CN114103127B - 流域地形3d打印方法及装置、电子设备、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质，所述方法包括：获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；分别计算河道的河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；融合山地地形数据和河床地形数据，对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；根据山地河床一体化地形数据进行3D打印，得到流域地形3D模型。本发明以平行于河谷线方向进行河床地形采样，得到更贴近于真实的河床分布，并在标准格网下实现了山地河床一体化建模，能够更精细地表达流域地形分布。

Description

流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质

技术领域

本发明属于数字流域技术领域，具体涉及一种流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质。

背景技术

近年来全球气候更替紊乱，导致极端自然灾害频发。暴雨洪水灾害是我国常见的重大自然灾害之一，其中长江和黄河等大型河流洪水由于其影响范围广、变化速度快、沿河流域人口众多，给人们的生命和财产安全带来了极大的威胁。随着信息技术的发展，“数字流域”概念应运而生。“数字流域”是结合最新的地理信息系统、虚拟现实、云计算等技术，对全流域的地理信息进行采集、处理、管理和可视化，实现整个流域的智慧管理和决策。

输沙不平衡是河床演变的根本原因。当上游来沙量大于本河段的水流挟沙力时，水流没有能力把上游来沙全部带走，产生淤积，河床升高。当上游来沙量小于本河段的水流的挟沙力时，便产生冲刷，河床下降。这种河床的升高与下降主要反映在河床同一位置不同时间的河床高程的变化上，河床建模对于数字流域洪水监测、航道导航、灾害应急等具有重要意义。

3D打印是一种以数字模型文件为基础，采用数字技术材料打印机，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印来构造物体的增材制造技术。根据3D打印所用材料成形方法及状态，3D打印技术可以分为光固化立体成形、熔融沉积成形、分层实体制造、激光选区熔化、电子束选区熔化、金属激光熔融沉积等类型。3D打印系统一般基于STL三维模型进行打印输出，STL文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。STL格式的文件，具有三角网格面围成的立体图形的稳定性和封闭面特性，非常适合切片后生成3D打印文件，为3D打印提供了便利。

流域地形3D打印技术可以将复杂的流域3D地形打印构建出来，能够直观高效地展现流域地形分布和变化，对于流域管理、洪水仿真、应急决策等具有重要意义。传统直接基于DEM地形的流域3D打印方法，只能打印山地地形，水域区域通常表现为平面地形，不能表达河床地形变化。而流域河床地形变化是智慧流域管理的重点，水流泥沙的淤积以及暴雨洪水的影响对于河床具有持续性的影响，如何动态反馈河床变化至关重要。

针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质，用于解决传统的流域地形3D打印方法不能反馈河床地形变化的问题。

本发明第一方面，公开一种流域地形3D打印方法，所述方法包括：

获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；

根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；

沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；

融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；

根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线具体包括：

设断面C _i 的河谷点T _i 对应的位置坐标为(x _i , y _i )，断面C _i+1的河谷点T _i+1对应的位置坐标为(x _i+1, y _i+1)，i∈[1, M]，M为原始断面总数，设T _i 和T _i+1之间沿x轴以等步长进行均分成K段，第w个插值断面的河谷点T _i,w 的位置坐标为(x _{i, w} , y _{i, w} )，则T _i,w 的横坐标计算公式为：

根据四次Hermite样条曲线算法计算得到T _i,w 的纵坐标为：

其中

和

是河谷线在断面C _i 和C _i+1的偏转角，系数计算公式为：

其中，参数

根据横坐标计算得到：

参数

为系数。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述沿着平行于河谷线方向对河床进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据具体包括：

以河谷点T _i 为起点，以步长d ₂沿着河谷线进行插值，基于四次Hermite样条曲线计算插值点的位置坐标，基于线性插值计算插值点的水深；设河谷点T _i 和T _i+1的之间共有S个插值点，其中第s个插值点的水深h(s)的计算公式为：

其中，

表示向下取整，

表示河谷点T _i 、T _i+1的水深，L表示河谷点T _i 和T _i+1的之间的长度；

依次以断面C _i 上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程；

基于各个河床插值点的位置坐标和地形高程构建河床地形数据。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述依次以断面C _i 上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程具体包括：

将河谷线插值后的河道断面观测数据投影到平面上构建二维平面坐标系；

依次获取原始断面数据C _i 上的特征点为起点，以步长d ₂沿着平行于河谷线方向进行插值，计算插值点在二维平面坐标系下的位置坐标值；

基于相邻两个测量点的水深，运用线性插值方法得到插值点的水深h(g)；

基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程H(g)：

其中E(g)为第g个插值点的河面高程。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样具体包括：

根据山地地形DEM数据的分辨率在河道正方形外包范围内构建单位正方形的标准网格；

以河道正方形外包范围的一角为原点构建二维笛卡尔坐标系o-xy；

依次提取坐标系o-xy的第m行第n列的单位正方形网格Q，若Q落在河道范围以外，直接获取山地地形DEM数据作为当前网格高程；若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程具体包括：

以Q点为中心，以基础半径为r，递增步长为

进行搜索，直到搜索圆内的河道特征点个数E大于或等于预设特征点个数，设此时半径递增数为u，则搜索半径R为：

设搜索到的河道特征点集合为

，其中（x _e , y _e ）为特征点e的平面位置坐标，v _e 为地形高程值，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程

为：

其中

为第e个特征点的反距离权重系数。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述根据山地河床一体化地形数据获取河道长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型具体包括：

设置高度夸张系数，对目标流域内的山地河床一体化地形进行夸张处理；

获取地形高程的最小值，根据基座高度计算模型基底高程；

根据采样密度依次遍历地形进行重采样，构建Delaunay三角网；

沿着模型侧面边界构建侧壁三角面，沿着模型基底构建基底三角面；

融合形成目标流域地形三维模型，并导出STL格式；

基于3D打印设备实现流域地形STL模型打印，得到流域地形3D模型。

本发明第二方面，公开一种流域地形3D打印装置，所述装置包括：

数据获取模块：用于获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；

河谷线拟合模块：用于根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；

河床插值模块：用于沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；

一体化采样模块：用于融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；

3D打印模块：用于根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。

本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；

其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明第一方面所述的方法。

本发明第三方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现本发明第一方面所述的方法。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1）本发明基于带参数的四次Hermite样条曲线拟合得到河谷线，进行河谷线插值，并沿着平行于河谷线方向进行河床地形采样，使河床地形更贴近于真实的河床分布，直观高效地展现河床地形变化；

2）本发明通过建立标准化网格融合山地地形和河床地形数据，在标准格网下对河床地形进行重采样处理，基于反距离权重插值重新计算当前标准网格的地形高程，实现了山地河床一体化建模，能够更精细地表达流域地形分布；

3）本发明根据用户需求，可以配置3D打印的基底高度、高度夸张系数、采样密度等参数，按需3D打印输出，提高流域地形3D打印效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流域地形3D打印流程示意图；

图2为本发明的河道断面插值原理图；

图3为本发明的河床地形计算原理图；

图4为本发明的山地河床地形一体化原理图；

图5为本发明的基于标准网格进行河床地形高程重采样计算原理图；

图6为本发明的流域地形3D打印原理图；

图7为本发明的流域地形3D打印效果图；

图8为本发明的流域地形3D打印装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提出一种流域地形3D打印方法，水深方法包括如下步骤：

S1、获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据，对河道断面观测数据进行预处理。

由于河道断面测量数据通常由声呐等设备沿河道垂直方向测量得到，在实际观测中，因地形和水文变化等因素的影响，在断面的某些位置上无法获取采样点。因此，为了获得准确的断面数据，需要借助周边山地地形DEM数据，对原始断面观测数据进行补全处理。

如图2所示，设断面C _i (i∈[1, M])表示M条原始断面观测数据中的第i条观测断面，断面采样点P _{i, j} (j∈[1, N])表示断面C _i 上的第j个测量点，N为断面C _i 上的测量点总数。图2中断面C _i 、C _i+1上的空心圆点即为缺失采样点。本发明根据原始断面观测数据以及高精度地形DEM数据，搜索断面边界缺失采样点，对河道断面观测数据进行预处理，具体计算步骤如下：

