CN111652976A - 基于dem栅格数据的通视分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DEM栅格数据的通视分析方法，利用概要高度数据对观测点在最大通视距离内的任意点之间的通视情况进行实时分析，首先离线计算DEM栅格像素所在位置与观测点之间可视时所需的最低高度，获得最低可视高度栅格数据，将最低可视高度栅格数据划分为若干块数据，统计每个块数据的概要信息获得概要高度数据，块数据的概要信息包括块中最大像素值及块中最小像素值；然后基于块数据的概要信息进行通视分析，由此，本发明的在通视分析时仅需将数据量很小的概要高度数据调入内存即可，大大减少了实时计算所需要的原始数据，避免了多次文件IO操作，显著的提高通视分析效率，同时也保证了计算的准确性。本发明还公开了另一种通视分析方法。

Description

基于DEM栅格数据的通视分析方法

技术领域

本发明涉及通视分析领域，尤其涉及基于DEM栅格数据的通视分析方法。

背景技术

通视分析是指以某一点为观察点，研究某一区域通视情况的地形分析。利用DEM判断地形上任意两点之间是否可以互相可见的技术方法，分为视线通视分析和视域通视分析，前者判断任意两点之间能否通视，后者从某一点出发，判断该区域内所有其他点的通视情况。

视线通视分析实质属于地形进行最优化处理的范畴，如设置雷达站、电视台的发射站、航海导航等，在军事上如布设阵地、设置观察哨所、实时仿真系统等。

数字高程模型(Digital ElevatIOn Model，简称DEM)的建立为这类分析提供了有利基础，能方便地算出一个观察点所能看到的各个部分。在DEM中辨认出观察点所在的位置，从这个位置引出一族射线，比较射线通过的每个点(高程矩阵中即为像素)的高程，进而可分析计算出目标点是否可见。

尽管通视分析概念简单，但是它对某些类型的仿真却是非常重要的，例如计算机生成兵力(CGF)系统和传感器仿真。在CGF仿真系统中，需要进行大量的通视性判断，而每一次通视性判断可能都要花费较多计算时间，因此，通视性判断经常是最花费计算时间的操作，占用了大量的系统计算资源，影响了系统的实时性。

通视分析依赖于DEM栅格数据，若要提高通视分析的计算精度，往往需要精度较更高的DEM栅格数据，这样就导致DEM栅格数据量往往比较大，一般都到GB级别或者更大，因此，一次性在软件中将整个DEM栅格数据加载到内存中是不现实的。

目前，有很多通视性算法的研究，但是大部分集中在提高判定计算过程的速度或者准确度，但是没有解决判定计算所需要的一系列点高度数据加载时间过长的关键问题。也就是说，对于指定点到目标点之间的可见性计算，目前的算法一般都不能避免要多次读取DEM栅格数据文件，当指定点到目标点之间的距离越远，读取DEM栅格数据文件的次数就越多。在实时仿真计算中，当需要计算指定点对几千个动态目标点之间的可见性时，就需要更多的读取DEM栅格数据文件操作了，这就严重的限制了实时计算分析的效率，很难满足实际应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于DEM栅格数据的通视分析方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于DEM栅格数据的通视分析方法，利用预先离线计算好的最低可视高度数据对观测点在最大通视距离内的任意点之间的通视情况进行实时通视分析，

所述最低可视高度数据是指为实现与观测点之间可视，DEM栅格像素所在位置所需具有的最低高度值；

实时通视分析的具体步骤如下：

1)确定目标点对应的坐标；

2)确定目标点对应的最低可视高度数据；

3)读取对应的最低可视高度数据；

4)判断目标点自身的高度是否大于等于目标点所在位置对应的最低可视高度数据，若是，目标点与观测点之间可视，否则不可视。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：预先计算好每个DEM栅格像素对应的最低可视高度数据，判断目标点与观测点之间可视情况时，仅需读取目标点对应的最低可视高度数据，对比两个数值的大小即可得出结论，而无需将观测点与目标点之间的所有DEM栅格像素挨个读出后再实时进行复杂的可视分析，大大降低了通视分析时I/O操作次数。以最大可视范围300公里，DEM栅格像素宽度为10米的情况下，若目标点为300km处的某点，传统方式要从硬盘中读取30000个DEM栅格数据的像素数值，并挨个进行计算后方可确定目标点是否可见，而本方案在实时通视分析时仅需读取目标点对应的1个像素数据即可。由此，本方法大大减小了实时计算时读取的数据量，大幅度减少了文件IO操作次数，提高了实时通视计算的效率。

