一種基于高精度dem數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高精度DEM數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法，包括如下步驟：1)四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2)計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差，3)對四叉樹結(jié)點(diǎn)細(xì)分，4)地形簡化誤差判斷，與常見的DEM相比，本算法對四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，不僅定義了點(diǎn)、邊、三角面鏈表，還對塊的中心點(diǎn)邊界以及塊的誤差度量值作出定義，在對不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差作出計(jì)算后，對誤差值進(jìn)一步細(xì)分，并作出進(jìn)一步的誤差判斷，在對建立大范圍、大比例尺的實(shí)時、可交互的虛擬地形環(huán)境進(jìn)行簡化的同時，通過計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的重要性測度時，簡化節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度，從而提高地形繪制效率，并且得到的效果圖地形細(xì)節(jié)細(xì)致真實(shí)。
【專利說明】
一種基于高精度DEM數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種算法，具體是一種基于高精度DEM數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法，屬于 影像處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了更高效的生成高仿真、大規(guī)模、高精度的輸電線路三維地形場景，常采用地形 數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，在運(yùn)用這些海量地形數(shù)據(jù)建立地形模型時，通常包含數(shù)以億計(jì)的三角 形，而解決三角網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)量大的一個辦法就是對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化。規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)由 于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單而得到了較為廣泛的應(yīng)用，常見的DEM就使用了規(guī)則網(wǎng)格，樹結(jié)構(gòu)是規(guī)則網(wǎng) 絡(luò)地形繪制中經(jīng)常采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，四叉樹常被用于地形的簡化。
[0003] 樹結(jié)構(gòu)可以方便的對地形進(jìn)行分塊、大大減少了地形繪制時間，加速了地形簡化， 但是卻占用大量的內(nèi)存空間，而基于樹結(jié)構(gòu)表達(dá)的不規(guī)則三角形(TIN)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對 三維場景數(shù)據(jù)近似，視覺連續(xù)性也比較好，但其三角網(wǎng)算法存在執(zhí)行效率低的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于高精度DEM數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法，在建立大 范圍、大比例尺的實(shí)時、可交互的虛擬地形環(huán)境，獲得更好的近似原始地形的同時，提高算 法的執(zhí)行效率。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本基于高精度DEM數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法，包括以下步驟：
[0006] (1)在高精度DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立基于四叉樹結(jié)構(gòu)DEM模型，并且定義點(diǎn)、邊、三角 面鏈表，以及塊的中心點(diǎn)邊界以及塊的誤差度量值；
[0007] (2)根據(jù)步驟（1)的設(shè)計(jì)，計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值，根據(jù)得到的不規(guī) 則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差進(jìn)行投影誤差的計(jì)算，以提高地形繪制精度；
[0008] (3)將步驟(2)中求出的不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值和設(shè)定的閾值相比較，大 于則插入該視點(diǎn)，小于則進(jìn)一步擴(kuò)大包圍球范圍；
[0009] (4)選取插入多個視點(diǎn)的整個地形為結(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定條件判斷結(jié)點(diǎn)是否滿足條件 要求，若滿足，則為葉子結(jié)點(diǎn)；不滿足，則將該結(jié)點(diǎn)分為4個子節(jié)點(diǎn)，用遞歸的方法判斷4個子 節(jié)點(diǎn)是否滿足葉子結(jié)點(diǎn)條件，直到不可再分為止，其判別依據(jù)為根據(jù)前面步驟所求出的不 規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值來確定的節(jié)點(diǎn)誤差值eKO,用于確定地形繪制的簡化程度。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟⑵中不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差S(C1),可由如下公式計(jì)算：
