CN111666727B - 一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统 - Google Patents

一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111666727B
CN111666727B CN202010512954.6A CN202010512954A CN111666727B CN 111666727 B CN111666727 B CN 111666727B CN 202010512954 A CN202010512954 A CN 202010512954A CN 111666727 B CN111666727 B CN 111666727B
Authority
CN
China
Prior art keywords
grid
distance
node
optimized
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010512954.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111666727A (zh
Inventor
张晓东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN202010512954.6A priority Critical patent/CN111666727B/zh
Publication of CN111666727A publication Critical patent/CN111666727A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111666727B publication Critical patent/CN111666727B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/05—Geographic models
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Processing Or Creating Images (AREA)

Abstract

本发明公开了一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统，包括步骤100：基于地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；步骤200：基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；步骤300：调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；步骤400：调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格。本发明基于空间曲面网格生成方法和相应的基于弹簧斥力作用，对网格单元的网格顶角与线长进行调整，最终获得的计算域地表网格可以在复杂曲面生成接近预设规则网格，从而提高了复杂曲面网格的质量，有利于提高复杂地形区域大气边界层流动流场数值计算的准度。

Description

一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统
技术领域
本发明应用于风工程、风力发电和大气边界层流场数值计算，属于大气边界层气象学和工业风工程的交叉领域,是利用计算流体力学(CFD)方法进行大气边界层流动计算技术的一部分，具体涉及一种复杂地形计算域地表网格生成方法及系统。
背景技术
计算域网格生成是进行流场数值计算的必要环节，对流场数值计算的空间分辨率和结果准确性有重要影响。对于复杂地形区域的大气边界层流场计算，现有技术中的网格生成方法主要包括以下两类：一类是结构化网格，另一类是非结构化网格，然而这两种网格生成方法存在一定的技术问题：
结构化网格生成的基本方法是在复杂地形区域的地表生成水平投影为规则的网格，在关注的区域进行网格加密处理，对于简单地形区域可以生成高质量的网格，但对于复杂地形特别是坡度较大的区域，实际网格边距显著大于水平投影长度，对提高计算准度和捕捉流场细节不利。例如在复杂地形曲面的平面投影上生成预设规则网格，但实际的网格空间节距会被拉长，例如在坡度为45度的区域，实际网格节距是水平投影节距的1.4倍，同时空间网格因为坡度不同而不同程度偏离预设规则网格。
而非结构化网格对地形适应性强，但是却对计算准度不利，生成过程耗时长。
发明内容
本发明实施例提供一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统，用于在复杂地形条件下对地表网格进行自动调整和优化，在此基础上进一步生成最终优化后的地表网格。
第一方面，本发明实施例提供一种复杂地形计算域地表网格的生成方法，包括以下步骤；
步骤100：基于地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；
步骤200：基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；
步骤300：调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；
