线L，计算直线L上栅格点(X0,Y0)处的高程值若当前点的高程值Z0为空或者小于直线L上的高程值则此点可视，标记为1；否则，此点不可视，标记为0；然后读取下一个栅格点，并将其记录为(X0,Y0,Z0)，重新执行步骤(102)；
(103)DEM栅格数据遍历完成后，得到只有0和1构成的视觉栅格，0代表不可视栅格点，1代表可视栅格点，将标记值为1的栅格连接起来进行矢量化，得到视觉轮廓线。
步骤(1)中提取切沟的步骤为：
(111)获取研究区域的DEM数据，同时获取同区域水系的DLG数据，将水系的DLG数据栅格化为和DEM数据具有相同分辨率的栅格数据并赋予水系的高程值，得到水系的DLG栅格数据；
(112)将原始DEM数据减去水系的DLG栅格数据，得到待绘制区域的融合DEM数据；
(113)设置阈值K，对融合DEM数据采用迭代挖深算法提取切沟；
(114)提取出的切沟与负地形范围求交，对坡度大于10°的区域进行裁剪以去除主沟道的沟谷，获得空间位置正确的切沟；
(115)将步骤114获取的切沟与1m分辨率的DOM数据以及山体阴影数据进行套合。
步骤(1)中提取坡面流水线的步骤为：
(121)获取待绘制区域的反地形DEM，所述反地形DEM中栅格(x,y)处的栅格高程值H(x,y)为：
H(x,y)＝Hmax+100-H0(x,y)
其中Hmax为待绘制区域中原始DEM栅格高程的最大值；H0(x,y)为栅格(x,y)处原始DEM栅格高程值；
(122)提取反地形DEM中的切沟，得到的结果为原始DEM中的坡面流水线。
步骤(2)中获取流域分割线的步骤为：
(201)对待绘制区域的DEM数据，进行填洼处理；
(202)计算DEM数据中每个栅格的流向和汇流累积量；
(203)设置汇流阈值，提取汇流累积量值大于汇流阈值的栅格作为栅格河网；
(204)将栅格河网转为矢量河网；
(205)提取矢量河网的径流节点，以各个径流节点为倾泻点寻找栅格数据中水流流向该节点的所有栅格作为集水区；
(206)将各个栅格集水区转化为矢量多边形，即小流域，小流域的边界线作为流域分割线。
步骤(2)中划分近景、中景、远景三个区域的步骤为：
(211)将待绘制区域的中心a作为目标点，从观察点P开始经过点a做射线h，h与待绘制区域的DEM边界相交于点c，在射线h上选择点b，使|Pb|＝0.8|Pc|；素描图像中距离下边沿的距离小于等于|Pa|的范围为第一缓冲区；距离素描图下边沿距离大于|Pa|小于等于|Pb|的范围为第二缓冲区；
(212)将第一缓冲区与视觉层次分割线求交，得到近景分割线；素描图中下边沿到近景分割线的区域为近景区域；将第二缓冲区与视觉层次分割线求交，得到中景分割线；素描图中近景分割线与中景分割线之间的区域为中景区域；
(213)待绘制区域中删除近景区域和中景区域后得到的区域为远景区域。
本发明中，提取沟沿线采用多方向山体阴影法；提取塬边线采用坡度畸变法。
有益效果：本发明公开的基于DEM的地形素描图自动绘制方法利用DEM来绘制地形素描图，实现了素描图自动绘制，简化了地形素描绘画技术，可以快速提供能够反映丰富的地理环境和地貌结构的地形素描图。
附图说明
图1是地形素描图自动绘制方法的流程图；
图2是实施例中待绘制区域的DEM数据示意图；
图3是待绘制区域的视觉轮廓线图；
图4是待绘制区域的切沟图；
图5为待绘制区域的塬边线图；
图6为待绘制区域坡面流水线图；
图7是视觉层次划分流程图；
图8是视觉层次划分示意图；
图9是视觉层次划分结果示意图；
图10是最终绘制出的地形素描图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图1所示，基于DEM的地形素描图自动绘制方法，包括如下步骤：
步骤1、获取待绘制地形素描图区域的DEM数据，根据地形素描图的观察点、视角和观察距离要求提取待绘制地形素描图区域内的地形特征线要素；所述地形特征线要素，包括视觉轮廓线、沟沿线、切沟、塬边线、坡面流水线；
DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Model)，是研究分析地形、流域、地物识别的重要原始资料。DEM的原理是将流域划分为m行n列的四边形(栅格，CELL)，计算每个四边形的平均高程,然后以二维矩阵的方式存储高程。由于DEM数据能够反映一定分辨率的局部地形特征，因此通过DEM可提取大量的地表形态信息，这些信息包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元格之间的关系等。本实施例中待绘制地形素描图区域的DEM数据如图2所示，图中像素点的灰度值反映了位置点的高程值，灰度值越大，像素点越亮，表示高程值越大。
本发明中，提取视觉轮廓线的步骤为：
(101)获取三维视点平面坐标和高程，记为(X,Y,Z)，然后依次遍历DEM栅格数据，将当前栅格点坐标记为(X0,Y0,Z0)；
(102)利用Bresenham算法生成(X,Y,Z)和(X0,Y0,Z0)两点之间的直线L，计算直线L上栅格点(X0,Y0)处的高程值若当前点的高程值Z0为空或者小于直线L上的高程值则此点可视，标记为1；否则，此点不可视，标记为0；然后读取下一个栅格点，并将其记录为(X0,Y0,Z0)，重新执行步骤(102)；
(103)DEM栅格数据遍历完成后，得到只有0和1构成的视觉栅格，0代表不可视栅格点，1代表可视栅格点，将标记值为1的栅格连接起来进行矢量化，得到视觉轮廓线。本实施例中采用ArcGIS软件将栅格图像转换为矢量线数据。
如图3所示，为提取的待绘区域的视觉轮廓线。
提取切沟的步骤为：
(111)获取研究区域的DEM数据，同时获取同区域水系的DLG数据(Digital LineGraphic，数字线划图)，将水系的DLG数据栅格化为和DEM数据具有相同分辨率的栅格数据并赋予水系的高程值，得到水系的DLG栅格数据；
(112)将原始DEM数据减去水系的DLG栅格数据，得到待绘制区域的融合DEM数据；
(113)设置阈值K，对融合DEM数据采用迭代挖深算法提取切沟；
(114)提取出的切沟与负地形范围求交，对坡度大于10°的区域进行裁剪以去除主沟道的沟谷，获得空间位置正确的切沟；
(115)将步骤114获取的切沟与1m分辨率的DOM数据(Digital Orthophoto Map，数字正射影像)以及山体阴影数据进行套合。
提取坡面流水线的步骤为：
(121)获取待绘制区域的反地形DEM，所述反地形DEM中栅格(x,y)处的栅格高程值H(x,y)为：
H(x,y)＝Hmax+100-H0(x,y)
其中Hmax为待绘制区域中原始DEM栅格高程的最大值；H0(x,y)为栅格(x,y)处原始DEM栅格高程值；
(122)提取反地形DEM中的切沟，得到的结果为原始DEM中的坡面流水线。
提取沟沿线采用多方向山体阴影法，具体在文献Xin Yang,Min Li,Jiaming Na,Kai Liu.Gully boundary extraction based on multidirectional hill-shading fromhigh-resolution DEM[J].Transaction in GIS中介绍。提取塬边线采用坡度畸变法，具体在文献汤国安,宋佳.基于DEM坡度图制图中坡度分级方法的比较研究[J].水土保持通报,2006,20(2):157-160,192中介绍。
图4为提取的待绘制区域的切沟；图5为提取的待绘制区域的塬边线；图6为提取的待绘制区域的坡面流水线。
步骤2、获取流域分割线，以流域分割线为视觉层次分割线将待绘制区域划分为近景、中景、远景三个区域，流程如图7所示；
获取流域分割线的步骤为：
(201)对待绘制区域的DEM数据，进行填洼处理；
(202)计算DEM数据中每个栅格的流向和汇流累积量；
(203)设置汇流阈值，提取汇流累积量值大于汇流阈值的栅格作为栅格河网；
(204)将栅格河网转为矢量河网；
(205)提取矢量河网的径流节点，以各个径流节点为倾泻点寻找栅格数据中水流流向该节点的所有栅格作为集水区；
(206)将各个栅格集水区转化为矢量多边形，即小流域，小流域的边界线作为流域分割线。
划分近景、中景、远景三个区域的步骤为：
(211)将待绘制区域的中心a作为目标点，从观察点P开始经过点a做射线h，h即为视线。h与待绘制区域的DEM边界相交于点c，在射线h上选择点b，使|Pb|＝0.8|Pc|；素描图像中距离下边沿的距离小于等于|Pa|的范围为第一缓冲区；距离素描图下边沿距离大于|Pa|小于等于|Pb|的范围为第二缓冲区；各点位置如图8所示，图中的背景为三维形态下的DEM数据。
(212)将第一缓冲区与视觉层次分割线求交，得到近景分割线；素描图中下边沿到近景分割线的区域为近景区域；将第二缓冲区与视觉层次分割线求交，得到中景分割线；素描图中近景分割线与中景分割线之间的区域为中景区域；
(213)待绘制区域中删除近景区域和中景区域后得到的区域为远景区域。如图9所示，图中两条黑色分割线分别为近景分割线cl和中景分割线ml。
步骤3、保留近景区域的所有地形特征线要素；只保留中景区域的视觉轮廓线；计算远景区域中由视觉轮廓线围成的封闭区域的面积，选择面积最大的前N个封闭区域的边界所在的视觉轮廓线作为远景区域保留的地形特征线要素；
远景区域中，视觉轮廓线会围成多个封闭区域，本发明中只保留面积最大的若干个封闭区域的边界所在的视觉轮廓线。N的值可以根据保留的封闭区域的面积占远景区域面积的比例计算；也可以根据保留的封闭区域的数量占远景区域中封闭区域的总数的比例计算。本实施例中，选择数量占比为10％。即，对远景区域中由视觉轮廓线围成的封闭区域统计数量并按面积从大到小排序，选择前N个封闭区域，N占封闭区域总数的10％。
步骤4、将近景、中景、远景三个区域中保留的地形特征线要素组合为地形素描图。
如图10所示，为最终所绘制的地形素描图。

Claims (8)

1.基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取待绘制地形素描图区域的DEM数据，根据地形素描图的观察点、视角和观察距离要求提取待绘制地形素描图区域内的地形特征线要素；所述地形特征线要素，包括视觉轮廓线、沟沿线、切沟、塬边线、坡面流水线；
(2)获取流域分割线，以流域分割线为视觉层次分割线将待绘制区域划分为近景、中景、远景三个区域；
(3)保留近景区域的所有地形特征线要素；只保留中景区域的视觉轮廓线；计算远景区域中由视觉轮廓线围成的封闭区域的面积，选择面积最大的前N个封闭区域的边界所在的视觉轮廓线作为远景区域保留的地形特征线要素；
(4)将近景、中景、远景三个区域中保留的地形特征线要素组合为地形素描图。
2.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，步骤(1)中提取视觉轮廓线的步骤为：
(101)获取三维视点平面坐标和高程，记为(X,Y,Z)，然后依次遍历DEM栅格数据，将当前栅格点坐标记为(X0,Y0,Z0)；
(102)利用Bresenham算法生成(X,Y,Z)和(X0,Y0,Z0)两点之间的直线L，计算直线L上栅格点(X0,Y0)处的高程值若当前点的高程值Z0为空或者小于直线L上的高程值则此点可视，标记为1；否则，此点不可视，标记为0；然后读取下一个栅格点，并将其记录为(X0,Y0,Z0)，重新执行步骤(102)；
(103)DEM栅格数据遍历完成后，得到只有0和1构成的视觉栅格，0代表不可视栅格点，1代表可视栅格点，将标记值为1的栅格连接起来进行矢量化，得到视觉轮廓线。
3.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，步骤(1)中提取切沟的步骤为：
(111)获取研究区域的DEM数据，同时获取同区域水系的DLG数据，将水系的DLG数据栅格化为和DEM数据具有相同分辨率的栅格数据并赋予水系的高程值，得到水系的DLG栅格数据；
(112)将原始DEM数据减去水系的DLG栅格数据，得到待绘制区域的融合DEM数据；
(113)设置阈值K，对融合DEM数据采用迭代挖深算法提取切沟；
(114)提取出的切沟与负地形范围求交，对坡度大于10°的区域进行裁剪以去除主沟道的沟谷，获得空间位置正确的切沟；
(115)将步骤114获取的切沟与1m分辨率的DOM数据以及山体阴影数据进行套合。
4.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，步骤(1)中提取坡面流水线的步骤为：
(121)获取待绘制区域的反地形DEM，所述反地形DEM中栅格(x,y)处的栅格高程值H(x,y)为：
H(x,y)＝Hmax+100-H0(x,y)
其中Hmax为待绘制区域中原始DEM栅格高程的最大值；H0(x,y)为栅格(x,y)处原始DEM栅格高程值；
(122)提取反地形DEM中的切沟，得到的结果为原始DEM中的坡面流水线。
5.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，步骤(2)中获取流域分割线的步骤为：
(201)对待绘制区域的DEM数据，进行填洼处理；
(202)计算DEM数据中每个栅格的流向和汇流累积量；
(203)设置汇流阈值，提取汇流累积量值大于汇流阈值的栅格作为栅格河网；
(204)将栅格河网转为矢量河网；
(205)提取矢量河网的径流节点，以各个径流节点为倾泻点寻找栅格数据中水流流向该节点的所有栅格作为集水区；
(206)将各个栅格集水区转化为矢量多边形，即小流域，小流域的边界线作为流域分割线。
6.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，步骤(2)中划分近景、中景、远景三个区域的步骤为：
(211)将待绘制区域的中心a作为目标点，从观察点P开始经过点a做射线h，h与待绘制区域的DEM边界相交于点c，在射线h上选择点b，使|Pb|＝0.8|Pc|；素描图像中距离下边沿的距离小于等于|Pa|的范围为第一缓冲区；距离素描图下边沿距离大于|Pa|小于等于|Pb|的范围为第二缓冲区；
(212)将第一缓冲区与视觉层次分割线求交，得到近景分割线；素描图中下边沿到近景分割线的区域为近景区域；将第二缓冲区与视觉层次分割线求交，得到中景分割线；素描图中近景分割线与中景分割线之间的区域为中景区域；
(213)待绘制区域中删除近景区域和中景区域后得到的区域为远景区域。
7.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，提取沟沿线采用多方向山体阴影法。
8.根据权利要求1所述的基于DEM的地形素描图自动绘制方法，其特征在于，提取塬边线采用坡度畸变法。
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