CN114723914B - 一种grid型dem生成与组织方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种GRID型DEM生成与组织方法，包括以下具体步骤：分块DEM大小设定：在平面笛卡尔坐标系下，将原始矢量地形图划分为若干形状相等连续分布的矩形分块用于生成分块DEM；分块DEM网格宽度设定；分块DEM的生成：矢量地形图所有矢量数据的外包矩形X方向长度为A、Y方向长度为B，将其分为若干个相同的矩形分块后分别生成DEM；DEM在数据库中的组织；DEM的调用：指定计算范围，根据此范围逐个调取符合范围条件的分块DEM进行计算，后将分块计算结果根据需要进行合并，得到最终结果。本申请突破目前行业中在DEM数据量较大时产生的运算时间长、硬件要求高的瓶颈，可压缩存储空间，提高计算效率，降低计算机硬件资源要求。

Description

一种GRID型DEM生成与组织方法
技术领域
本申请涉及地理信息系统技术领域，具体涉及一种GRID型DEM生成与组织方法。
背景技术
GRID型DEM(网格型数字高程模型)是最常用的数字高程模型之一，一般是由实测地形矢量图通过一定算法计算生成。通常用规则网格单元构成的高程网表示，网格单元大小由所测地形的比例尺决定，形状一般为正方形。
DEM常用于计算、分析如工程填挖方量、水库堰塞湖容积、河床高程变化、地震后地形变化等，即计算某特定范围和高程下的表面积、空间体积与两不同时期某区域的体积变化。为方便分析计算，DEM坐标系采用平面投影坐标。由于数据量较大，一般以DEM为分析计算基础的软件常将DEM数据存入关系型数据库中。传统DEM常以某一关注的范围为整体，形成单个DEM数据文件的形式组织，与其相关信息一起作为一条记录，存入数据库表中。
传统地形组织方法有以下不足：
1)DEM数据中含大量无效数据
采用GRID型DEM表示地形时，每个DEM里仅有部分为地形为有效数据，剩余部分为无效数据，这种情况在DEM有效数据为细条带等非规则状区域时尤为明显，如延绵的山脉、蜿蜒曲折的河道，DEM范围的增大会导致无效数据会呈几何级增长，在存储与计算时不可避免的为存储大量的无效数据消耗存储空间、为处理无效数据花费大量运算时间。
2)同时参与计算的DEM数据量大
计算时，若计算范围涉及该区域，无论计算范围大小，均需将该区域全部DEM载入计算机进行计算。大范围的DEM数据大小动辄以数百MB或GB级计，以现代普通计算机发展技术而言，计算时间会随计算机资源大量消耗程几何级增长，数据在数据库服务器至客户端间的网络传输时间与计算等待时间也会较长。若计算范围更大，还会面临因计算机资源耗尽无法计算的情况。
3)DEM间的减法算法复杂
通常在分析某范围地形高程变化分布情况时，需将该范围内两测次的DEM相同位置的高程值相减，其高程差即为该点的变化高度。但因两测次DEM的起点坐标很难相同，导致两测次的网格不对齐，相同坐标下的高程值不能直接计算，需要根据一定插值算法计算到相同坐标下后，再对应相减而得。同时因插值本身存在一定误差，也将导致计算结果偏离真值。
4)利用DEM计算体积差时计算量大
在利用DEM计算某范围体积变化时，需分别计算两测次下该范围内的体积，再进行相减得到变化量，每个测次下的求体积的算法是计算每个网格内的柱体体积后累加而得。若计算范围内网格数为n，则计算柱体体积的数量为2n。未经优化组织的GRID型DEM不能利用网格优势进行计算，导致计算量大。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种GRID型DEM生成与组织方法，突破目前行业中在DEM数据量较大时产生的运算时间长、硬件要求高的瓶颈，可压缩存储空间，提高计算效率，降低计算机硬件资源要求。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请实施例提供一种GRID型DEM生成与组织方法，包括以下具体步骤：