步骤400：调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格。
进一步的，所述步骤100包括以下子步骤，
步骤110：将所述地表区域的三维地形数据按照地形的水平方向进行投影，以生成预设规则网格；
步骤120：将所述预设规则网格划分为多个区域；
步骤130：根据各个区域在x方向的长度计算x方向的网格总数，根据各个区域在y方向的长度计算y方向的网格总数；
步骤140：根据各个区域在x方向的长度计算所述预设规则网格在x方向的最小网格间距；根据各个区域在y方向的长度计算所述预设规则网格在y方向的最小网格间距；
步骤150：根据所述预设规则网格在x方向和y方向的最小网格间距和网格总数计算各个网格节点的x和y坐标值；
步骤160：根据所述各个网格节点的x和y坐标值获得地形的水平投影网格；
步骤170：对所述网格节点的x和y坐标值以及地表区域的三维地形数据进行插值运算，获得各个网格节点的z坐标值，并生成所述初始三维地形网格。
进一步的，所述步骤200包括以下子步骤，
步骤210：对于所述初始三维地形网格中的每条空间曲线，计算该空间曲线上的各个相邻网格节点之间的距离和该空间曲线的总长度；
步骤220：根据所述空间曲线的总长度将该空间曲线划分为多个区间，并得到该空间曲线在各个区间内的长度；
步骤230：根据所述空间曲线在各个区间内的长度计算各个区间的最小网格间距；
步骤240：基于所述各个区间的最小网格间距，空间曲线端点的坐标保持不变，从空间曲线的一个端点开始，根据第一距离和第二距离获得新的网格节点；
若第二距离小于第一距离，则从当前新的网格节点所在的线段上按照第二距离确定新的网格节点；
若第二距离大于当第一距离，则先计入第一距离，将第二距离与第一距离的差值作为剩余距离，再从下一个原网格节点继续沿曲线向后量出剩余距离以确定新的网格节点；根据新的网格节点生成所述第一优化地表网格。
其中，所述第一距离为下一个原网格节点到当前新的原网格节点的距离，所述第二距离为下一个新的网格节点到当前新的网格节点的距离；所述第二距离是基于所述各个区间的最小网格间距获得的；
所述原网格节点为初始三维地形网格的网格节点，所述新的网格节点为第一优化地表网格的网格节点。
进一步的，将所述第一优化地表网格的网格节点的位置调整后，所述初始三维地形网格的网格数量与第一优化地表网格的网格节点的网格数量仍然相等。
进一步的，步骤300包括以下子步骤，
步骤310：计算第一优化地表网格的网格单元的顶角角度；
步骤320：构造弹簧斥力模型对所述网格单元的顶角角度进行调整以获得所述第二优化地表网格。
进一步的，所述步骤320包括：
若所述顶角角度小于预设的最佳角度，则对该顶角的两条边分别进行调整直至该顶角的斥力和被调整的网格节点所在的网格线的斥力相等，以使得所述顶角趋近预设的最佳角度；
若所述顶角角度不小于预设的最佳角度，则不进行调整。
进一步的，若网格单元的网格节点为预设规则网格的边界网格节点，则不对所述边界网格节点所在的顶角进行调整。
进一步的，在步骤400中，根据参考初始网格线长对所述第二优化地表网格的网格线长进行调整。
进一步的，所述步骤400包括以下子步骤，
步骤410：根据所述第二优化地表网格的网格节点所在的当前网格线长和参考线长获得线长调整系数；
步骤420：若所述线长调整系数小于0，则将所述网格节点向一侧移动直至所述网格节点两侧线长产生的斥力相等；
若所述线长调整系数大于0，则将所述网格节点向另一侧移动直至所述网格节点两侧线长产生的斥力相等。
第二方面，本发明实施例提供一种复杂地形计算域地表网格的生成系统，包括划分模块、第一调整模块、第二调整模块和第三调整模块；其中，
所述划分模块基于地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；
所述第一调整模块基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；
所述第二调整模块用于调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；
所述第三调整模块用于调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格。
本发明的一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统首先将地表区域的三维地形数据的地形网格按照预设划分规则进行划分，以生成初始计算域地表网格；然后对所述计算域地表网格的网格间距进行调整；再对所述第一优化地表网格的网格顶角角度可能出现的网格单元相邻边夹角过小的现象，对网格顶角施加角度弹簧斥力；再单独对网格边距施加压缩弹簧斥力，将网格单元的调整量向周边延伸，使曲面网格趋近于曲面规则网格，从而弥补了地形的预设规则网格中复杂地形陡坡区域网格边距过大的不足，提高了网格质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种复杂地形计算域地表网格的生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的对地表区域的三维地形数据进行预处理后的地形网格的示意图；
图3为本发明实施例提供的地表区域以水平投影为规则生成的预设规则网格的示意图；
图4为本发明实施例提供的初始三维地形网格的空间曲线上的新网格节点和原网格节点的示意图；
图5为本发明另一实施例提供的空间曲线上的新网格节点和原网格节点的示意图；
图6为本发明实施例提供的初始三维地形网格的的网格间距调整后的地表网格的水平投影示意图；
