CN113269870B - 一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，包括全球空间三维网格剖分与编码、地形数据水平范围映射与坐标转换、地形纵向标识位定位与写入、多分辨率地形网格聚合与修整、地形网格检索。本发明通过多层级三维空间剖分构成基础网格框架，并在不同层级的网格中存储数字地形数据，利用网格的多尺度特性以及上下级剖分从属关系表达多分辨率数字地形的重采样与地形综合结果；三维网格中使用简单的标识位表达地形关系，网格的纵向位置即为具体高程值；不同层级的网格反映不同分辨率的地形，可以实现多分辨率地形的一体化网格组织；三维网格使用八叉树编码作为唯一标识，同时可使用编码提高地形网格的检索效率。

Description

一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法

技术领域

本发明属于地理信息处理技术领域，具体涉及一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法。

背景技术

地形，也称为“地表形态”或“地貌形态”，是地理异质性的核心要素，也是人类生产生活区域差异性的决定性因素，在城市建设、土地规划、空间分析乃至军事行动中，地形数据都有着广泛的应用。地形可以用高程来描述，也可以用坡度、坡向等信息来描述。随着地理信息系统以及地理信息科学的迅猛发展，传统地理信息逐渐与计算机数据结构对接、融合，形成了一系列通用空间数据类型与数字地图格式，其中数字地形模型(DigitalTerrainModel,DTM)就是数字地图中具有代表性的数据模型，主要包括数字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)、数字坡度模型、数字坡向模型等。数字高程的表达模型有数学曲面方程、等高线、规则格网与不规则三角网模型(Triangulated IrregularNetwork,TIN)等，这几种模型都可以对地表高程信息进行完整模拟，当前最常用的数字高程数据是以规则格网形式保存的高程值。

基于上述地理数据模型，地理信息领域借助计算机技术的发展形成了众多的空间分析应用，地形分析就是其中的典型。根据数字地形数据计算坡度、坡向、坡形、起伏度，从而支撑上层的土地利用与规划、通视计算、军事设施部署等复杂应用。而这些应用对结果精确度、可视效果、计算效率的要求往往复杂多变，单一分辨率的地形数据无法满足用户端的多样化需求，所以有必要生产、组织不同分辨率的地形数据，也就衍生出地形多分辨率集成的概念。

地图的按比例综合可以对矢量、栅格数据进行抽稀、简化，以形成分辨率较低的空间对象与影像，地形数据也可以采用类似的方法达到地形综合的效果。地形数据一般由专业的采集设备生成，但在理论上也可由高分辨率的地形进行重采样、抽稀等操作生成较低分辨率的地形。但组织多分辨率的地形数据始终未有一个成熟的解决方案。当前规则格网的地形表达模型本质上是用一个巨大的二维阵列保存每个采样点的高程值，这种方式对组织多分辨率地形数据十分不友好，一是存储分散，多分辨率地形数据需要用多个二维阵列保存，管理代价高；二是组织复杂，同一区域的不同分辨率的地形的对应关系需要单独维护，占据更大的空间且检索不便；三是结构不一致，不同地区的不同分辨率地形对接不连贯，取用接口不统一。

地理网格系统又称为地球空间参考网格系统，在数字地球发展中一直起到基础框架性作用。地理网格对地球表面或近地空间进行剖分，形成形状近似、空间密接、尺度连续的多层次网格框架。通常还要对剖分网格进行有序的地理递归编码，形成结构一致、编码唯一、空间定位和地理特征一体的网格标识系统，使得大到地球尺度、小到厘米尺度的网格都有一个唯一的地理编码，网格剖分模型和网格编码方法共同构成了地理网格系统。现有网格标准大多是对地球表面的二维剖分。而三维剖分网格一般作为空间索引结构，加快场、矢量等数据的检索效率，现也可作为空间参考框架，提供空间数据组织的容器。三维网格一般在经度、纬度、高度三个维度上按照一定的间隔对立体空间进行剖分，形成涵盖地球表面及近地空间的网格框架。近年来三维立体网格的研究也取得了一定进展，为解决因地球球体形状引起的高纬度地区格网收缩和尺度变形问题，不同剖分方案提供了各自的修正方法，主要包括球体八叉树格网、Yin-Yang格网、Ballard格网、Cube-Sphere格网、GeoSOT格网等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，以解决使用二维阵列形式组织多分辨率地形数据复杂度高且结构不统一的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，该方法包括如下步骤：