本发明还公开了另一种基于DEM栅格数据的通视分析方法，具体如下：

利用概要高度数据对观测点在最大通视距离内的任意点之间的通视情况进行实时通视分析，所述概要高度数据是离线计算获得，具体的获取步骤如下：

1)、离线计算DEM栅格数据对应的最低可视高度数据，所述DEM栅格数据对应的最低可视高度数据是指：为实现与观测点之间可视，DEM栅格像素所在位置所需的最低高度值；最低可视高度栅格像素与DEM栅格像素一一对应，空间布局完全一致。

2)、将最低可视高度数据划分为若干个块数据，每个块数据中包括至少2×2个最低可视高度栅格像素；

3)、统计每个块数据的块简略信息，所述块简略信息包括：

b_AllSee:若块数据里每个最低可视高度栅格像素的值与对应DEM栅格数据中对应的DEM栅格像素的值完全相同，记录为真，否则为假；

v_Small:块数据里所有最低可视高度栅格像素的值中的最小值；

v_Max:块数据里所有最低可视高度栅格像素的值中的最大值；

4)、将概要高度数据保存到文件中。

设观测点为A，目标点为B，实时通视分析步骤如下：

S1、将概要高度数据调入内存，根据目标点B的坐标信息，计算确定目标点B对应的DEM栅格像素B’所在位置；确定B’所在位置对应的最低可视高度栅格像素B”所在位置，

S2、确定像素B”所在的块数据B”’；

S3、判断块数据B”’的块简略信息中，b_AllSee是否为真，若是，AB之间可视；否则执行步骤S4；

S4、判断目标点B的高度是否小于块数据B”’的块简略信息中的v_Small，若是，则目标不可见，否则执行步骤S5；

S5、判断目标点B的高度是否大于块数据B”’的块简略信息中的v_Max，若是，则目标可见，否则执行步骤S6；

S6、读取最低可视高度栅格像素B”中记载的最低可视高度v_Theroy；

S7、判断目标点B的高度是否大于等于v_Theroy，若是，AB之间可视，否则不可视。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：通过离线计算DEM栅格数据对应的最低可视高度，并分割成若干块，提炼得到块简略信息形成概要高度数据，利用概要高度数据分析目标点与观测点之间的可视情况，由于概要高度数据总量可缩小至几百兆，从而实现在实时通视分析时一次性调入内存中，即便在最差的情况下，即单凭概要高度数据无法确认目标点与观测点之间的可视情况时，也仅需要读取目标点对应的最低可视高度一个数据即可判断出可视情况，从而大幅度减少了文件IO操作次数，大大提高了实时通视分析的效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，所述概要高度数据以数组形式存储每个块简略信息，所述概要高度数据对应有相应的通视计算辅助信息，所述通视计算辅助信息至少包括以下内容：

①观测点位置的经度、纬度、观测点高度；

②观测点的最大通视距离d_MaxDist；

③DEM栅格数据的行数、列数，DEM栅格像素的宽度；

④块数据的行数a和列数b。

通视计算辅助信息主要为确定目标点B对应的像素B’及B”所在位置。

采取上述进一步方案的有益效果是：用数组方式存储块简略信息，检索方便，定位快速。通视计算辅助信息便于后续读取该文件后在实时通视计算时确定目标点对应的的像素B’及B”所在位置。

优选地，在将最低可视高度数据划分为若干个块数据时，若不能整除，缺失部分以数值为0的基本像素补齐，并在计算块简略信息时，设定此部分像素与DEM栅格数据对应像素做值相等处理。