图7为本发明实施例提供的初始三维地形网格的的网格间距进行调整之后的三维地形示意图；
图8为本发明实施例提供的第一优化地表网格的网格单元的节点、边矢量和顶角的示意图；
图9为本发明实施例提供的对第一优化地表网格的网格顶角角度的调整示意图；
图10为本发明实施例提供的第二优化地表网格的网格线长的调整示意图；
图11为本发明实施例提供的地表网格在网格间距调整后的东南顶角α3的分布示意图；
图12为本发明实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整后的东南顶角α3的分布示意图；
图13为本发明另一实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整后的水平投影示意图；
图14(a)为本发明另一实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整前的水平投影的局部示意图；
图14(b)为本发明另一实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整后的水平投影的局部示意图；
图15为本发明实施例提供的一种复杂地形计算域地表网格的生成系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一
图1为本发明实施例提供的一种复杂地形计算域地表网格的生成方法的流程示意图，参见图1，该生成方法包括以下步骤：
步骤100：将地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；
步骤200：基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；
步骤300：调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；
步骤400：调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格。
下面将具体说明本实施例的复杂地形计算域地表网格的生成方法的具体过程。
在步骤100中，需要对地表区域的三维地形数据进行预处理，以获得降噪后的三维地形数据；优选的，所述预处理包括对地表区域的三维地形数据进行边界平滑和降噪处理。
由于一般复杂地形大气边界层流场计算的地形区域在方圆数公里或数十公里，参见图2，对地表区域的三维地形数据的地形网格的边界进行平滑预处理，从而对地表区域的三维地形数据中可能存在的奇异点进行降噪处理。
上述步骤100包括以下子步骤110-步骤170；
步骤110：参见图3，将所述地表区域的三维地形数据按照地形的水平方向进行投影，以生成预设规则网格；
步骤120：将所述预设规则网格划分为q*q的多个区域；其中，q≥3；
步骤130：根据各个区域在x方向的长度计算x方向的网格总数,根据各个区域在y方向的长度计算y方向的网格总数；
步骤140：根据各个区域在x方向的长度计算所述预设规则网格在x方向的最小网格间距；根据各个区域在y方向的长度计算所述预设规则网格在y方向的最小网格间距；
步骤150：根据所述预设规则网格在x方向和y方向的最小网格间距和网格总数计算各个网格节点的x和y坐标值；
步骤160：根据所述各个网格节点的x和y坐标值获得地形的水平投影网格；
步骤170：对所述网格节点的x和y坐标值以及地表区域的三维地形数据进行插值运算，获得各个网格节点的z坐标值；基于所述地形的水平投影网格和各个网格节点的z坐标值生成所述初始三维地形网格。
优选的，在一个实施例中，参见图3，将预设规则网格按照(x，y)坐标划分为3*3的9个区域，设预设规则网格在x方向的长度为Lx，在y方向的长度为Ly，可用四个可调参数mx1、mx2、my1、my2来确定各个区域的大小；其中，Lx2和Ly2围成的区域为关注区域，关注区域旁边的8个区域为影响区域；则预设规则网格被划分后的在x方向的长度分别如下：
Lx1＝mx1×Lx (1)
Lx2＝(mx2-mx1)×Lx (2)
Lx3＝(1-mx2)×Lx (3)
可以理解的是，在实际应用中，可调参数mx1、mx2、my1、my2可以由用户根据关注区域的位置来进行设定。
在中心区域，网格的水平投影为正方形，由用户设定正方形网格线的长度大小，用axy表示。其它区域的网格线的长度采用等比递增方式，由用户设定的等比递增比例系数p>1。由此可得x方向各个区域的网格数量为(以下各式均做取整运算)：
因此x方向的网格总数为：Nx＝Nx1+Nx2+Nx3 (7)
网格数量取整之后，实际网格间距ax2可能和设定值axy略有差别，各个区域的最小网格间距分别为：
x方向的网格节点数为Nx+1，在当地坐标系中，第一个网格节点的x坐标为：Px(1)＝0；
在Lx1区域，后续网格节点的x坐标分别为：
在Lx2区域，网格节点的x坐标分别为：
Px(i+1)＝Px(i)+ax2；i＝(Nx1+1)...(Nx1+Nx2) (12)
在Lx3区域，网格节点x坐标分别为：
计算y方向的网格总数、预设规则网格在y方向的最小网格间距、各个网格节点的y坐标值与上述计算x方向的网格总数、预设规则网格在x方向的最小网格间距、各个网格节点的x坐标值的过程基本类似，在此不再赘述。
在复杂地形区域，如果地表区域的三维地形数据在水平方向投影形成的网格节点是等间距的；而网格节点在空间三维的距离则是不等间距的，地形越陡的地方，实际的网格间距越大。为此在不改变网格拓扑结构的条件下，将前述所述预设规则网格转换为初始三维地形网格，以便于基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距，从而生成所述第一优化地表网格。