S1、全球空间三维网格剖分与编码

对全球表面与近地空间形成的立方体进行八叉树网格剖分，形成覆盖全球的自顶向下的多层级网格框架，每个层级的网格对应固定长度编码，每个网格对应唯一性编码，上一层级较大的网格编码是下一层级剖分出的网格编码的前缀，最终形成一个节点分别为各层级网格的立体八叉树结构，作为空间剖分的框架和后续地形数据的容器；

S2、地形数据水平范围映射与坐标转换

根据地形源数据的文件头数据获取其覆盖地形的经纬度范围和水平分辨率；在换算到统一量纲的基础上，根据地形源数据的水平分辨率计算其对应的网格剖分层级level_terrain，计算公式如下：

对地形经纬度的边界值在网格剖分层级分别进行空间八叉树编码，得到经纬两个方向上地形覆盖的地表网格区间，并采用如下公式计算出该层级的网格尺寸cube_size_terrain；

cube_size_terrain＝360/2^level_num

在原地形数据的二维阵列中，通过空间八叉树编码方法得到地形坐标(x,y)对应网格在经纬水平方向的编码；

S3、地形纵向标识位定位与写入

从地形源数据中读取当前位置的海拔值进行垂直方向的编码，得到地表位置对应的编码；遍历当前经纬度位置的垂直网格序列，根据与地表的高度关系对网格地形标识位进行赋值，完成当前位置的地形集成；对地形数据覆盖的全部网格区域的网格进行相同操作，完成地形原始分辨率的网格集成；

S4、多分辨率地形网格聚合与修整

利用空间八叉树网格自有的剖分从属关系，从下级网格集成的地形生成上级网格的地形；网格集成后，对于同一经纬度垂直方向上的网格仅保留海拔最高的地表网格；

S5、地形网格检索

利用八叉树编码作为网格唯一标识，配合地形标识作为地形检索依据，筛选出指定的分辨率的地表或某一高程范围的网格。

进一步地，步骤S1中，八叉树网格剖分的具体剖分过程为：使用墨卡托投影方式将全球360*180度的空间映射为正方形范围，再向上扩展360度形成一个三维立方体空间，基于此立方体进行八叉树迭代剖分，形成以全立方体为根节点、最底层小立方体为叶子节点的八叉树结构，每一层级的立方体的边长为上一层级的一半。

进一步地，步骤S1中，各层级网格尺寸cube_size与剖分层级level_num存在如下关系：cube_size＝360/2^level_num。

进一步地，采用三维Geohash、GeoSOT网格剖分及编码方式替换八叉树网格剖分及编码方式，基本步骤不变。

(三)有益效果

本发明提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，包括全球空间三维网格剖分与编码、地形数据水平范围映射与坐标转换、地形纵向标识位定位与写入、多分辨率地形网格聚合与修整、地形网格检索。本发明通过多层级三维空间剖分构成基础网格框架，并在不同层级的网格中存储数字地形数据，利用网格的多尺度特性以及上下级剖分从属关系表达多分辨率数字地形的重采样与地形综合结果，形成结构一致、逻辑连贯的地形网格架构；三维网格中使用简单的标识位表达地形的地下、地表、地上关系，网格的纵向位置即为具体高程值；不同层级的网格反映不同分辨率的地形，可以实现多分辨率地形的一体化网格组织；三维网格使用八叉树编码作为唯一标识，同时可使用编码提高地形网格的检索效率。

本发明使用多层级三维剖分网格组织、存储多分辨率地形数据，形成结构一致、逻辑连贯的地形网格结构，能够解决原先二维阵列存储分散、组织复杂、结构不一致的问题；本发明提出的多层级地形集成网格框架，具有不同尺度的网格剖分粒度，支持不同水平分辨率地表形态的快速查询，进而支撑后续三维地形计算，满足不同分析精度和可视化需求。可为三维地形计算及其结果呈现提供结构支撑。

附图说明

图1为本实施例中墨卡托投影与空间八叉树网格剖分示意图；

图2为本实施例中第1级空间八叉树网格编码示意图；

图3为本实施例中原始分辨率的地形网格集成示意图；

图4为本实施例中地形网格聚合与地表修整示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，具体包括如下步骤：

S1、全球空间三维网格剖分与编码

对全球表面与近地空间形成的立方体进行八叉树网格剖分，形成覆盖全球的自顶向下的多层级网格框架，每个层级的网格对应着固定长度的编码，每个网格对应一个唯一性编码，上一层级较大的网格编码是下一层级剖分出的网格编码的前缀。最终形成一个节点分别为各层级网格的立体八叉树结构，作为空间剖分的框架，也作为后续地形数据的容器。具体剖分过程如图1所示：

