CN114926599A - 一种地形曲面轻量化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地形曲面轻量化方法，该方法首先对通过机载激光雷达采集的点云数据进行简化，生成DEM；然后对所述DEM进行地形特征提取，生成简化DEM；最后将所述简化DEM通过数据格式转换及存储，在BIM中进行模型轻量化显示。本发明在满足精度的前提下，大大提高了计算的设计效率和计算速度，具有很重要的现实意义和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种地形曲面轻量化方法。
背景技术
基于BIM+物联网、云计算、大数据等新一代信息技术和水利水电建设管理各类要素信息的深度融合，建立基于BIM的水利水电建设管理平台，逐步实现水利水电建设全生命周期管理新模式，提升水利水电工程建设信息化水平，对推动水利水电建设向数字化、信息化、智能化建设的发展等具有现实意义和理论价值。
随着水利行业信息化程度的不断深入，“BIM+GIS”的集成应用在各个水利项目中已展开。基于BIM技术的数字地形曲面模型构建及研究是实现水利工程相关信息的有效集成与利用，对提高设计效率、协同设计水平等有着重要意义。“BIM+GIS”的核心是解决地形数据的来源问题。目前，无论是通过地形图反生地形数据或无人机航空摄影测量技术获得地形数据，都存在数据存储量庞大，数据大量冗余的问题，导致在后续的BIM协同设计中存在数据量庞大，作业效率低下，模型无法流畅运行的问题。另外，目前的设备普遍存在计算机性能较低、渲染能力偏弱、内存宽带和容量受限等问题，与地形曲面模型结构复杂、数据量大等问题存在难以调和的矛盾。
地形曲面简化是从数据和地形简化两个方面着手，面向地形的点云简化算法，是在高保真、高精度的前提下快速对点云数据进行简化（叶珉吕, 花向红. 面向地形数据的点云简化算法[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(3):4.），通过计算点云曲率，设置阈值区分平缓区域和突变区域，然后通过计算点云数据的熵，定量评价简化结果。利用该方法简化的DEM能够精确反映地形特征，且大大减少了建模时间，提高了点云数据处理效率；基于地形特征的地形简化从数据上可以分为基于等高线的方法、基于不规则三角网（TIN）的方法、基于规则网格DEM的方法。基于这些数据的特征提取算法主要有四种：基于地表几何形态分析的方法，基于地形表面流水分析的方法，基于地表几何形态分析和流水物理模拟的方法，基于图像处理技术的方法（胡启明. 地形特征线提取方法的研究进展[J]. 测绘与空间地理信息, 2017, 40(4):5.）。
近些年来，基于GIS技术自动提取山脊线和山谷线的技术与方法，一种是基于地形表面几何形态分析的算法，针对等高线数据，如等高线曲率判别法等；另一种是基于地形表面流水分析的算法，主要是针对DEM数据，通过ArcGIS软件中的水文分析模块可以实现。基于地表流水模拟的方法虽然提取的结果整体性较好，但是对格网DEM数据质量的要求较高，速度较慢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高计算的设计效率和计算速度的地形曲面轻量化方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种地形曲面轻量化方法，其特征在于：该方法首先对通过机载激光雷达采集的点云数据进行简化，生成DEM；然后对所述DEM进行地形特征提取，生成简化DEM；最后将所述简化DEM通过数据格式转换及存储，在BIM中进行模型轻量化显示。
所述点云数据按下述步骤进行简化：
⑴点云滤波分类：
在Terrasolid软件中，将所述点云数据通过过滤噪点、地物得到地面点云数据；
⑵点云抽稀：
根据平地、丘陵、山地不同的地形设置不同的参数，然后对所述点云数据进行抽稀；
⑶滤波抽稀后的点云生成DEM。
所述地形特征按下述步骤进行简化：
①对DEM采用最大Z容差法进行特征点提取；
②对DEM采用骨架线法进行地形特征线提取：
先确定地形特征线为山脊线和山谷线；然后以GIS软件提取流域边界；再提取山脊线、山谷线；
③采用双线性内插法对提取的特征点和地形特征线构建TIN；