S21、将原始断面观测数据投影到平面上构建二维平面坐标系。

S22、获取原始断面数据C _i 的中间点P _i,mid ，mid= floor(N/2)，floor为向下取整函数，以中间点为起点沿着向量

方向以固定步长d ₁搜索右岸边界点。

S23、计算采样点的位置坐标。

在二维平面坐标系下，设坐标原点为O，新采样点为

，则

的坐标值为：

S24、依据同一断面上的水位相同的原理，获取采样点

的水位。基于河道地形DEM获取采样点

处的河道高程，计算

的水位与河道高程的差值

。

S25、根据

的大小判断该采样点

是否为河流边界点。

设H为某一固定高度阈值，如0.1米，具体判断流程如下：

当

＞ 0且

≤H，则当前采样点即为河流边界点；

当

＞ 0且

＞H，则当前采样点不是河流边界点，需要进一步搜索，返回步骤S22继续进行下一个点搜索；

当

＜ 0且|

| ≤H，则当前采样点离边界点很近，将当前采样点作为河流边界点，停止搜索；

当

＜ 0且|

| ＞H，则在当前采样点和上一个采样点之间基于二分法循环遍历，直到满足前面三种情况之一为止。

S26、与步骤S22~S25同理，沿着向量

方向以固定步长d ₁搜索左岸边界点。

S27、计算采样点

的球面坐标系下的坐标。

根据局部二维坐标系采样点坐标，基于Bursa-Wolf七参数转换法得到全局三维笛卡尔坐标。设采样点

转换为三维笛卡尔坐标为(x, y, z)，则进一步将其转换为经纬度坐标为：

longitude表示经度，latitude表示纬度，altitude表示高程。

S28、计算采样点

的水深值。

如图3所示，断面上采样点

的水深可以通过相邻两个测量点运用线性插值方法得到：

其中，

是采样点

的水深值，

和

为其相邻两个采样点

和

的水深值，D _i 是

和

之间的距离，D _t 是

和

之间的距离。一般地，将河流边界点的水深值设为零。

S2、根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；

提取河道断面观测数据中每个断面上水深最大的采样点作为河谷点，河谷线为一系列河谷点基于带参数的四次Hermite样条曲线拟合得到。

如图2所示，设T _i 为断面C _i 的河谷点，(x _i , y _i )为河谷点T _i 对应的位置坐标，T _i+1为断面C _i+1的河谷点，(x _i+1, y _i+1)为河谷点T _i+1对应的位置坐标。设T _i 和T _i+1之间的第w个插值断面的河谷点为T _{i, w} ，T _{i, w} 的位置坐标为(x _{i, w} , y _{i, w} )，设T _i 和T _i+1之间沿x轴以等步长进行均分成K段，第w个插值断面的河谷点T _i,w 的位置坐标为(x _{i, w} , y _{i, w} )，则T _i,w 的横坐标计算公式为：

根据四次Hermite样条曲线算法计算得到T _i,w 的纵坐标为：

其中

和

是河谷线在断面C _i 和C _i+1的偏转角，系数计算公式为：

其中，参数

为系数，参数

根据横坐标计算得到：

S3、沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；

图3为本发明的河床地形计算原理图，步骤S3具体包括如下分步骤：

S31、计算河谷点T _i 和T _i+1的之间的长度L，以河谷点T _i 为起点，以步长d ₂沿着河谷线进行插值，基于四次Hermite样条曲线计算插值点的位置坐标，基于线性插值计算插值点的水深；

设河谷点T _i 和T _i+1的之间共有S个插值点，其中第s个插值点的水深h(s)可以计算为：

其中，

表示向下取整，

分别表示河谷点T _i 、T _i+1的水深。

S32、依次以断面C _i 上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程；

具体的，将河谷线插值后的河道断面观测数据投影到平面上构建二维平面坐标系；

依次以原始断面数据C _i 上的特征点为起点，以步长d ₂沿着平行于河谷线方向进行插值，计算插值点在二维平面坐标系下的位置坐标值；具体的，设以断面C _i 上特征点P _{i, j} 为起点，j=1,2,…,N，步骤S31插值后的河谷线上的相邻特征点表示为T _i,s'、T _i,s'+1，s'=1,2,…,S+2，则以步长d ₂沿着平行于河谷线方向进行插值得到的插值点

的位置坐标为：

基于相邻两个测量点的水深，采用与步骤S28相同的线性插值方式得到第g个插值点的水深h(g)；

设E(g)为第g个插值点的河面高程，则河床插值点地形高程H(g)为：

。

S33、基于各个河床插值点的位置坐标和地形高程构建河床地形数据。

由于河谷线决定了河床的走向，本发明基于带参数的四次Hermite样条曲线拟合得到河谷线，进行河谷线插值，每隔一段距离沿着平行于河谷线方向进行河床地形采样，使河床地形采样更贴近于真实的河床分布，从而可以直观高效地展现河床地形变化。

S4、融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；

S41、根据山地地形DEM数据的分辨率在河道正方形外包范围内构建单位正方形的标准网格。

由于山地地形数据为标准格网DEM地形数据，而河床地形数据为沿着河谷线的深度采样数据，为了实现山地河床一体化地形表达，需要构建一体化格网地形模型。如图4所示，以山地地形DEM数据为基础，设山地地形的分辨率为1米，则在河道外包范围内构建单位正方形的标准网格，表达山地河床一体化地形。