采取上述进一步方案的有益效果是：可以确保块数据结构的一致性，便于计算处理。

优选地，所述b_AllSee为bool类型数据，所述v_Small和v_Max数据使用float类型进行存储。

采取上述进一步方案的有益效果是：采用最小的空间实现对数据的存储，进一步缩小概要高度数据所需的存储空间。

进一步地，合理划分块大小，使得概要高度数据不大于500M。

采用上述进一步方案的有益效果是，将概要高度数据控制在500M以内，可以轻松的将其整体调入内存中，实现通视分析的高效实时分析。

附图说明

图1为现有方法从DEM栅格数据库中调取的数据示意图；

图2为最低可视高度数据与DEM栅格数据关系示意图；

图3为本发明第一种通视分析方法的流程图；

图4为本发明第二种通视分析方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1-4对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

假设给定的观测点A的位置经度为d_Lon,纬度为d_Lat(单位：度)，观测高度为d_Height米。假设该观测点的最大通视距离为d_MaxDist米，为能够对该观测点周边的任意一目标点进行通视分析计算，需要收集DEM栅格数据。该DEM栅格数据是一个典型的栅格数据，由M行N列个DEM栅格像素组成，每个DEM栅格像素的宽度(等于其高度)为d_Resolution米，最小数据量情况下，需要收集的DEM栅格数据为以该观测点位置为中心点，以2*d_MaxDist为宽度和高度的栅格数据，在此最小数据量情况下，长度M＝宽度N＝2*[d_MaxDist/d_Resolution]+1，当然实际收集的DEM栅格数据可以大于最小数据量情况下的数量。

步骤一：离线计算该DEM栅格数据对应的对观测点可见的最低可见高度数据min_HData。

这里“最低可见高度数据min_HData”也是一个栅格数据，并且与该DEM栅格数据有完全一样的栅格行列数和地理空间位置，不同的是DEM栅格数据中每个像素值是代表像素中心位置点的地面高程数据，而最低可见高度数据min_HData中每个像素值是代表像素中心位置(确定的经度、纬度)与观测点可见时的最低高程数据。

对收集到的DEM栅格数据，逐个计算每个像素的中心点位置与观测点(经度为d_Lon,纬度为d_Lat，观测高度为d_Height米)的可见性。像素的中心点位置可通过观测点A的经度、纬度和像素的宽度d_Resolution米进行偏移计算得到，该像素的中心点地面高程即为DEM栅格数据对应像素的像素值，由此，可通过现有任意方法计算出该像素的中心点与观测点之间的可见性。

如果某DEM栅格像素与观测点之间可见，则将该像素的地面高程数值作为该像素对应的最低可见高度数据min_HData中像素的数值。

如果它们之间不可见，则说明在该像素所在位置对应的地面与观测点之间是不可见的。若要让设于该像素位置上的目标与观测点之间是可见的，则需要提高该目标自身的高度，可以使用现有任意方法计算得到一个最低高度值V_min米，使得位于该像素中心点位置，高度为V_min的目标与观测点之间是可见的，并且高度小于V_min的目标与观测点之间是不可见的；将此V_min值作为该像素点所对应的最低可见高度数据min_HData中的像素的值。假设该像素值为Va,与观测点之间不可见，一种方法是逐渐一点点得增加Va值，计算其与观测点之间的可见性，直到它们之间可见为止，此时的高度值就是V_min。

按上述方法，对收集到的DEM栅格数据逐个计算每个像素对应位置对观测点可见的最低高度数值，便得到最低可见高度数据min_HData，它是一个栅格数据，并且与DEM栅格数据同样的像素宽度高度，也需要保存到数据文件中。

如图3所示，当需要判断某目标点B与观测点A之间是否可见时，只需要根据目标点B的坐标，确认B点对应的DEM栅格像素B’及最低高度栅格像素B”所在位置，读取B”内记载的最低高度值，对比目标点B的高度是否大于等于B”中记载的最低高度值，若是，则目标点可视，否则不可视，从而得出可视情况结论，由于确定最低可视高度数据是离线处理的，不占用实时通视分析的资源，所以本方法可以大大提高实时通视分析效率。