④对所述TIN进行插值运算，生成简化DEM。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在基于地表流水模拟方法的基础上，以现有GIS软件的分析功能为基础，提出了一种利用流域边界和坡向差自动提取骨架线的算法，以 GIS 软件提取的流域边界为基础，采用地表曲率的替代指标——流域边界线段两侧地形坡向的差值，来检测并删除不具备山脊线特征的流域边界线段，提取出具有良好空间连续性的树状山脊线，然后通过山脊线反向来提取山谷线，最终能够生产出高精度、表面光滑、数据量小的地形曲面模型，尤其适用于三维激光雷达点云模型的生产及应用。
2、本发明针对地形曲面数据量大、数据冗余、表面特征复杂多样等特点，从点云、DEM方面实现地形曲面的三次轻量化，第一次通过对点云数据的滤波分类，得到简化后点云数据并生成DEM，第二次是通过提取DEM的特征点及特征线，然后通过创建TIN生成简化后DEM，第三次是将简化后DEM通过格式转化在Civil 3D中存储并显示，在满足精度的前提下，大大提高了计算的设计效率和计算速度，具有很重要的现实意义和应用价值。
3、本发明中特征点与骨架线约束的DEM简化过程，实现了在简化地形的同时顾及了地表谷地与山体的骨架信息的目的。
4、本发明中的每一个过程都是轻量化的一环，每一个流程都能有效降低数据量，对于不同的模型需求，能够灵活地进行模型的轻量化处理，在目前主流的实景三维建模和数字城市等方向具有较广阔的应用空间。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明中基于地形特征的地形简化流程。
图3为本发明中点云数据滤波前后图。其中：a原始点云；b滤波后点云。
图4为本发明实施例中点云原始数据。其中：a山地；b梯田。
图5为本发明实施例中轻量化数据。其中：a山地；b梯田。
图6为本发明实施例中特征点提取。
图7为本发明实施例中特征线提取。
图8为本发明实施例中构建的TIN。
图9为本发明实施例中简化DEM。
图10为本发明实施例中地形曲面模型轻量化数据。
具体实施方式
如图1~2所示，一种地形曲面轻量化方法，该方法首先对通过机载激光雷达采集的点云数据进行简化，生成DEM；然后对DEM进行地形特征提取，生成简化DEM；最后将简化DEM通过数据格式转换及存储，在BIM中进行模型轻量化显示。
在BIM中是通过Civil 3D软件应用的，在水利行业的应用的主要功能有三维地形实体的创建、纵断面创建及动态更改、高程分析、流域分析、坡面分析、地表径流及汇水域分析等。因此，地形曲面模型要融合在BIM模型中，地形曲面的轻量化可以结合BIM模型的轻量化来实现。
其中：点云数据按下述步骤进行简化：
⑴点云滤波分类：
在Terrasolid软件中，将原始点云数据（参见图3a）通过过滤噪点、树木、建筑物等地物得到地面点云数据（参见图3b）；
⑵点云抽稀：
根据平地、丘陵、山地不同的地形设置不同的参数，然后对点云数据进行抽稀；
⑶滤波抽稀后的点云生成DEM。
点云数据的抽稀程度在不同地形中都有不同的临界值，当抽稀率大于临界值时，随着抽稀率持续增大，DEM高程精度下降速度加快。点云数据简化过程中的滤波参数及抽稀参数，根据地形差异，参数不同。
地形特征按下述步骤进行简化：
①对DEM采用最大Z容差法（Z-Tolerance算法）进行特征点提取。
最大Z容差表示简化前后地形所能容忍的高程差异，容差越小，提取的特征点越多，地形简化程度越小。
②对DEM采用骨架线法进行地形特征线提取：
先确定地形特征线为山脊线和山谷线；然后以GIS软件提取流域边界；再提取山脊线、山谷线。
本发明在基于地表流水模拟的方法的基础上，以现有的GIS软件的分析功能为基础，提出了一种利用流域边界和坡向差自动提取骨架线的算法。该方法以GIS软件提取的流域边界为基础，采用地表曲率的替代指标——流域边界线段两侧地形坡向的差值，来检测并删除不具备山脊线特征的流域边界线段，提取出具有良好空间连续性的树状山脊线，然后通过山脊线反向来提取山谷线。
③采用双线性内插法对提取的特征点和地形特征线构建TIN；
④对TIN进行插值运算，生成简化DEM。
【工作原理】本发明是一种将结构复杂、存储量大的点云数据通过预处理和相关算法重构地形数据的一个过程，重构后的数据既能精确的反映原始地形又能小容量存储利于BIM模型加载和三维设计。也可以将这一过程理解为将高分辨照片通过优化像素单元和数据结构进行压缩和格式转化，处理后的照片像素没有损失同时降低了存储空间。
实施例
马鹿河水库地处关山西麓，地势东北高西南低，地形分为很窄的河谷川地和山地，最高点位于黑鹰圪瘩，最低点位于寺湾河，测区为典型的山谷地形，高差大且植被茂密。传统的作业方式难以满足设计规划要求，此次任务采用机载激光雷达设备进行点云数据采集，获取高精度地面高程数据，通过内业技术人员对点云数据进行处理，采用轻量化算法生产出高精度、表面光滑、数据量小的地形曲面模型，为BIM技术的发展提供了重要基础。