具体的，所述步骤200包括以下子步骤：
步骤210：对于所述初始三维地表网格中的每条空间曲线，计算该空间曲线上的各个相邻节点之间的距离和该空间曲线的总长度；
步骤220：根据所述空间曲线的总长度将该空间曲线划分为多个区间，并得到该空间曲线在各个区间内的长度；
优选的，根据所述空间曲线的总长度并按照计算域区域划分控制参数将该空间曲线划分为多个区间，以得到该空间曲线在各个区间内的长度；
步骤230：根据所述空间曲线在各个区间内的长度计算各个区间的最小网格间距；
步骤240：基于所述各个区间的最小网格间距，空间曲线端点的坐标保持不变，从空间曲线的一个端点开始，根据第一距离和第二距离获得新的网格节点；
若第二距离小于第一距离，则从当前新的网格节点所在的线段上按照第二距离确定新的网格节点；
若第二距离大于当第一距离，则先计入第一距离，将第二距离与第一距离的差值作为剩余距离，再从下一个原网格节点继续沿曲线向后量出剩余距离以确定新的网格节点；根据新的网格节点生成所述第一优化地表网格。
其中，所述第一距离为下一个原网格节点到当前新的原网格节点的距离，所述第二距离为下一个新的网格节点到当前新的网格节点的距离；所述第二距离是基于所述各个区间的最小网格间距获得的；
所述原网格节点为初始三维地形网格的网格节点，所述新的网格节点为第一优化地表网格的网格节点。
在一个实施例中，可以对南北方向的Nx+1条空间曲线(标号ix＝1......Nx+1)和东西方向的Ny+1条空间曲线(标号iy＝1......Ny+1)进行3次扫描迭代操作。调整过程中空间点的位置改变，但相互位置关系、序号不变。
南北方向标号为ix的网格曲线空间间距调整的过程如下：
1.初始三维地形网格的空间曲线上共Ny+1个网格节点，计算相邻网格节点之间的距离和该条空间曲线的总长CLy(ix)；
2.根据所述空间曲线的总长度并按照计算域区域划分控制参数将空间曲线划分成3个区间以得到该空间曲线在各个区间内的空间曲线长度；
CLy1＝my1×CLy(ix) (14)
CLy2＝(my2-my1)×CLy(ix) (15)
CLy3＝(1-my2)×CLy(ix) (16)
3.各个区域的网格数量和等比递增系数保持不变，仍然为Ny1、Ny2、Ny3和p，根据空间曲线在各个区间内的长度计算各个区间的最小网格间距分别为：
其中，p为用户设定的等比递增比例系数。
东西方向标号的网格曲线空间间距调整的过程与上述调整南北方向标号的网格曲线空间间距过程基本类似，因此对东西方向标号的网格曲线的进行调整所计算的最小网格间距分别为：
空间曲线端点的坐标保持不变，从空间曲线的一个端点开始，基于第一距离和第二距离获得新的网格节点。
参见图4，下面以东西方向标号的网格曲线为例，图4中圆形实心为原网格节点、三角形实心为新的网格节点，所述原网格节点是指初始三维地形网格的空间曲线的网格节点，所述新的网格节点是指最终生成的第一优化地表网格的网格节点。
在生成优化地表网格的开始，第一初始三维地形网格的端点和第一优化地表网格的端点重合，即P1old与P1new重合。下一个原网格节点为P2old、当前新的网格节点为P1new，则第一距离为图4中的线段l1；下一个新的网格节点应为P2new，第二距离为图4中的线段l1+l2的和，第二距离大于第一距离，先计入第一距离l1，再从网格节点P2old向后量出剩余距离l2以确定下一个新的网格节点P2new；
或者例如当前新的网格节点为P2new，下一个原网格节点为P3old，则第一距离为图4中的线段l3+l4；第二距离为图4中的线段l3，第二距离l3小于第一距离l3+l4，则从当前新的网格节点为P2new所在的线段上按照第二距离l3确定下一个新的网格节点P3new，以此类推；最后一个网格节点的新、旧坐标相同。
以上，线段l1是原网格节点的间距，l1+l2是新的网格节点间距，新的网格节点的初始第二距离通过以下方式确定：
接下来的第二距离长度依次为：共Nx1段；
再之后的第二距离长度均为a'x2，共Nx2段；
再之后的第二距离长度依次为共Nx3段。
在计算南北方向标号的网格曲线的第二距离以及获得新的网格节点与上面描述的东西方向标号的网格曲线例子类似，在此不再赘述。
需要说明的是，将上述原网格节点的位置调整到新的网格节点后，第一优化地表网格的网格数量与初始三维地形网格的网格数量仍然相等。
一个方向的网格节点调整之后，会改变另一个方向的曲线上节点的间距，所以本实施例可以在进行三次迭代扫描后，参见图5，三角形空心为原网格节点、圆形空心为新网格节点，在关注区域，网格节点的空间节距接近相等；在其它区域，网格节点的空间节距则接近用户预设的伸展比。
经过上述对所述计算域地表网格的的网格间距进行调整之后，网格节点的空间节距接近预设规则网格，但第一优化地表网格的水平投影则不是规则网格，参见图6，图6为本发明实施例提供的初始三维地形网格的的网格间距调整后地表网格的水平投影示意图，在坡度比较大的区域，网格的水平投影较密，但网格节点之间的关系和规则水平投影的网格是一样的。计算域的顶部是和地形区域正对的水平面，仍是原水平投影规则的网格，网格节点和地面网格节点一一对应。
参见图7，图7为初始三维地形网格的网格间距进行调整之后的三维地形示意图，在关注区域，曲面网格间距更加均匀。
步骤200中，调整初始三维地形网格的网格间距有利于提高网格的均匀性，但也会降低正交性，空间四边形网格四个顶角可能增大或减小。网格顶角的最佳角度是90度，过大或过小顶角的网格对于流场数值计算具有不利的影响。因此，本实施例还需要进一步的计算第一优化地表网格的顶角的角度，上述步骤300包括以下子步骤；
