CN116051782B - 基于正交网格曲线插值的数据处理及重构建模方法、设备和存储介质 - Google Patents

基于正交网格曲线插值的数据处理及重构建模方法、设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于正交网格曲线插值的数据处理及重构建模方法、设备和存储介质，对正交网格曲线插值算法中P、Q因子进行了改进，简化计算平面上的控制方程,还可以避免由于网格的非正交性而引起的离散误差，进而能够生成正交曲线网格；通过地形数字重构建模，解决地形数据精度不一致问题。本发明尤其适用于实现对海底地形三维建模，为海底地形三维数字可视化提供模型基础。

Description

基于正交网格曲线插值的数据处理及重构建模方法、设备和 存储介质
技术领域
本发明属于信息技术领域，具体是涉及一种基于正交网格曲线插值的数据处理及重构建模方法、设备和存储介质。
背景技术
面向地形结构形变状态的主动监测研究，通过多波束水下检测设备构建的传感技术及其信息处理方法构成关键信息内容。就研究的思路来说，目前三维重构在各自的具体应用背景，已经提出了许多成熟并且有效的建模方法。三维重构的常用算法概括为SFM算法和3Dshape算法两大类。SFM算法是一种基于各种收集到的无序图片进行三维重建的离线算法，常用于RGB图像或者RGBD图像的三维重构；3D shape分为深度图(depth),点云(pointcloud),体素(voxel),网格(mesh)四种，近年来也出现了很多基于deep learning的方法，但是depth image还不足以解释重构原始input的信息，它只能作为3D sceneunderstanding的一个辅助信息。
发明内容
因此，针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的至少一点，提出一种基于正交网格曲线插值的数据处理及重构建模方法、设备和存储介质，以正交网格曲线插值算法为理论基础，以实际测量与推演算法相结合为手段，以三维计算机仿真为实现方法，研究水下地形的3D点云图重构方法，从而为数据可视化提供模型基础。
本发明提供了一种基于正交网格曲线插值的数据处理方法，其特征在于，包括：
设定P、Q调节因子；
其中：
φ(ζ,η)，ψ(ζ,η)为待迭代求解的未知函数，函数的输入为计算平面上网格节点坐标ζ、η，输出为转换后的坐标值xζ、xη、yζ、yη；x、y为物理平面上网格节点坐标，为实际采集测量值；
采用所述调节因子在矩形区域上求解方程；
所述求解方程为：
其中β＝xζxη+yζyη为正交因子；
以此，设定网格剖分和数据精度迭代求解，获取与计算平面上的矩形区域网格节点相对应的物理平面上曲线网格节点的坐标,完成坐标变换及数据插值。
进一步地，所述数据精度优选为0.2m。
本发明还公开了一种地形数据三维重构建模方法，其特征在于，上述数据重构建模方法包括，
S1:数据采集融合
将地形数据进行采集处理获取数据散点文件；
将所述数据散点文件转换成带有地理投影的图像文件；
将上述图像文件中的地形数据进行融合处理；
执行上述的基于正交网格曲线插值的数据处理方法完成数据插值处理；
S2：利用所述步骤S1中获取的数据执行所述地形数据的重构建模。
进一步地，所述重构建模包括：
S21、切割所述经过数据插值处理后的地形数据为小块影像数据；
S22、将经纬度坐标系转换为地心直角坐标系；
S23、计算所有小块影像数据的共同中心点，将所述地心直角坐标系转换到以中心点为原点的本地直角坐标系；
S24、以所述共同中心点对所述小块影像数据构建三角面，形成地形三维模型。
进一步地，所述数据散点文件的分辨率为0.2m。
进一步地，所述图像文件中的地形外部高程低于20m的网格数据修改为20m。
进一步地，在所述步骤S24后将所述地形三维模型组成为3D-tiles供可视化使用。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
总体而言，通过本发明构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
改进P、Q函数，将已知的固定表达的P、Q调节函数转化为需要迭代求解的函数，并且将现有技术中的直线表达方式修改为曲线表达方式，提高网格剖分的细密度，方便、有效地生成所需要的正交曲线网格，收敛速度快，精度高。尤其在数值求解河道、湖泊、浅海等一类具有复杂边界的浅水水域的流速场中，能够显著提高分析速度和精度；
利用正交曲线网格插值算法，快速重构海底地形，提高了地形的精度；采取三角面片，进行三维模型重构，节省了处理时间,提高了效率。组装为3D-tiles，为可视化软件，提供一种通用的模型文件格式，减少可视化的构建难度，提高可视化的展示效率。
附图说明
图1为本发明中利用基于正交网格曲线插值的数据处理形成的单连域曲线网格图示意图。
图2为本发明中利用基于正交网格曲线插值的数据处理的重构建模方法的三维重构建模方法的整体流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，本发明中首先对正交网格曲线插值算法中P、Q因子进行了改进，简化计算平面上的控制方程,并且改进进入正交因子，尤其避免由于网格的非正交性而引起的某些离散误差，进而能够有效、方便地生成正交曲线网格；其二，通过地形数字重构建模，解决地形数据精度不一致问题。该方法可实现对海底地形三维建模，为海底地形三维数字可视化提供模型基础。
首先，按照本发明的发明目的的其中一个方面，提出了一种基于正交网格曲线插值的数据处理方法，其特征在于，包括：
设定P、Q调节因子；
其中：
φ(ζ,η)，ψ(ζ,η)为待迭代求解的未知函数，函数的输入为计算平面上网格节点坐标ζ、η，输出为转换后的坐标值xζ、xη、yζ、yη；x、y为物理平面上网格节点坐标，为实际采集测量值；