在马鹿河水库设计规划的地形勘测设计任务中采用本发明方法进行地形曲面轻量化方法，具体过程如下：
⑴通过机载激光雷达分别采集山地及梯田地区点云数据，如图4所示。
⑵在Terrasolid软件中，将山地及梯田地区点云数据通过过滤噪点、树木、建筑物等地物得到地面点云数据。
⑶点云抽稀后DEM精度与比例尺相关，根据技术规范要求图上1mm至少要有一个点，在相同比例尺不同地形下，平地与丘陵的抽稀率不大于70%，山地的抽稀率不大于60%，然后对点云数据进行抽稀，如图5所示。
⑶滤波抽稀后的点云生成DEM。
⑷对DEM采用最大Z容差法进行特征点提取，如图6所示。
⑸对DEM采用骨架线法进行地形特征线提取，如图7所示。
⑹采用双线性内插法对提取的特征点和地形特征线构建TIN，如图8所示。
⑦对TIN进行插值运算，生成简化DEM，如图9所示。
⑧将简化DEM通过数据格式转换及存储，地形曲面模型的文件体积大幅度减小，在BIM软件中能够快速加载与交互，且模型的几何信息、属性等完整，实现了地形曲面模型轻量化，图10所示。由图10可以看出，轻量化之后的数据更为简洁、清晰明了。
Claims (3)
1.一种地形曲面轻量化方法，其特征在于：该方法首先对通过机载激光雷达采集的点云数据进行简化，生成DEM；然后对所述DEM进行地形特征提取，生成简化DEM；最后将所述简化DEM通过数据格式转换及存储，在BIM中进行模型轻量化显示。
2.如权利要求1所述的一种地形曲面轻量化方法，其特征在于：所述点云数据按下述步骤进行简化：
⑴点云滤波分类：
在Terrasolid软件中，将所述点云数据通过过滤噪点、地物得到地面点云数据；
⑵点云抽稀：
根据平地、丘陵、山地不同的地形设置不同的参数，然后对所述点云数据进行抽稀；
⑶滤波抽稀后的点云生成DEM。
3.如权利要求1所述的一种地形曲面轻量化方法，其特征在于：所述地形特征按下述步骤进行简化：
①对DEM采用最大Z容差法进行特征点提取；
②对DEM采用骨架线法进行地形特征线提取：
先确定地形特征线为山脊线和山谷线；然后以GIS软件提取流域边界；再提取山脊线、山谷线；
③采用双线性内插法对提取的特征点和地形特征线构建TIN；
④对所述TIN进行插值运算，生成简化DEM。
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| CN (1) | CN114926599A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117874898A (zh) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 云南省交通规划设计研究院股份有限公司 | 基于bim与gis的公路三维边坡相交设计方法及系统 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103236086A (zh) * | 2013-04-24 | 2013-08-07 | 武汉大学 | 一种顾及地表水文上下文的多尺度dem建模方法 |
| CN105894587A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-08-24 | 南京师范大学 | 一种基于规则约束的山脊线和山谷线过滤方法 |
| CN106446910A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-02-22 | 电子科技大学 | 一种复杂地质曲面特征提取与重构方法 |
| CN112017288A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-01 | 滁州学院 | 一种基于地形图数据的dem综合与简化方法 |
| CN113762083A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-12-07 | 贵州电网有限责任公司 | 识别微地形类型的方法、装置、终端设备以及存储介质 |
| CN113807437A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-17 | 南京师范大学 | 一种基于dbscan聚类分析的山脊线和山谷线提取方法 |