步骤310：计算第一优化地表网格的网格单元的顶角角度；
具体的，参见图8，网格节点用表示，在直角坐标系中，空间点为矢量。东西方向相邻节点之间的连线用矢量/>表示，南北方向相邻节点之间的连线用矢量表示：
由于网格单元是空间四边形，故西北顶角的角度为：
东北顶角α2的角度为：
东南顶角α3的角度为：
西南顶角的α4角度为：
步骤320：构造弹簧斥力模型，对所述网格单元的顶角角度进行调整以获得所述第二优化地表网格。
具体的，参见图9，对于网格(iy,ix)，西北顶点为四个顶角分别为α1、α2、α3、α4，所述对所述网格单元的顶角角度进行调整包括以下子步骤：
若顶角角度小于预设的最佳角度，则假设该顶角内有一个扩张弹簧，形成对外的张力，在该张力作用下，调整形成所述顶角的两条网格线上的网格节点的位置直至该顶角的斥力和被调整的网格节点所在的网格线的斥力相等，以使得所述顶角趋近预设的最佳角度；
本实施例中，假设被调整的网格线上也有弹簧，被压缩时会产生弹力，但是被拉伸时不产生作用力，在调整形成所述顶角的两条网格线上的网格节点的位置时，被调整位置的网格节点只沿着当前所在的网格线移动；例如，对于顶角α1来说，被调整位置的网格节点是和/>网格节点/>沿网格线ly(iy-1,ix+1)向网格节点/>的方向移动，直至顶角的斥力和网格线ly(iy-1,ix+1)的斥力相等。
需要说明的是，若顶角角度不小于预设的最佳角度，则不进行调整。
优选的，所述预设的最佳角度为90度。
下面以一个具体例子来说明，参见图9，以网格节点为顶点的顶角调整为例，该顶角的左侧的网格线的长度为lx(iy,ix)，右侧网格线的长度为ly(iy,ix)，左侧的网格线上的另一个网格节点是/>顶角α1小于90度时，左侧的网格线受到弹簧斥力作用，网格节点/>受到推力作用，在推力作用下沿着网格线ly(iy-1,ix+1)向网格节点移动，网格线的长度ly(iy-1,ix+1)是该网格线的初始长度，作为固定的参考长度，如果该网格线的长度ly(iy-1,ix+1)在调整过程中相对于参考长度缩短了，则产生弹力作用，将网格节点/>推向原来的位置，最后网格节点/>到达/>的位置。设网格节点/>到网格节点/>的长度为lynew(iy-1,ix+1)，计算：
其中，α为顶角斥力和线长斥力的代数和，以顶角斥力大于线长斥力为正，最小取值为0，表示网格节点受到的总的推力系数。
如果线长比缩小到/>则该公式(30)达到平衡。为了避免出现过度调整，网格移动可按照α值的50％比例进行调整，具体调整步骤如下：
S10：网格节点根据网格线长lynew(iy-1,ix+1)＝ly(iy-1,ix+1)和/> 并按矢量运算移动到新的位置/>
S20：网格节点移动到新的位置/>后，顶角α1增大，网格线长lynew(iy-1,ix+1)缩短，新的网格节点/>受到的合力减小，直至顶角的斥力和线长ly(iy-1,ix+1)的斥力相等，通过几次调整可以趋近于平衡。
进一步的，若网格单元的网格节点为预设规则网格的边界网格节点，则不对所述边界网格节点所在的顶角进行调整。即本实施例可以对所述第一优化地表网格的网格单元的顶角角度进行三次扫描，每次扫描遍历所有网格单元的四个顶角，即使第一优化地表网格的边界网格节点小于90度，该边界网格节点也不做调整。
参见图3，边界网格节点分别是标号为的节点，边界是该预设规则网格的南、北、西、东边界；由于小顶角的两条边都要外扩，式中系数0.5主要为了避免过度调整，也可以适当减小该系数，使得调整幅度减小从而提高稳定性。
顶角α2大于90度，不进行调整。顶角α3小于90度，也要对两个侧边进行扩展，调整右侧边时移动对象是前次调整的点参考线长是原网格边线lx(iy,ix+1)，/>沿着边线lxnew(iy,ix+1)移动到/>
每次角度调整只针对一个点的位置进行，周围其它点的位置以及各个点之间的相互位置关系不变。为了使得周围的节点也能感受到某个节点的位置调整信息，而且做出相应的配合，每次角度调整扫描之后，还需要对所述第二优化地表网格的线长进行多次调整，在步骤400中，根据参考线长对所述第二优化地表网格的网格线长进行调整，其中，所述参考线长是网格线的长度ly(iy-1,ix+1)，该参考线长是网格调整的主要约束条件，可以避免网格被过度扭曲。
上述步骤400包括以下子步骤；
步骤410：根据所述第二优化地表网格的网格节点所在的当前网格线长和参考线长获得线长调整系数；
步骤420：若所述线长调整系数小于0，则将所述网格节点向一侧移动直至所述当前网格节点两侧线长产生的斥力相等；若所述线长调整系数大于0，则将所述网格节点向另一侧移动直至所述当前网格节点两侧线长产生的斥力相等。
具体的，参见图10，例如对于网格节点在x方向的位置调整，先计算系数：
当前网格线长，lx(iy,ix-1)、lx(iy,ix)是节点西、东两侧网格线的参考线长。若网格边的当前网格线长大于所述参考线长，该网格边的作用力为0；若网格边的当前网格线长小于所述参考线长，该网格边产生弹簧斥力。
具体的，在本实施例中，若β<0时，表示左侧边弹簧斥力大于右侧边弹簧斥力，节点向右移动；
Pnew＝P(iy，ix)+0·5β(P(iy，ix-1)-P(iy，ix)) (33)
若β>0时，网格节点向左移动。
网格节点在x方向的位置调整后，还需要对该/>在y方向的位置进行调整，调整的过程和上述公式(32)、(33)类似，在此不再赘述。
步骤400对所述第二优化地表网格的网格线长进行调整的目的是：第一优化地表网格的网格顶角角度调整之后生成第二优化地表网格，该第二优化地表网格的网格被压缩的信息向外传递，临近的网格线也承接部分压缩量，从而有利于网格的平滑性。