本发明公开的另一种更快捷的通视分析方法：

如图4所示，在上述步骤一基础上，执行步骤二：根据最低可见高度数据min_HData，建立概要高度数据。

由于步骤一中得到的最低可见高度数据min_HData，往往数据量比较大，经常大于1GB，这较难直接一次性加载到软件的内存中，对此数据进行进一步精简化处理，可以更大幅度的减少数据量，同时保留关键性的数据，这就是建立概要高度数据，具体按以下过程离线处理执行：

(1)将栅格数据min_HData划分为若干个块，得到若干块数据。

假设块大小为a行b列像素，那么对栅格数据min_HData，进行按块划分后，得到s行、t列个块。划分时，若行数(列数)不足，则以像素值0补齐。

其中，若M是a的倍数，则s＝M/a；否则s＝[M/a]+1；

若N是b的倍数，则t＝N/b；否则t＝[N/b]+1；

(2)存储概要高度数据到数据文件datas。

对得到的每一个块数据，统计得到块简略信息。

块简略信息包括:b_AllSee:若块数据里每个像素的像素值与对应DEM栅格数据中的像素值完全相同，记录为真，否则为假；；

v_Small:块数据里像素值的最小值；

v_Max:块数据里像素值的最大值；

假设对于得到的第x个块W_x,其包含a行b列像素，对这a*b个像素，逐个比较其在min_HData栅格数据中的像素值是否与其在DEM栅格数据中的像素值相等；

若a*b个像素在min_HData栅格数据和DEM栅格数据中的像素值都完全相等，则说明：块W_x中所有以像素中心点经纬度、地面高度为目标点时，与观测点之间都可见，换句话表达:块W_x对应的地理区域范围内，所有的地表均可见，则所有高于地表的目标点都是可见的(因为我们只考虑目标的高度大于等于地面高程的情况，不考虑地面高度以下的目标)，此时不需要记录v_Small和v_Max这两个数据。

若a*b个像素在min_HData栅格数据和DEM栅格数据中的像素值不完全相等，则说明：块W_x对应的地理区域范围内，在地面高程的位置处与观测点之间部分可见，部分不可见，目标点的高度只有大于等于min_HData栅格数据中对应的像素值，与观测点之间才是可见的。因此，这种情况下，需要记录v_Small和v_Max这两个数据，以便对于块W_x对应的地理区域范围内，只要目标的高度小于v_Small值，则可判定出与观测点之间不可见，只要目标的高度大于等于v_Max值，则可判定出与观测点之间可见。

如果该块中，部分像素是超过原DEM栅格数据的边界，用0像素值补充到块大小的min_HData栅格像素时，判定该像素值与DEM栅格数据像素值相同。

一般来说，块简略信息里b_AllSee使用bool类型数据进行存储，v_Small和v_Max数据使用float类型进行存储。

对上述得到s行、t列个块，按逐行逐列的顺序存储每一个块的块简略信息，便得到概要高度数据。

概要高度数据可以看作是一个数组，数组的元素是块简略信息，按行列顺序存储。

将此概要高度数据存储到数据文件datas中。为了后续读取该文件，实时通视分析计算方便，在存储到数据文件时，需要写入通视计算辅助信息。通视计算辅助信息可以包括如下信息(不限于以下内容)：

观测点位置的经度、纬度、观测点高度；

最大通视距离为d_MaxDist；

DEM栅格数据的行数、列数，像素宽度；

划分块大小(行数a,列数b值)。

其中，块大小的划分，块的行列数越小，得到的数据文件datas越大，推荐原则为最后得到的数据文件datas不超过250MB(也就是概要高度数据不超过250MB)，以便加载到内存中。