分块DEM大小设定：在平面笛卡尔坐标系下，将原始矢量地形图划分为若干形状相等连续分布的矩形分块用于生成分块DEM，每个分块DEM由X方向网格数为a、Y方向网格个数为b、边长为E的正方形网格组成；
分块DEM网格宽度设定：组成分块DEM的网格边长E由原矢量图比例尺决定；
分块DEM的生成：矢量地形图所有矢量数据的外包矩形X方向长度为A、Y方向长度为B，将其分为若干个相同的矩形分块后分别生成DEM；
DEM在数据库中的组织：在关系型数据库中，将某一个测次DEM分割为n个后，分别以Ni(i＝1、2、3……n)的形式命名，各分块DEM以大字段的形式与其他相应描述DEM的字段信息存入数据表中；
DEM的调用：在利用DEM进行分析计算时，需要指定计算范围，根据此范围逐个调取符合范围条件的分块DEM进行计算，后将分块计算结果根据需要进行合并，得到最终结果。
所述分块DEM大小设定步骤中，每个分块DEM中均有网格数为Sum，Sum＝a×b
Sum大小取2000000至6000000。
所述分块DEM网格宽度设定步骤中，对于1:10000的矢量地形，生成的DEM网格宽度设E＝10米，1:5000的矢量地形图设E＝5米，1:2000的矢量地形图设E＝2米。
所述分块DEM的生成步骤中，分块DEM生成方法如下：
第一个分块的起点：起点S(Xs,Ys)在原矢量地形图的外包矩形的任意一角附近，假设为左下角点M(X0,Y0)，则M(X0,Y0)需满足Xs≤X0，X0-Xs≤E，E|Xs；且Ys≤Y0，Y0-Ys≤E，E|Ys，即：
Figure GDA0003860158770000041
Figure GDA0003860158770000042
分块的生成：以起点S为分块矩形的一个顶点，先从Y正方向连续分配分块矩形，直至未能框选任何矢量数据为止，每个分块矩形在Y向长度为b×E，再按此方法继续再沿X正方向连续使用以上分配方法，直至所有矢量数据均被分块矩形覆盖，每个分块矩形在X向的长度为a×E，如在分配过程中，在X、Y两方向分配至最后一个矩形分块时，剩余块的X方向的实际范围不足a×E，或Y方向的实际范围不足b×E，则按实际所剩未被覆盖的矢量数据的外包矩形作为最后一个分块矩形大小；
分块矩形的形状：在分块网格总数Sum一定的情况下，不断调整a、b值，计算所有分块面积和与原矢量地形图的外包矩形面积的比值r，即：
Figure GDA0003860158770000051
当r取得最小值时，此时a、b取值为最佳方案。
DEM的调用具体为，
指定计算范围，设其左下角点为P(Xmin,Ymin)，右上角点为Q(Xmax,Ymax)，根据此范围逐个调取符合范围条件的分块DEM进行计算，后将分块计算结果根据需要进行合并，得到最终结果，
设从数据库中首先提取DEM的起点坐标(Xs,Ys)、格网间距为E、格网数在X向为a、在Y向为b，计算出它的右上角坐标为(Xt,Yt)，其中Xt＝Xs+a×E，Yt＝Ys+b×E，如果Xs≥Xmax或Xt≤Xmin或Ys≥Ymax或Yt≤Ymin,，则该DEM不需调入；否则表明该DEM与计算范围有重叠区域，需要调入DEM的高程数据进行分块计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)减少了无效数据的存储
划分后的分块DEM总面积一定小于原DEM面积，减小的部分为无效数据，故该分块方法舍弃了大量无效数据，提高了有效数据在DEM数据中的占比。
(2)降低硬件要求、提高计算效率
分块矩形大小可根据软硬件条件灵活定义，单次调入计算机进行计算的数据仅为一个分块矩形的数据，可使在计算机硬件配置较低条件下仍能流畅的进行大范围的DEM计算。另外，可利用DEM分块的特性进行多线程计算，提高计算效率。
(3)简化DEM相减的算法
在分析地形变化情况时，因所有DEM的节点坐标值均是完全对齐的，某节点的高程变化即用两测次在该点的高程值直接相减可得，无需对DEM进行插值，节省了大量DEM插值处理时间，同时也提高了计算精度。
(4)优化利用DEM计算体积差时的计算量
在利用DEM计算某范围体积变化时，若两测次DEM网格对齐，直接计算对齐的两网格为上下底面的柱体体积，即为该网格内的体积差，再将各网格进行累加，即可得该范围内的体积差。若计算范围内网格数为n，则计算柱体体积的数量仍为n，较未经优化组织的DEM为2n的计算量降低。
总之，利用本方法优化组织后的DEM，无论从存储体积、计算机资源消耗、利用DEM进行各类计算的耗时均有大幅减小与降低。适用于大范围、大数据量DEM的分析计算。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本申请实施例DEM分块组织的示意图；
图2是本申请DEM在数据库中的组织图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，本发明提供了一种GRID型DEM生成与组织方法，
步骤1：DEM分块大小设定
在平面笛卡尔坐标系下，将原始矢量地形图划分为若干形状相等连续分布的矩形分块用于生成分块DEM，每个分块DEM由X方向网格数为a、Y方向网格个数为b、边长为E的正方形网格组成，每个DEM分块中均有网格数为Sum，
Sum＝a×b
Sum大小应根据计算机性能决定，取2000000至6000000为宜。若计算机配置较低，应取小于4000000，若计算机配置较高，可取大于4000000。
步骤2：DEM网格宽度设定
组成DEM的网格边长E由原矢量图比例尺决定。如国家基本比例尺中，对于1:10000的矢量地形，生成的DEM网格宽度设E＝10米为宜，1:5000的矢量地形图设E＝5米，1:2000的矢量地形图设E＝2米等。
步骤3：DEM分块的生成
矢量地形图其所有矢量数据的外包矩形X方向、Y方向长度为A、B，需将其分为若干个相同的矩形分块后分别生成DEM，且每个分块DEM均由X方向上a个、Y方向上b个网格组成，分块生成方法如下：
1)第一个分块的起点：起点S(Xs,Ys)可在原矢量地形图的外包矩形的任意一角附近，假设为左下角点M(X0,Y0)，则M(X0,Y0)需满足Xs≤X0，X0-Xs≤E，E|Xs；且Ys≤Y0，Y0-Ys≤E，E|Ys。即：
Figure GDA0003860158770000081
Figure GDA0003860158770000082
2)分块的生成：以起点S为分块矩形的一个顶点，先从Y正方向连续分配分块矩形，直至未能框选任何矢量数据为止。每个分块矩形在Y向长度为b×E，再按此方法继续再沿X正方向连续使用以上分配方法，直至所有矢量数据均被分块矩形覆盖，每个分块矩形在X向的长度为a×E。如在分配过程中，在X、Y两方向分配至最后一个矩形分块时，剩余块的X方向的实际范围不足a×E，或Y方向的实际范围不足b×E，则按实际所剩未被覆盖的矢量数据的外包矩形作为最后一个分块矩形大小。
3)分块矩形的形状：在分块网格总数Sum一定的情况下，不断调整a、b值，计算所有分块面积和与原矢量地形图的外包矩形面积的比值r，即：
Figure GDA0003860158770000091
当r取得最小值时，此时a、b取值为最佳方案。
(2)DEM在数据库中的组织
在关系型数据库中，将某一个测次DEM分割为n个后，可分别以Ni(i＝1、2、3……n)的形式命名。各分块DEM以大字段的形式与其他相应描述DEM的字段如：地形名称、DEM编号Ni、测次、起点横坐标Xs、起点纵坐标Ys、网格间距E、X方向的节点数a、Y方向的节点数b等信息存入数据表中。
(3)DEM的调用
在利用DEM进行分析计算时，需要指定计算范围。设其左下角点为P(Xmin,Ymin)，右上角点为Q(Xmax,Ymax)。根据此范围逐个调取符合范围条件的分块DEM进行计算，后将分块计算结果根据需要进行合并，得到最终结果。
设从数据库中首先提取DEM的起点坐标(Xs,Ys)、格网间距为E、格网数在X向为a、在Y向为b，计算出它的右上角坐标为(Xt,Yt)，其中Xt＝Xs+a×E，Yt＝Ys+b×E。如果Xs≥Xmax或Xt≤Xmin或Ys≥Ymax或Yt≤Ymin,，则该DEM不需调入；否则表明该DEM与计算范围有重叠区域，需要调入DEM的高程数据进行分块计算。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种GRID型DEM生成与组织方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
分块DEM大小设定：在平面笛卡尔坐标系下，将原始矢量地形图划分为若干形状相等连续分布的矩形分块用于生成分块DEM，每个分块DEM由X方向网格数为a、Y方向网格个数为b、边长为E的正方形网格组成；
分块DEM网格宽度设定：组成分块DEM的网格边长E由原矢量图比例尺决定；
分块DEM的生成：矢量地形图所有矢量数据的外包矩形X方向长度为A、Y方向长度为B，将其分为若干个相同的矩形分块后分别生成DEM；
DEM在数据库中的组织：在关系型数据库中，将某一个测次DEM分割为n个后，分别以Ni(i＝1、2、3……n)的形式命名，各分块DEM以大字段的形式与其他相应描述DEM的字段信息存入数据表中；
DEM的调用：指定计算范围，根据此范围逐个调取符合范围条件的分块DEM进行计算，后将分块计算结果根据需要进行合并，得到最终结果；
所述分块DEM大小设定步骤中，每个分块DEM中均有网格数为Sum，Sum＝a×b
Sum大小取2000000至6000000；
所述分块DEM网格宽度设定步骤中，对于1:10000的矢量地形，生成的DEM网格宽度设E＝10米，1:5000的矢量地形图设E＝5米，1:2000的矢量地形图设E＝2米；
所述分块DEM的生成步骤中，分块DEM生成方法如下：
第一个分块的起点：起点S(Xs,Ys)在原矢量地形图的外包矩形的任意一角附近，假设为左下角点M(X0,Y0)，则M(X0,Y0)需满足Xs≤X0，X0-Xs≤E，E|Xs；且Ys≤Y0，Y0-Ys≤E，E|Ys，即：
Figure FDA0003860158760000021
Figure FDA0003860158760000022
分块的生成：以起点S为分块矩形的一个顶点，先从Y正方向连续分配分块矩形，直至未能框选任何矢量数据为止，每个分块矩形在Y向长度为b×E，再按此方法继续再沿X正方向连续使用以上分配方法，直至所有矢量数据均被分块矩形覆盖，每个分块矩形在X向的长度为a×E，如在分配过程中，在X、Y两方向分配至最后一个矩形分块时，剩余块的X方向的实际范围不足a×E，或Y方向的实际范围不足b×E，则按实际所剩未被覆盖的矢量数据的外包矩形作为最后一个分块矩形大小；
分块矩形的形状：在分块网格总数Sum一定的情况下，不断调整a、b值，计算所有分块面积和与原矢量地形图的外包矩形面积的比值r，即：
Figure FDA0003860158760000031
当r取得最小值时，此时a、b取值为最佳方案。
2.根据权利要求1所述的一种GRID型DEM生成与组织方法，其特征在于，DEM的调用具体为，
指定计算范围，设其左下角点为P(Xmin,Ymin)，右上角点为Q(Xmax,Ymax)，根据此范围逐个调取符合范围条件的分块DEM进行计算，后将分块计算结果根据需要进行合并，得到最终结果，设从数据库中首先提取DEM的起点坐标(Xs,Ys)、格网间距为E、格网数在X向为a、在Y向为b，计算出它的右上角坐标为(Xt,Yt)，其中Xt＝Xs+a×E，Yt＝Ys+b×E，如果Xs≥Xmax或Xt≤Xmin或Ys≥Ymax或Yt≤Ymin，则该DEM不需调入；否则表明该DEM与计算范围有重叠区域，需要调入DEM的高程数据进行分块计算。
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