下面将以一个具体的例子来进一步说明对地表网格的网格顶角和线长进行调整的效果。
不同地形调整后的网格改善的效果有所差异。图11为本发明实施例提供的地表网格在网格间距调整后的东南顶角α3的分布示意图；从图11中可以看出，α3的最大值大约150度，最小值小于20度。
参见12，图12为本发明实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整后的东南顶角α3的分布示意图；从图12可以看出，α3的最大值小于140度，最小值在30度左右，表明地表网格的形状有所改善。
参见13，图13为本发明另一实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整后的水平投影示意图；图14(a)、图14(b)分别为本发明另一实施例提供的地表网格在网格顶角角度和线长调整前、后的水平投影的局部示意图；结合图13、图14(a)和图14(b)，可以看出，对于水平投影中因为网格顶角较小而网格线密集的区域，通过调整网格顶角角度实现了网格顶角的伸展，有利于提升地表网格质量，同时也便于地表网格向上方延展以进一步生成最终的计算域地表网格。
实施例二
参见图15，图15为本发明实施例提供的一种复杂地形计算域地表网格的生成系统的结构示意图,，该生成系统包括划分模块、第一调整模块、第二调整模块和第三调整模块；其中，
所述划分模块基于地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；
所述第一调整模块基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；
所述第二调整模块用于调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；
所述第三调整模块用于调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格。
本实施例的生成系统的工作流程与实施例一的一种复杂地形计算域地表网格的生成方法基本一致，在此不再赘述。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明的一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统，基于空间曲面网格生成方法和相应的基于弹簧斥力作用，对网格单元的网格顶角与线长进行调整，最终获得的计算域地表网格可以在复杂曲面生成接近预设规则网格，从而提高了复杂曲面网格的质量，有利于提高复杂地形区域大气边界层流动流场数值计算的准度。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种复杂地形计算域地表网格的生成方法，包括以下步骤；
步骤100：基于地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；
步骤200：基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；
步骤300：调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；
步骤400：调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格；
所述步骤100包括以下子步骤：
步骤110：将所述地表区域的三维地形数据按照地形的水平方向进行投影，以生成预设规则网格；
步骤120：将所述预设规则网格划分为多个区域；
步骤130：根据各个区域在x方向的长度计算x方向的网格总数，根据各个区域在y方向的长度计算y方向的网格总数；
步骤140：根据各个区域在x方向的长度计算所述预设规则网格在x方向的最小网格间距；根据各个区域在y方向的长度计算所述预设规则网格在y方向的最小网格间距；
步骤150：根据所述预设规则网格在x方向和y方向的最小网格间距和网格总数计算各个网格节点的x和y坐标值；
步骤160：根据所述各个网格节点的x和y坐标值获得地形的水平投影网格；
步骤170：对所述网格节点的x和y坐标值以及地表区域的三维地形数据进行插值运算，获得各个网格节点的z坐标值，并生成所述初始三维地形网格；
所述步骤200包括以下子步骤，
步骤210：对于所述初始三维地形网格中的每条空间曲线，计算该空间曲线上的各个相邻网格节点之间的距离和该空间曲线的总长度；
步骤220：根据所述空间曲线的总长度将该空间曲线划分为多个区间，并得到该空间曲线在各个区间内的长度；
步骤230：根据所述空间曲线在各个区间内的长度计算各个区间的最小网格间距；
步骤240：基于所述各个区间的最小网格间距，空间曲线端点的坐标保持不变，从空间曲线的一个端点开始，根据第一距离和第二距离获得新的网格节点；
步骤300包括以下子步骤，
步骤310：计算第一优化地表网格的网格单元的顶角角度；
步骤320：构造弹簧斥力模型对所述网格单元的顶角角度进行调整以获得所述第二优化地表网格；
所述步骤320包括：
若所述顶角角度小于预设的最佳角度，则对该顶角的两条边分别进行调整直至该顶角的斥力和被调整的网格节点所在的网格线的斥力相等，以使得所述顶角趋近预设的最佳角度；
若所述顶角角度不小于预设的最佳角度，则不进行调整；
在步骤400中，根据参考初始网格线长对所述第二优化地表网格的网格线长进行调整；
所述步骤400包括以下子步骤，