至此，步骤一和步骤二都是离线处理工作，得到数据文件datas便是处理结果。下面步骤将描述仿真系统中如何快速进行实时通视分析判定过程。

步骤三：仿真软件启动，开始读取数据文件datas，得到通视计算辅助信息和概要高度数据到内存中。具体步骤如图4所示：

应用系统启动过程完毕，进入实时仿真过程阶段，对于给定观测点A，要对目标点B进行通视分析计算时，先根据目标点B的位置，计算目标B在DEM栅格数据中对应像素B’的行列号，这可通过通视计算辅助信息里简单计算即可得到，假设为u行，v列。再计算该像素B’所在位置(即u行v列)所属的块序号，进而从内存中的概要高度数据找到该块简略信息，

如果该块简略信息的b_AllSee值为true，则说明该目标点可见(无论其高度为多少)；如果该块简略信息的b_AllSee值为false，则需要获取该块简略信息的v_Small和v_Max数值。如果目标的高度小于v_Small，则目标不可见。

如果目标的高度大于等于v_Max，则目标可见。

如果目标的高度在v_Small和v_Max之间，则仅从加载的数据文件datas中无法给出准确的可见性结果，需要读取最低可见高度数据min_HData数据文件中u行，v列的像素B”的值(min_HData栅格数据与DEM栅格数据行列数相同)，假设为v_Theroy米，此时，只需比较目标的高度是否大于等于v_Theroy，若是则判定可见，否则判定为不可见。

由此可见，对某一个动态目标点的通视分析计算，先进行简单的内存查找，获取该块简略信息，如果该块区域内以地面高度为目标时均可见，则该目标点必然可见；否则查看该块区域内目标可见时的目标最低高度和目标最大高度，进而可快速进行判定。即使是在最不理想的情况下，目标点高度在v_Small和v_Max之间时，本方法也只需要进行一次的min_HData数据文件I/o操作即可判定，相比于现有读取观测点和目标点之间一些列点高度数据时多次I/O操作及分析计算，本方法可大大提高计算效率。因此，在实时仿真系统中，基于上述方法可实现对上千个目标的实时通视分析计算。

以在某地区布置观测点为例，假设最大通视距离为300Km，DEM栅格数据的分辨率为10米，需要13Gb存储DEM栅格数据。应用本方法，离线处理得到对观测点可见的最低可见高度数据min_HData(与DEM栅格数据同样大小)，使用块大小为a＝b＝15对栅格数据min_HData进行划分，得到块数量为s＝t＝4000，每个块简略信息需要内存为9字节，共需要4000*4000*9字节约为137MB的数据文件datas；在实际仿真系统中，启动初始化时读取该观测点的数据文件datas，解析得到概要高度数据和通视计算辅助信息。在系统进行实时通视分析计算时，只需要在内存中查询该目标对应的块简略信息，进行简单的分析比较或读取一次栅格数据min_HData像素值便可得到可见性结论，普通配置的台式计算上实时仿真每秒最大可以处理10000个目标点的通视分析计算。

由上，本方法具有以下有益的效果：

1.本方法在准备观测点A的最低高度数据minHData时，充分利用DEM栅格数据的精度，采用与DEM栅格数据相同的栅格大小，精确的计算得到理论可见的最低目标高度值，没有丢弃任何栅格像素，确保计算准确性。同时，对DEM栅格数据的分布没有任何约束条件，观测点和目标点之间的DEM栅格像素值可以是任何取值。

2.实际系统仿真中，对观测点的数据文件datas的加载，也是在软件启动初始化时完成，读取该文件耗时并不是在实时仿真阶段，因此不影响通视分析计算效率。

3.概要高度数据一次性加载到内存中，大幅提高实时计算判定速度。

假设d_MaxDist＝300Km，d_Resolution＝10米，M＝N＝60000；假设划分的块大小a＝b＝10，则得到块数量为s＝t＝6000，每个块简略信息需要内存为9字节，共需要6000*6000*9字节约为309MB；假设划分的块大小a＝b＝20，则得到块数量为s＝t＝3000，每个块简略信息需要内存为9字节，共需要3000*3000*9字节约为77MB，完全可以在软件初始化时一次性加载到内存中。

划分的块越小，需要的内存越多，块简略信息的b_AllSee值为true的概率越高，在实时计算时判定处理效率相对就越高。

4.本方法对观测点的最低高度数据min_HData文件和数据文件datas的制作过程是离线处理，对具体处理的过程和方法没有性能约束，因此本方法的适用面很广，对观测点的通视分析均可采用。