采用调节因子在矩形区域上求解方程；
求解方程为：
其中β＝xζxη+yζyη为正交因子；
以此，设定网格剖分和数据精度迭代求解，获取与计算平面上的矩形区域网格节点相对应的物理平面上曲线网格节点的坐标,完成坐标变换及数据插值，如图1中的一个示例中所示用基于正交网格曲线插值的数据处理形成的单连域曲线网格图。
在上述的改进中，主要是现有技术中的P、Q调节因子分别为ζxx+ζyy＝P(ζ,η)，ηxx+ηyy＝Q(ζ,η)，以直线坐标关系的映射来建立两个坐标系之间的关系，并不适用于一些具有复杂边界的流速场中的建模计算。
基于正交网格曲线插值算法实现和三维重构步骤，本发明实施方式中的一种是应用海洋地形高程数据和三维重构技术，建立了一种基于曲线正交网格的海洋地形数字高程模型，进而进行海底地形冲淤定量计算的普适方法。结合三维重构技术，完成了河道断面曲面内插高程结点。重构后的地形数据与实测数据相比较在海底高程、形态及面积吻合较好；能满足在数字地球模型上进行三维仿真的需要，具体包括：
将φ(ζ,η)，ψ(ζ,η)代入，求解方程(2a)、(2b),即可解得与变换平面上矩形网格节点相对应的物理平面上曲线网格节点的坐标,从而实现坐标变换。
其中β＝xζxη+yζyη,反映曲线网格的正交程度。如果网格正交，则P,Q函数成立。
按照本发明的上述实施方式，用改进后的正交网格曲线算法，进行网格剖分。根据地形数据分辨率和精度的要求，设置精度值为0.2m，进行数据插值。当循环进入新的一层Cube时,更新Buffer。将对应的影像定义为材质，对地形模型进行UV坐标计算完成纹理映射；
按照本发明的上述实施方式，进一步包括组装为3D-tiles，供可视化使用。
如图2中的流程中所示，按照本发明的一种具体的实施方式，还包括利用上述经过数据插值方法进一步实现海底地形数据重构，具体包括：
S21、利用多波束后处理软件将海底地形数据进行滤波、裁剪、调整水平分辨率为0.2m后导出为XTF格式的高程数据散点文件。
S22、将海底地形的高程数据转换成带有地理投影的TIF格式图像文件；将海底地形外部高程低于20m的网格数据修改为20m，其目的是在设置动态淹没水位时，水不会外流到外部，确保淹没面积计算的正确性。
S23、地形镶嵌与融合。由于海底测量分布多次测量，测线处理是分开处理的，完整的研究区地形需要将分开的地形数据进行镶嵌和融合釆用多波束后处理软件对地形和rtk数据进行地形的融合处理。
S24、融合处理后，利用上述的正交曲线网格插值算法对地形数据进行插值，使其在不改变分辨率的情况下，精度达到0.2m。
按照本发明的其中一种实施方式，进一步依据上述获取的融合数据进一步进行三维模型的构建。
S31、切割整体地形、整体影像为小块，其中一个小块地形必然对应一个小块影像；
S32、把WGS84经纬度坐标系转换为WGS84地心直角坐标系；
S33、计算所有块的共同中心点，将地心直角坐标系转换到以中心点为原点的本地直角坐标系；
S34、构建三角面，形成地形三维模型；
在构建三角面时，采用MC算法来提取三维等值面，采用顶点-边表的数据结构，即与某顶点共同组成一个三角形的边置于该顶点的边链中，边链按顺序存放。将MC生成的每一个三角面片插入上述的顶点-边表结构，需要两步工作:①三角面片三个顶点的定位与插入；②三角面片的插入。顶点的定位是三角面片插入的基础。为快速的将MC生成的每一个三角面片插入上述顶点-边表结构中，待插入三角面片的三个顶点在顶点链中的定位的速度是关键因素，查找的速度直接影响三角网格生成组织的速度。
由于一个三角面片只能与当前处理立方体和周围与该立方体相邻的立方体中的三角面片有共同特点，在查找三角面片三个顶点时可以充分利用MC算法“活动的立方体”的特性，从而大大缩小顶点的搜索范围，加速顶点的搜索定位过程。
分配缓冲区Buffer。假定搜索区域大小为X*Y*Z(X为图像长度，Y为图像宽度，Z为层数)，缓冲区Buffer＝newint[5*X*Y-2*(X+Y)]。Buffer包含了当前层中所有Cube的边。Buffer[i](0<＝i，SIZE)存放的是该边所包含的等值面中顶点的下标。置其初值为零代表该边不与等值面相交。
在按层遍历每一个Cube时，若某一Cube的某条边与等值面存在交点，则计算交点所在的边在Buffer中的下标N，判断Buffer[N]是否为零，若不为零，则Buffer[N]-1即为该点在顶点数组中的下标；若为零，则在顶点数组最后插入该顶点，并将该顶点在顶点数组中的下标加1存入Buffer[N]。
将三角面片的三条边插入各自顶点的边链。
当循环进入新的一层Cube时,更新Buffer。上述处理大大提高了顶点的定位效率,使得三角面片的生成与组织一步完成,节省了处理时间,提高了效率。
S35、将对应的影像定义为材质，对地形模型进行UV坐标计算完成纹理映射；
按照本发明的其中一种实施方式，进一步依据上述获取的融合数据进一步进行三维模型的构建组装为3D-tiles，供可视化使用，包括：
S41、将模型文件转换为gltf格式；
S41、计算模型包络范围、中心点位置、屏幕误差；
S41、生成3D-tiles。