步骤410：根据所述第二优化地表网格的网格节点所在的当前网格线长和参考线长获得线长调整系数；
步骤420：若所述线长调整系数小于0，则将所述网格节点向一侧移动直至所述网格节点两侧线长产生的斥力相等；
若所述线长调整系数大于0，则将所述网格节点向另一侧移动直至所述网格节点两侧线长产生的斥力相等；
所述线长调整系数为：
其中，lxnew(iy,ix-1)、lxnew(iy,ix)是节点西、东两侧网格线当前网格线长，lx(iy,ix-1)、lx(iy,ix)是节点/>西、东两侧网格线的参考线长。
2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，
若第二距离小于第一距离，则从当前新的网格节点所在的线段上按照第二距离确定新的网格节点；
若第二距离不小于第一距离，则先计入第一距离，将第二距离与第一距离的差值作为剩余距离，再从下一个原网格节点继续沿曲线向后量出剩余距离以确定新的网格节点；根据新的网格节点生成所述第一优化地表网格；
其中，所述第一距离为下一个原网格节点到当前新的原网格节点的距离，所述第二距离为下一个新的网格节点到当前新的网格节点的距离；所述第二距离是基于所述各个区间的最小网格间距获得的；
所述原网格节点为初始三维地形网格的网格节点，所述新的网格节点为第一优化地表网格的网格节点。
3.根据权利要求2所述的生成方法，其特征在于，将所述第一优化地表网格的网格节点的位置调整后，所述初始三维地形网格的网格数量与第一优化地表网格的网格节点的网格数量仍然相等。
4.一种复杂地形计算域地表网格的生成系统，用于实现权利要求1-3所述的方法，包括划分模块、第一调整模块、第二调整模块和第三调整模块；其中，
所述划分模块基于地表区域的三维地形数据生成初始三维地形网格；
所述第一调整模块基于空间曲线调整所述初始三维地形网格的网格间距以生成第一优化地表网格；
所述第二调整模块用于调整所述第一优化地表网格的网格顶角角度以生成第二优化地表网格；
所述第三调整模块用于调整所述第二优化地表网格的网格线长以生成计算域地表网格。
CN202010512954.6A 2020-06-08 2020-06-08 一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统 Active CN111666727B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010512954.6A CN111666727B (zh) 2020-06-08 2020-06-08 一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010512954.6A CN111666727B (zh) 2020-06-08 2020-06-08 一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111666727A CN111666727A (zh) 2020-09-15
CN111666727B true CN111666727B (zh) 2024-03-26

Family

ID=72386995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010512954.6A Active CN111666727B (zh) 2020-06-08 2020-06-08 一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111666727B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100136604A (ko) * 2009-06-19 2010-12-29 (주)이지스 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법
KR101376687B1 (ko) * 2012-12-06 2014-03-20 국방과학연구소 쿼드트리를 활용한 격자지도 기반의 지형분석 방법
CN108648271A (zh) * 2018-04-11 2018-10-12 华中科技大学 一种基于gis数据生成复杂地形网格模型的插值方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1272968A4 (en) * 2000-04-06 2005-01-19 Solid Terrain Modeling HIGH-QUALITY THREE-DIMENSIONAL TOPOGRAPHIC MODELING DEVICE
EP1279136A4 (en) * 2000-04-06 2005-02-09 Solid Terrain Modeling HIGH-RESOLUTION THREE-DIMENSIONAL PICTURE DEVICE FOR TOPOGRAPHIC AND 3D MODELS
US8730233B2 (en) * 2010-04-19 2014-05-20 Caterpillar Inc. Mesh estimation of terrain
JP5918630B2 (ja) * 2012-05-30 2016-05-18 株式会社東芝 形状シミュレーション装置、形状シミュレーション方法、および形状シミュレーションプログラム