| CN114463494A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-05-10 | 湖南省第一测绘院 | 一种地形特征线自动提取算法 |
-
2022
- 2022-05-27 CN CN202210587382.7A patent/CN114926599A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103236086A (zh) * | 2013-04-24 | 2013-08-07 | 武汉大学 | 一种顾及地表水文上下文的多尺度dem建模方法 |
| CN105894587A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-08-24 | 南京师范大学 | 一种基于规则约束的山脊线和山谷线过滤方法 |
| CN106446910A (zh) * | 2016-09-12 | 2017-02-22 | 电子科技大学 | 一种复杂地质曲面特征提取与重构方法 |
| CN112017288A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-01 | 滁州学院 | 一种基于地形图数据的dem综合与简化方法 |
| CN113762083A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-12-07 | 贵州电网有限责任公司 | 识别微地形类型的方法、装置、终端设备以及存储介质 |
| CN113807437A (zh) * | 2021-09-17 | 2021-12-17 | 南京师范大学 | 一种基于dbscan聚类分析的山脊线和山谷线提取方法 |
| CN114463494A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-05-10 | 湖南省第一测绘院 | 一种地形特征线自动提取算法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| 李志林等: "《数字高程模型 第3版》", vol. 2017, 30 November 2017, 科学出版社, pages: 192 * |
| 李玉东;张军;: "地形三维场景实时变换及可视化方法研究", 测绘工程, no. 06, 25 December 2010 (2010-12-25) * |
| 梁静等: "《三维激光扫描技术及应用》", vol. 2020, 31 May 2020, 黄河水利出版社, pages: 115 * |
| 翁进;陈亚凯;张禾裕;: "基于DLG精细化DEM的内插算法及其精度评价", 国土资源导刊, no. 04, 15 December 2015 (2015-12-15) * |
| 辛杰主编: "《深圳地铁建设管理探索与创新》", 30 April 2020, 中国铁道出版社有限公司, pages: 138 - 145 * |
| 郭万钦;刘时银;余蓬春;许君利;: "利用流域边界和坡向差自动提取山脊线", 测绘科学, no. 06, 20 November 2011 (2011-11-20), pages 2 * |
| 黄超;李书;: "基于TIN的LiDAR地面点云数据简化方法研究", 人民长江, no. 22, 28 November 2011 (2011-11-28), pages 2 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117874898A (zh) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 云南省交通规划设计研究院股份有限公司 | 基于bim与gis的公路三维边坡相交设计方法及系统 |
| CN117874898B (zh) * | 2024-03-11 | 2024-05-24 | 云南省交通规划设计研究院股份有限公司 | 基于bim与gis的公路三维边坡相交设计方法及系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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