使用墨卡托投影方式将全球360*180度的空间映射为正方形范围，再向上扩展360度形成一个三维立方体空间，基于此立方体进行八叉树迭代剖分，形成以全立方体为根节点、最底层小立方体为叶子节点的八叉树结构，每一层级的立方体的边长为上一层级的一半。

具体编码过程如图2所示：

设定整个立方体根节点(剖分层级为0)三个维度的编码均为“0”，地理空间不断八分的过程即经纬高三个方向分别不断二分的过程，在每个方向上用“0”、“1”作为两部分空间的代码，形成各个层级不同长度的编码，剖分层级越多，编码越长。形成的剖分网格三个维度的编码用lon_code、lat_code、alt_code表示，拼接起来的编码结果可以作为当前剖分网格的唯一性标识，用union_code表示。例如，第1级的8个立方网格是第0级的全立方体(360度*360度*360度)的八叉剖分，其编码在经纬高三个方向的编码均为“0”、“1”，拼接结果分别为“000”，“001”，“010”，“011”，“100”，“101”，“110”，“111”，即分别为八个立方网格的唯一编码。

最终形成的剖分网格为一个多层级八叉树结构，每个节点为一个表示一定空间范围的立体网格，网格对应一个唯一性标识码和三个维度的编码，并预留一个空的地形标识位terrain_flag，用于后续保存地形数据。网格内的数据结构为{union_code,lon_code,lat_code,alt_code,terrain_flag}，也可以根据实际需求进行扩展，保存更多的属性，其中union_code可以唯一区分当前层级的各网格。

各层级网格尺寸cube_size与剖分层级level_num存在如公式(1)的关系：

cube_size＝360/2^level_num (1)

S2、地形数据水平范围映射与坐标转换

根据地形源数据的文件头数据获取其覆盖地形的经纬度范围和水平分辨率，用lon_min、lon_max、lat_min、lat_max和resolution表示；

在换算到统一量纲的基础上，根据地形源数据的水平分辨率计算其对应的网格剖分层级level_terrain，计算公式如下：

然后对地形经纬度的边界值在level_terrain层级分别进行空间八叉树编码，得到经纬两个方向上地形覆盖的地表网格区间，用[lon_code_min,lon_code_max]、[lat_code_min,lat_code_max]表示，并采用公式(1)计算出该层级的网格尺寸cube_size_terrain；

在原地形数据的二维阵列中，坐标为(x,y)的高程值位置对应的网格在经、纬度方向的序号分别为

通过前述的空间八叉树编码方法可以得到地形坐标对应网格在经纬水平方向的编码，用lon_code_current、lat_code_current表示。

S3、地形纵向标识位定位与写入

剖分网格在整体网格框架中的纵向位置对应不同的高程值，所以将地形数据写入网格的过程关键在于地表海拔在网格框架中的相对位置。在步骤S2中已经得到地形坐标对应的网格水平方向的编码，与之相关的网格为同一垂直方向上的网格序列，用cube_vertical_array表示。接下来从地形源数据中读取当前位置(x,y)的海拔值(h)进行垂直方向的编码，得到地表位置对应的编码，用alt_code_current表示。

然后遍历当前经纬度位置的垂直网格序列cube_vertical_array，将其中低于地表的网格地形标识位赋值为“-1”，高于地表的网格地形标识位赋值为“1”，等于地表位置编码的网格地形标识位赋值为“0”，即完成(x,y)位置的地形集成。对地形数据覆盖的全部网格区域，即[lon_code_min,lon_code_max]、[lat_code_min,lat_code_max]区间范围的网格进行相同的操作，完成地形原始分辨率的网格集成，如图3所示。

S4、多分辨率地形网格聚合与修整

利用空间八叉树网格自有的剖分从属关系，从下级网格集成的地形生成上级网格的地形。在完成地形原始分辨率的网格集成后，level_terrain层级网格的地形标识位已经实现地下、地表、地上的地形区分，level_terrain层级以上的网格基于此提取地形，具体方法为：

在第(level_terrain–1)级，取每个网格的编码，用“abc”表示，其在经纬高三个方向上的编码为“a”“b”“c”，根据八叉树剖分编码规则，可以求出其在下一层级，即level_terrain层级，对应的八个剖分子网格的编码，分别为“a0b0c0”、“a0b0c1”、“a0b1c0”、“a0b1c1”、“a1b0c0”、“a1b0c1”、“a1b1c0”、“a1b1c1”，进而可以检索出八个子网格的地形标识位，进行如下判断：