US10049499B2 (en) * 2016-08-29 2018-08-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of ground adjustment for in-vehicle augmented reality systems
WO2019050519A1 (en) * 2017-09-07 2019-03-14 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. SYSTEMS AND METHODS FOR PRECISE AND LIGHTWEIGHT 3D VISUAL FORMAT

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100136604A (ko) * 2009-06-19 2010-12-29 (주)이지스 3차원 지형 영상 실시간 가시화 시스템 및 이의 방법
KR101376687B1 (ko) * 2012-12-06 2014-03-20 국방과학연구소 쿼드트리를 활용한 격자지도 기반의 지형분석 방법
CN108648271A (zh) * 2018-04-11 2018-10-12 华中科技大学 一种基于gis数据生成复杂地形网格模型的插值方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mateusz Rzeszutek.Parameterization and evaluation of the CALMET/CALPUFF model system in near-field and complex terrain-Terrain data,grid resolution and terrain adjustment method.《ScienceDirect》.2019,第689卷31-46. *
基于三角剖分的社区地形景观叠加算法仿真;杨柯;《计算机仿真》;第36卷(第12期);196-199+218 *
复杂区域的有向传感器网络覆盖优化算法;谭励;《计算机工程》;第41卷(第04期);14-18 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111666727A (zh) 2020-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100561523C (zh) 一种三维模型网格重建方法
CN104268934A (zh) 一种由点云直接重建三维曲面的方法
US8805908B2 (en) Approximation processing method and approximation processing device
CN101609564B (zh) 一种草图式输入的三维网格模型制作方法
CN109472870B (zh) 一种基于网格重构和多影响域修正的模型匹配方法
WO2009015122A1 (en) Method for fitting a parametric representation to a set of objects
CN116071519B (zh) 基于调和映射生成网格模型的图像处理方法和装置
CN108335354A (zh) 一种基于移动最小二乘法的贪婪投影三角化算法单木重建方法
CN111553978A (zh) 一种基于三角形网格微元的三维粗糙模型建模方法
CN109360266A (zh) 一种道路建模方法、相关装置和设备
Pfeifer A subdivision algorithm for smooth 3D terrain models
CN111666727B (zh) 一种复杂地形计算域地表网格的生成方法及系统
CN105869210A (zh) 三维地质表面模型中的插值数据处理方法
CN117171855A (zh) 一种基于Delaunay三角剖分的丘陵区流场模型建模方法
CN107424122A (zh) 一种大位移下形变辅助的图像插补方法
CN115578524B (zh) 红外三维重构方法、系统、存储介质及计算机设备
CN111784654A (zh) 一种基于数字图像处理技术的绝缘子表面电荷反演方法
CN102930586A (zh) 一种基于线性旋转不变微分坐标的可交互几何变形方法
CN115062557A (zh) 一种一维水动力模型断面数据转换为二维水动力模型地形数据的方法及装置
Cheng et al. Design and analysis of optimization methods for subdivision surface fitting
Sun et al. Automatic quadrilateral mesh generation and quality improvement techniques for an improved combination method
CN105869209A (zh) 三维地质表面模型中的畸形三角形数据处理方法
CN111445585B (zh) 基于对偶凸包域的三维形状对应方法及装置
CN104123696A (zh) 一种基于多分辨率的焦点上下文可视化方法
Yu et al. Image deformation using modified moving least squares with outlines

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant