CN109684424A - 基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法 - Google Patents

基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法，该方法通过对等高线数据进行预处理，对预处理的等高线数据进行三角剖分以构建不规则三角网并利用基于地性线树的方法对生成的不规则三角网进行去平三角处理，然后利用处理后的不规则三角网生成等高线，最后对生成的等高线进行滤波简化，平滑操作后输出文件。本发明能够将离散的特征等高线处理成完整的符合生成要求的等高线。

Description

基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法
技术领域
本发明属于测绘地理信息数据处理领域，具体涉及一种基于离散特征线的地貌数据快速生成和优化方法。
背景技术
交互式数字摄影测量是采集等高线数据的主要方法，即作业人员通过立体测图软件对立体模型中的地形地貌进行等高线数据采集。传统的等高线数据采集方式要求作业人员将每条等高线完整的绘制出来，这种方式在大范围的数据生产中耗时耗力、效率低下。等高线本身是一种特征数据，可不必将其完整采集，仅需对有地貌特征的地方进行选择性的采样，即可代表整体地形地貌。通过选择采样的方式可减少采集的工作量从而提高数据生产效率。因此，需要一种可将采样后离散的特征等高线，处理成完整的符合生成要求的等高线数据是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是，提供一种基于离散特征线的地貌数据快速生成和优化方法。该方法能够将离散的特征等高线处理成完整的符合生成要求的等高线。
本发明的技术方案为一种基于离散特征线的地貌数据快速生成和优化方法，思路是用地貌数据(等高线、高程点)生成不规则三角网，然后对不规则三角网优化之后再生成完整的曲线。处理流程包括以下步骤：
步骤1，对等高线数据进行预处理，包括点增密和拓扑检查，去除不合理的点；
步骤2，利用经过预处理的等高线数据进行三角剖分以构建不规则三角网；
步骤3，利用基于地性线树的方法对生成的不规则三角网进行去平三角处理；
步骤4，利用处理后的不规则三角网生成等高线；
步骤5，对生成的等高线进行滤波简化，平滑的操作后输出文件。
所述的点增密通过设置距离偏移的阈值的方法进行处理，所述增密的距离偏移的阈值为1/3到1/2之间的输出的等高距。
所述步骤5的简化是指利用道格拉斯-普克算法进行简化，最后输出矢量文件数据。
本发明经过上述步骤后可以将离散的不完整的等高线转为完整的合理的等高线，可以减少内业人员采集等高线的数量，从而提高工作效率。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为四边形数据结构示意图；
图3为平三角区域；
图4为图3的平三角区域生成的地性线树；
图5为地性线树。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明基于离散特征线的地貌数据快速生成和优化方法包括以下步骤：
步骤1，此步骤主要是对离散的等高线数据进行预处理。首先复制一份数据到缓存目录中，因为后续的操作会对原始数据修改。等高线数据进行拓扑检查，目的是将出现重复的、或者有不合理高程值的点剔除。接着对等高线数据进行点增密处理，主要通过设置距离偏移的阈值的方法进行点增密处理，即确保每隔一定的距离就有一个点，从而得到更为均匀的不规则三角网，有助于得到更为平滑符合地形的表面模型。设输出的等高距为H，则点增密的距离偏移阈值应为H/3到H/2之间，如果距离阈值太小则数据量太大，阈值太大则生成的不规则三角网表面不连续不平滑。
步骤2，利用经过预处理的等高线数据进行三角剖分以构建不规则三角网。
三角网使用的是四边形数据结构(Quad-Edge Data Structure)，四边形数据结构是一种优雅的多面体数据结构，如图2所示，在该数据结构中，主要有顶点(Vertex)，边(Edge)和面(Face)的类，但边起主导作用。边存储了完整的拓扑信息，所有由面和顶点存储的拓扑信息与边中的信息是冗余的。使用该结构可以快速优雅的进行相邻查询，有利于处理对三角网进行查询和处理其中的平三角。类Edge表示有向边。给定Edge*e，可以找到直接相邻的顶点Vertex，面Face和边Edge，以及指向相反方向的“对称”边。这些运算符都很快，因为只有少数内存引用。
三角剖分使用分治法(Divide-and-Conquer)，主要流程有：(1)排序和去重：对平面上所有点按x坐标非递减排序进行排序，对于x坐标相同的点，再按y坐标非递减排序，然后去掉坐标重复的点。通过排序，分治法可以在常数时间内完成划分；(2)分离(Divide)：把平面上的点集按数量在中间分成左右两个子集L、R；(3)治理(Conquer)：递归地完成左右两个点子集L、R Delaunay三角剖分；(4)合并(Merge):把L、R两个点集的Delaunay三角剖分，合并成(L U R)点集的Delaunay三角剖分。
步骤3，使用基于地性线树的方法对生成的不规则三角网进行去平三角处理。
首先分析不规则三角网中平三角区域类型，并根据其特点做去平三角处理。平三角形存在的区域主要有：(1)等高线弯曲度较大的地方：在一条等高线弯曲度较大的地方，同一个三角形的三个顶点可能来自于同一条等高线，从而形成平三角形；(2)山顶或洼地：山顶或洼地的闭合等高线内部，因为缺少相邻等高线，而在构不规则三角网时不允许三角形穿越等高线，所以形成平三角形；(3)鞍部：有两个或两个以上的山顶或洼地形成鞍部区域，两条等值等高线参与构网，从而形成了平三角形；(4)图幅边缘处：靠近图幅边的单条等高线，由于缺少包含的等高线，无法实现相邻等高线的构网，从而形成平三角形。其中(1)有且仅有一个非平三角形；(3)有两个或两个以上的非平三角形；(2)、(4)没有非平三角形。
平三角形区域中当前三角形只有一个相邻三角形的称为一类三角形，如图3中的△PAJ；当前三角形有两个相邻三角形的称为二类三角形，如△JAB；当前三角形有三个相邻三角形的称为三类三角形，如△JBG。一类三角形主要出现在地性线树的端点，三类三角形出现在地性线的分支，其余的情况都是二类三角形。对平三角形区域建立地性线树时需考查每个平三角形与相邻三角形的关系，从而建立各类三角形的中轴线连线。一类三角形连接的是唯一公共边的中点与其相对的顶点，二类三角形连接的是两条公共边的中点，三类三角形连接的是三角形的重心和三条公共边的中点，见图4。地性线是相互连接在一起的树状分支结构，可以用二叉树来描述，见图5，A作为根结点，G、I、K、F为叶子结点，地性线树上的其他结点作为非叶子结点。
地性线点高程计算：对于一类平三角区域，如图中的地性线树的点，取地性线树的主线A-B-C-E-H-J-K，已知根结点A和叶子结点K的高程值，根据长度为权进行高程分配，见以下公式：
其中，ZJ、ZA、ZK分别为J、A、K结点的高程值，LenRJ、LenRK分别为J、K结点到根结点A的长度。依次类推，分别计算出主线上其余结点的高程值。取出次长分支B-D-F，已知分支根结点B和叶子结点F的高程值，以长度为权值计算出该分支的所有结点高程值。采用这种由主到次、逐层内插的方法直到地性线树上所有结点都有高程值为止。
将带有(X、Y、Z)值的地性线树结点信息放到平三角形区域中，重新构网就可以得到一个合理的TIN。
步骤4，利用不规则三角网生成等高线。此步使用线性插值。对于此类插值，每个三角形均被视为一个平面。各条等高线位于三角形内的部分均为直线。只有当等高线从一个三角形进入另一个三角形时才会发生方向改变。这种类型的等高线创建方法可生成工程质量等高线，以表示对表面模型的精确线性解释。具体过程：在相邻三角形公共边上的等值点，既是第一个三角形的出口点，又是相邻三角形的入口点，根据这一原理来建立追踪算法。对于给定高程的等高线，从构网的第一条边开始顺序搜索，判断构网边上是否有等值点。当找到第一条边后，则将该边作为起始边，通过三角形追踪下一条边，依次向下追踪。如果追踪又返回到第一个点，即为闭曲线。如果找不到入口点，则将已追踪的点逆排序，再由原来起始边向另一方向追踪，直至终点，成为一条完整的开曲线。要注意的是，对于某一高程值的等高线，可能有多条分支，此时，应同样先给出所有开口等高线，在不出现记录开口等高线线头的情况下，转入绘闭合等高线。闭合等高线的线头可以从任一三角形的等值点开始，并按上述方法追踪。绘完某一数值等高线后，再开始下一数值等高线的绘制，直到完成全部等高线的绘制为止。
步骤5，利用道格拉斯-普克算法进行线简化，最后输出矢量文件数据。道格拉斯-普克算法基本过程：对每一条曲线的首末点虚连一条直线，求所有点与直线的距离，并找出最大距离值dmax，用dmax与限差D相比：若dmax<D，这条曲线上的中间点全部舍去；若dmax≥D,保留dmax对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该方法。
经过以上操作步骤之后就可以将离散的不完整的等高线数据转为完整的合理的等高线。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，对等高线数据进行预处理，包括点增密和拓扑检查，去除不合理的点；
步骤2，利用经过预处理的等高线数据进行三角剖分以构建不规则三角网；
步骤3，利用基于地性线树的方法对生成的不规则三角网进行去平三角处理；
步骤4，利用处理后的不规则三角网生成等高线；
步骤5，对生成的等高线进行滤波简化，平滑操作后输出文件。
2.根据权利要求1所述的基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法，其特征在于：所述的点增密通过设置距离偏移的阈值的方法进行处理，所述点增密的距离偏移的阈值为1/3到1/2之间的输出的等高距。
3.根据权利要求1所述的基于离散特征线的地貌数据快速生成与优化方法，其特征在于：所述步骤5的简化是指利用道格拉斯-普克算法进行简化，最后输出矢量文件数据。
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