如果八个子网格地形标识位全为“-1”，即八个子网格全为地下网格，则父网格也为地下网格，地形标志位赋值为“-1”；

如果八个子网格地形标识位全为“1”，即八个子网格全为地上网格，则父网格也为地上网格，地形标志位赋值为“1”；

其他情况则说明八个子网格中包含有地形标识位为“0”的网格，即八个子网格含有地表网格，则将父网格也视为地表网格，将其地形标识位赋值为“0”。如图4所示。

对当前层级的每一个网格进行上述判断，即可得到完整的初步地形标识。具体过程为：若上一层级网格的八个子网格中包含有地形标识位为“0”的网格，则将该网格也视为地表网格，将其地形标识位赋值为“0”，其他情况按八个子网格的标识位情况赋值为“-1”或“1”。

由于网格集成后分辨率降低，同一经纬度垂直方向上的网格可能存在一个以上的地表网格，所以还需进行地表修整，具体做法为仅保留海拔最高的地形标识位为“0”的地表网格，其余海拔较低的地形标志位为“0”的网格修改为“-1”，最终得到该层级网格的完备地形描述。

使用此方法自(level_terrain–1)层级向上，逐级判断、综合，即可实现不同分辨率的多层级地形网格集成结果。

S5、地形网格检索

八叉树编码作为网格唯一标识，配合地形标识，可以作为地形检索的依据，快速筛选出指定的分辨率的地表或某一高程范围的网格。例如只需要在指定层级查询地形标识位为0的网格，即可得到地表的在当前网格分辨率下的基本形态。

上述实施例采用的是八叉树空间剖分网格及编码，此外还可以替换为其他网格剖分与编码方案，例如三维Geohash、GeoSOT编码等。有关地形网格集成的关键点和基本步骤不变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、全球空间三维网格剖分与编码

对全球表面与近地空间形成的立方体进行八叉树网格剖分，形成覆盖全球的自顶向下的多层级网格框架，每个层级的网格对应固定长度编码，每个网格对应唯一性编码，上一层级网格的编码是下一层级网格的编码的前缀，最终形成一个节点分别为各层级网格的立体八叉树结构，作为空间剖分的框架和后续地形数据的容器；

S2、地形数据水平范围映射与坐标转换

根据地形源数据的文件头数据获取其覆盖地形的经纬度范围和水平分辨率；在换算到统一量纲的基础上，根据地形源数据的水平分辨率计算其对应的网格剖分层级level_terrain，计算公式如下：

其中，resolution为水平分辨率；

对地形经纬度的边界值在网格剖分层级分别进行空间八叉树编码，得到经纬两个方向上地形覆盖的地表网格区间，并采用如下公式计算出该层级的网格尺寸cube_size_terrain：

cube_size_terrain＝360/2^level_num

其中，level_num为剖分层级；

在原地形数据的二维阵列中，通过空间八叉树编码方法得到地形坐标(x,y)对应网格在经纬水平方向的编码；

S3、地形纵向标识位定位与写入

从地形源数据中读取当前位置的海拔值进行垂直方向的编码，得到地表位置对应的编码；遍历当前经纬度位置的垂直网格序列，根据与地表的高度关系对网格地形标识位进行赋值，完成当前位置的地形集成；对地形数据覆盖的全部网格区域的网格进行相同操作，完成地形原始分辨率的网格集成；

S4、多分辨率地形网格聚合与修整

利用空间八叉树网格自有的剖分从属关系，从下级网格集成的地形生成上级网格的地形；网格集成后，对于同一经纬度垂直方向上的网格仅保留海拔最高的地表网格；

S5、地形网格检索

利用八叉树编码作为网格唯一标识，配合地形标识作为地形检索依据，筛选出指定的分辨率的地表或某一高程范围的网格。

2.如权利要求1所述的基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，其特征在于，步骤S1中，八叉树网格剖分的具体剖分过程为：使用墨卡托投影方式将全球360*180度的空间映射为正方形范围，再向上扩展360度形成一个三维立方体空间，基于此立方体进行八叉树迭代剖分，形成以全立方体为根节点、最底层小立方体为叶子节点的八叉树结构，每一层级的立方体的边长为上一层级的一半。

3.如权利要求1所述的基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，其特征在于，步骤S1中，各层级网格尺寸cube_size与剖分层级level_num存在如下关系：cube_size＝360/2^level_num。

4.如权利要求1所述的基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，其特征在于，采用三维Geohash、GeoSOT网格剖分及编码方式替换八叉树网格剖分及编码方式，步骤不变。

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