本发明还提供一种存储介质，其存储有可由处理器执行的计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述任一项上述行业通用产品追溯方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述模块的划分，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，例如多个模块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服务接口，系统或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。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。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块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器中。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全部或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器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、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。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中所描述的内容仅仅是对本发明所作的举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种地形数据三维重构建模方法，其特征在于，上述数据重构建模方法包括，
S1:数据采集融合
将地形数据进行采集处理获取数据散点文件；
将所述数据散点文件转换成带有地理投影的图像文件；
将上述图像文件中的地形数据进行融合处理；
执行基于正交网格曲线插值的数据处理方法完成数据插值处理，包括：
设定P、Q调节因子；
其中：
φ(ζ,η)，ψ(ζ,η)为待迭代求解的未知函数，函数的输入为计算平面上网格节点坐标ζ、η，输出为转换后的坐标值xζ、xη、yζ、yη；x、y为物理平面上网格节点坐标，为实际采集测量值；
采用所述调节因子在矩形区域上求解方程；
所述求解方程为：
其中β＝xζxη+yζyη为正交因子；J＝xζyζ-xηyη；
以此，设定网格剖分和数据精度迭代求解，获取与计算平面上的矩形区域网格节点相对应的物理平面上曲线网格节点的坐标,完成坐标变换及数据插值以执行地形数据的重构建模；
S2：利用所述步骤S1中获取的数据执行所述地形数据的重构建模。
2.根据权利要求1中所述的地形数据三维重构建模方法，其特征在于，所述数据精度为0.2m。
3.根据权利要求1中所述的地形数据三维重构建模方法，其特征在于，所述重构建模包括：
S21、切割所述经过数据插值处理后的地形数据为小块影像数据；
S22、将经纬度坐标系转换为地心直角坐标系；
S23、计算所有小块影像数据的共同中心点，将所述地心直角坐标系转换到以中心点为原点的本地直角坐标系；
S24、以所述共同中心点对所述小块影像数据构建三角面，形成地形三维模型。
4.根据权利要求3中所述的地形数据三维重构建模方法，其特征在于，所述数据散点文件的分辨率为0.2m。
5.根据权利要求3中所述的地形数据三维重构建模方法，其特征在于，所述图像文件中的地形外部高程低于20m的网格数据修改为20m。
6.根据权利要求3中所述的地形数据三维重构建模方法，其特征在于，其特征在于，在所述步骤S24后将所述地形三维模型组成为3D-tiles供可视化使用。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
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Inventor after: Wang Jiajun

Inventor after: Li Guangjun

Inventor after: Dai Bolan

Inventor after: Jing Qiang

Inventor after: Ran Longjian

Inventor after: Li Jiewei

Inventor after: Yang Xiaowei

Inventor after: Xiao Xuelu

Inventor after: Ming Huifang

Inventor after: Yin Hui

Inventor after: Li Xiangyuan

Inventor before: Sun Weihua

Inventor before: Ran Longjian

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Applicant after: HONG KONG-ZHUHAI-MACAO BRIDGE AUTHORITY

Country or region after: China

Applicant after: Wuhan Ship Communication Research Institute (722 Research Institute of China Shipbuilding Corp.)

Address before: 430205 Institute of CSIC 722, No.3, zanglongdao, Jiangxia District, Wuhan City, Hubei Province

Applicant before: WUHAN SHIP COMMUNICATION Research Institute (722 RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY CORPORATION)

Country or region before: China

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