S42、基于标准网格的行列位置进行河床地形重采样。

由于步骤S3得到的河床地形数据是基于河谷线进行插值得到，其高程分布不是规则行列分布，因此需要在标准格网下进行河床地形重采样处理。如图5所示，河床地形重采样的具体步骤如下：

S421、以河道正方形外包范围的一角为原点构建二维笛卡尔坐标系o-xy；

S422、依次提取坐标系o-xy的第m行第n列的单位正方形网格Q，若Q落在河道范围以外，直接获取山地地形DEM数据作为当前网格高程；若Q落在河道范围以内，重采样当前Q点的地形高程。

若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程，具体流程为：

①以Q点（即图5中的采样点

）为中心，以基础半径为r，递增步长为

进行搜索，直到搜索圆内的河道特征点个数大于或等于预设特征点个数，设此时半径递增数为u，则搜索半径R为：

②设搜索到的河道特征点集合为

，其中（x _e , y _e ）为特征点e的平面位置坐标，v _e 为地形高程值，E为以半径R搜索到的搜索到的河道特征点个数，E≥4，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程

为：

其中

为第e个特征点的反距离权重系数。

本发明通过建立标准化网格融合山地地形数据和河床地形数据，在标准格网下对河床地形进行重采样处理，对于基于落入河道范围内的标准网格，搜索邻近特征点，基于反距离权重插值重新计算当前标准网格的地形高程，实现了山地河床一体化建模，能够更精细地表达流域地形分布；

S5、根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。

为了构建3D流域地形模型，需要将山地河床一体化地形表面转换为三维模型。如图6所示，首先获取目标流域区域范围的长度和宽度，图6为长度方向的正视图，为了便于模型打印成型设置基座和侧壁，将地形面转换为三维模型。目前的快速成型软件普遍采用标准的STL文件格式来描述三维模型，它用若干空间小三角形面片来近似表达三维模型的表面。但若将流域地形起伏直接打印输出，其高程变化还不够明显，因此本发明设置了高度夸张系数进行调节。同时，为了便于控制3D打印模型的分辨率和文件大小，设置采样密度系数，对打印输出模型大小和精度进行控制。

本发明通过配置基座高度、高度夸张系数、采样密度等参数，将流域山地河床一体化地形组织成标准的STL三维模型格式，按需3D打印输出，提高流域地形3D打印效果，具体步骤如下：

S51、设置高度夸张系数，对目标流域内的山地河床一体化地形进行夸张处理；

S52、获取地形高程的最小值，根据基座高度计算模型基底高程；

S53、根据采样密度依次遍历地形进行重采样，构建Delaunay三角网；

S54、沿着模型侧面边界构建侧壁三角面，沿着模型基底构建基底三角面；

S55、融合形成目标流域地形三维模型，并导出STL格式；

S56、基于3D打印设备实现流域地形STL模型打印，得到流域地形3D模型，其效果如图7所示。

与上述方法实施例相对应，本发明还提出一种流域地形3D打印装置，请参阅图8，所述装置包括：

数据获取模块10：用于获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据。

河谷线拟合模块20：用于根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线。

河床插值模块30：用于沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；所述河床插值模块30具体包括：

河谷线插值单元：用于以河谷点T _i 为起点，以步长d ₂沿着河谷线进行插值，基于四次Hermite样条曲线计算插值点的位置坐标，基于线性插值计算插值点的水深；

河床插值单元：用于依次以断面C _i 上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于特征点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程；

河床地形构建单元：用于基于河谷线插值单元和河床插值单元的计算结果构建精细的河床地形数据。

一体化采样模块40：用于融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据。所述一体化采样模块40具体包括：

标准网格构建单元：用于根据山地地形DEM数据的分辨率在河道正方形外包范围内构建单位正方形的标准网格。

河床地形重采样单元：用于基于标准网格的行列位置进行河床地形重采样，具体是以河道正方形外包范围的一角为原点构建二维笛卡尔坐标系o-xy；依次提取坐标系o-xy的第m行第n列的单位正方形网格Q，若Q落在河道范围以外，直接获取山地地形DEM数据作为当前网格高程；若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程。

3D打印模块50：用于根据山地河床一体化地形数据获取河道长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。

以上装置实施例和方法实施例是一一对应的，装置实施例简述之处请参阅方法实施例即可。

本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的流域地形3D打印方法。

本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述流域地形3D打印方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (8)