5.本方法在计算大量的动态目标时，一般情况下，根据内存中的概要高度数据进行简单的比较就可得到判定结果，从而避免大量的I/O操作及分析计算；只有少部分情况下需要对一个目标进行一次I/O操作即可判定出结果，因此可极大的提高通视分析效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于DEM栅格数据的通视分析方法，其特征在于，利用最低可视高度数据对观测点在最大通视距离内的任意点之间的通视情况进行实时通视分析，

所述最低可视高度数据是指为实现与观测点之间可视，DEM栅格像素所在位置所需具有的最低高度值；所述最低可视高度数据是离线计算获得；

实时通视分析的具体步骤如下：

1)确定目标点对应的坐标；

2)确定目标点对应的最低可视高度数据；

3)读取对应的最低可视高度数据；

4)判断目标点的高度是否大于等于目标点所在位置对应的最低可视高度数据，若是，目标点与观测点之间可视，否则不可视。

2.一种基于DEM栅格数据的通视分析方法，其特征在于，利用概要高度数据对观测点在最大通视距离内的任意点之间的通视情况进行实时通视分析，所述概要高度数据是离线计算获得，具体步骤如下：

1)、离线计算DEM栅格数据对应的最低可视高度数据，所述DEM栅格数据对应的最低可视高度数据是指：为实现与观测点之间可视，DEM栅格像素所在位置所需的最低高度值；

2)、将最低可视高度数据划分为若干个块数据，每个块数据中包括至少2×2个最低可视高度栅格像素；

3)、统计每个块数据的块简略信息，所述块简略信息包括：

b_AllSee:若块数据里每个最低可视高度栅格像素的值与DEM栅格数据中对应的DEM栅格像素的值完全相同，记录为真，否则为假；

v_Small:块数据里所有最低可视高度栅格像素的值中的最小值；

v_Max:块数据里所有最低可视高度栅格像素的值中的最大值；

4)、将概要高度数据保存到文件中；

设观测点为A，目标点为B，实时通视分析步骤如下：

S1、将概要高度数据调入内存，根据目标点B的坐标信息，计算确定目标点B对应的DEM栅格像素B’所在位置；确定B’所在位置对应的最低可视高度栅格像素B”所在位置；

S2、确定像素B”所在的块数据B”’；

S3、判断块数据B”’的块简略信息中，b_AllSee值是否为真，若是，AB之间可视；否则执行步骤S4；

S4、判断目标点B的高度是否小于v_Small，若是，则目标不可见，否则执行步骤S5；

S5、判断目标点B的高度是否大于v_Max，若是，则目标可见，否则执行步骤S6；

S6、读取最低可视高度栅格像素B”中记载的最低可视高度v_Theroy；

S7、判断目标点B的高度是否大于等于v_Theroy，若是，AB之间可视，

否则不可视。

3.根据权利要求2所述的基于DEM栅格数据的通视分析方法，其特征在于，所述概要高度数据包括以数组形式存储的每个块简略信息和通视计算辅助信息，所述通视计算辅助信息至少包括以下内容：

①观测点位置的经度、纬度、观测点高度；

②观测点的最大通视距离d_MaxDist；

③DEM栅格数据的行数、列数，DEM栅格像素的宽度；

④块数据的行数a和列数b。

4.根据权利要求2或3所述的基于DEM栅格数据的通视分析方法，其特征在于，在将最低可视高度数据划分为若干个块数据时，若不能整除，缺失部分以数值为0的像素补齐，并在计算块简略信息时，设定此部分像素与DEM栅格数据对应像素值做相等处理。

5.根据权利要求2或3所述的基于DEM栅格数据的通视分析方法，其特征在于，所述b_AllSee为bool类型数据，所述v_Small和v_Max数据使用float类型进行存储。

6.根据权利要求5所述的基于DEM栅格数据的通视分析方法，其特征在于，概要高度数据不大于500M。

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