1.一种流域地形3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；

根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；

沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；

融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据，具体包括：

根据山地地形DEM数据的分辨率在河道正方形外包范围内构建单位正方形的标准网格；

以河道正方形外包范围的一角为原点构建二维笛卡尔坐标系o-xy；

依次提取坐标系o-xy的第m行第n列的单位正方形网格Q，若Q落在河道范围以外，直接获取山地地形DEM数据作为当前网格高程；

若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程；具体的，以Q点为中心，以基础半径为r、递增步长为Δr进行搜索，直到搜索圆内的河道特征点个数E大于或等于预设特征点个数，设此时半径递增数为u，则搜索半径R为：

R＝r+Δr*u

设搜索到的河道特征点集合为{(x_e，y_e，v_e)|e＝1，2，3，…，E}，其中(x_e，y_e)为特征点e的平面位置坐标，v_e为地形高程值，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程Value(Q)为：

其中λ_e为第e个特征点的反距离权重系数；

根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。

2.根据权利要求1所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线具体包括：

设断面C_i的河谷点T_i对应的位置坐标为(x_i，y_i)，断面C_i+1的河谷点T_i+1对应的位置坐标为(x_i+1，y_i+1)，i∈[1，M]，M为原始断面总数，设T_i和T_i+1之间沿x轴以等步长进行均分成K段，第w个插值断面的河谷点T_i，w的位置坐标为(x_i，w，y_i，w)，则T_i，w的横坐标计算公式为：

根据四次Hermite样条曲线算法计算得到T_i，w的纵坐标为：

y_i，w＝a₀y_i+a₁y_i+1+b₀(x_i+1-x_i)cotα_i+b₁(x_i+1-x_i)cotα_i+1

其中α_i和α_i+1是河谷线在断面C_i和C_i+1的偏转角，系数计算公式为：

其中，参数ξ根据横坐标计算得到：

参数μ为系数。

3.根据权利要求1所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述沿着平行于河谷线方向对河床进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据具体包括：

以河谷点T_i为起点，以步长d₂沿着河谷线进行插值，基于四次Hermite样条曲线计算插值点的位置坐标，基于线性插值计算插值点的水深；设河谷点T_i和T_i+1的之间共有S个插值点，其中第s个插值点的水深h(s)计算公式为：

其中，

表示向下取整，h(T_i)、h(T_i+1)分别表示河谷点T_i、T_i+1的水深，L表示河谷点T_i和T_i+1的之间的长度；

依次以断面C_i上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程；

基于各个河床插值点的位置坐标和地形高程构建河床地形数据。

4.根据权利要求3所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述依次以断面C_i上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程具体包括：

将河谷线插值后的河道断面观测数据投影到平面上构建二维平面坐标系；

依次以断面数据C_i上的特征点为起点，以步长d₂沿着平行于河谷线方向进行插值，计算插值点在二维平面坐标系下的位置坐标值；

基于相邻两个测量点的水深，运用线性插值方法得到第g个插值点的水深h(g)；

基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程H(g)：

H(g)＝E(g)-h(g)

其中E(g)为第g个插值点的河面高程。

5.根据权利要求1所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型具体包括：

设置高度夸张系数，对目标流域内的山地河床一体化地形进行夸张处理；

获取地形高程的最小值，根据基座高度计算模型基底高程；

根据采样密度依次遍历地形进行重采样，构建Delaunay三角网；

沿着模型侧面边界构建侧壁三角面，沿着模型基底构建基底三角面；

融合形成目标流域地形三维模型，并导出STL格式；

基于3D打印设备实现流域地形STL模型打印，得到流域地形3D模型。

6.一种流域地形3D打印装置，其特征在于，所述装置包括：

数据获取模块：用于获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；

河谷线拟合模块：用于根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；

河床插值模块：用于沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；

一体化采样模块：用于融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；所述一体化采样模块具体用于：

根据山地地形DEM数据的分辨率在河道正方形外包范围内构建单位正方形的标准网格；

以河道正方形外包范围的一角为原点构建二维笛卡尔坐标系o-xy；

依次提取坐标系o-xy的第m行第n列的单位正方形网格Q，若Q落在河道范围以外，直接获取山地地形DEM数据作为当前网格高程；

若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程；具体的，以Q点为中心，以基础半径为r、递增步长为Δr进行搜索，直到搜索圆内的河道特征点个数E大于或等于预设特征点个数，设此时半径递增数为u，则搜索半径R为：

R＝r+Δr*u

设搜索到的河道特征点集合为{(x_e，y_e，v_e)|e＝1，2，3，…，E}，其中(x_e，y_e)为特征点e的平面位置坐标，v_e为地形高程值，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程Value(Q)为：

其中λ_e为第e个特征点的反距离权重系数；

3D打印模块：用于根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；

其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现权利要求1～5任一项所述的方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现权利要求1～5任一项所述的方法。

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