[0011]
1)
[0012]其中，h(x，y)為地形高程函數(shù)，A(Star(p))為結(jié)點(diǎn)定義的平均誤差平面，不規(guī)則三 角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差可以由式（1)計(jì)算，其中的d(Cj)的范圍由誤差嵌套球確定，對于特定 物理點(diǎn)來說，其投影誤差和實(shí)際視點(diǎn)無關(guān)誤差成正比而且其距視點(diǎn)越遠(yuǎn)，投影誤差越小，其 計(jì)算公式為：
[0013；
(2)
[0014] 其中，為P1S結(jié)點(diǎn)，e為視點(diǎn)，λ為投影系數(shù)，是實(shí)際物體尺寸在投影空間投影變換 后的放大倍數(shù)；
[0015] 進(jìn)一步地，步驟(3)中對根據(jù)(2)式求出的不規(guī)則三角形無關(guān)誤差值的大小進(jìn)行進(jìn) 一步細(xì)分，結(jié)點(diǎn)繼續(xù)細(xì)分的條件是：
[0016]
[0017] 其中k = VA，經(jīng)過式(3)的優(yōu)化，算法可以達(dá)到比較理想的計(jì)算效果，針對無關(guān)誤 差值的大小，就可以和閾值相比較，大于則插入該視點(diǎn)，小于則進(jìn)一步擴(kuò)大包圍球范圍；
[0018] 進(jìn)一步地，步驟(4)為地形簡化誤差判斷，首先選取就整個地形為結(jié)點(diǎn)，然后判斷 結(jié)點(diǎn)是否滿足某種條件，如果是則認(rèn)為是葉子結(jié)點(diǎn)，否則將該結(jié)點(diǎn)四分為4個子節(jié)點(diǎn)，用遞 歸的方法判斷4個子節(jié)點(diǎn)是否滿足葉子結(jié)點(diǎn)條件，直到不可再分為止，其算法過程如下：
[0019] 根節(jié)點(diǎn)入棧，若棧不為空，且棧結(jié)點(diǎn)小于MC1)，則將結(jié)點(diǎn)放入點(diǎn)集合，算法結(jié)束； 若棧不為空，但棧結(jié)點(diǎn)大于或等于MC 1)，則返回上一程序，繼續(xù)分為子節(jié)點(diǎn)，直到棧結(jié)點(diǎn)小 于MC1)，則將結(jié)點(diǎn)放入點(diǎn)集合，算法結(jié)束;若棧為空，則算法結(jié)束。
[0020] e (Ci)的計(jì)算公式為：
[0021]
[0022]其中α為視點(diǎn)的張角，L為投影平面的邊長，1為被投線段長度，d為視點(diǎn)與該線段中 心的距離，λ為物體空間中的單位長度在投影平面上的像素?cái)?shù)，k為一個可變的系數(shù)。
[0023]與常見的DEM相比，本算法對四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)，不僅定義了點(diǎn)、邊、 三角面鏈表，還對塊的中心點(diǎn)邊界以及塊的誤差度量值作出定義，在對不規(guī)則三角網(wǎng)的視 點(diǎn)無關(guān)誤差作出計(jì)算后，對誤差值進(jìn)一步細(xì)分，并作出進(jìn)一步的誤差判斷，在對建立大范 圍、大比例尺的實(shí)時、可交互的虛擬地形環(huán)境進(jìn)行簡化的同時，通過計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的重要性 測度時，簡化節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度，提高了地形繪制效率，且得到的效果圖地形細(xì)節(jié)細(xì)致真實(shí)。
【附圖說明】 圖1為本發(fā)明步驟(4)的算法過程流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025]本基于高精度DEM數(shù)據(jù)的三維地形簡化算法，包括以下步驟：
[0026] (1)在高精度DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立基于四叉樹結(jié)構(gòu)的DEM模型，并且定義點(diǎn)、邊、三 角面鏈表，以及塊的中心點(diǎn)邊界以及塊的誤差度量值，設(shè)計(jì)過程如下：
[0028]以上設(shè)計(jì)的目的是在地形的層次細(xì)節(jié)模型中，方便的對視景替以外的地形進(jìn)行裁 剪和誤差過渡計(jì)算，以便加快繪制速度。
[0029] (2)根據(jù)步驟（1)的設(shè)計(jì)，計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值，根據(jù)得到的不規(guī) 則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差進(jìn)行投影誤差的計(jì)算，以提高地形繪制信度；
[0030] (3)將步驟(2)中求出的不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值和設(shè)定的閾值相比較，大 于則插入該視點(diǎn)，小于則進(jìn)一步擴(kuò)大包圍球范圍；
[0031] (4)選取插入多個視點(diǎn)的整個地形為結(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定條件判斷結(jié)點(diǎn)是否滿足條件 要求，若滿足，則為葉子結(jié)點(diǎn)；不滿足，則將該結(jié)點(diǎn)分為4個子節(jié)點(diǎn)，用遞歸的方法判斷4個子 節(jié)點(diǎn)是否滿足葉子結(jié)點(diǎn)條件，直到不可再分為止，其判別依據(jù)為根據(jù)前面步驟所求出的不 規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值來確定的節(jié)點(diǎn)誤差值eKO,用于確定地形繪制的簡化程度。 [0032] 步驟(2)中不規(guī)則三角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差S(Ci)，可由如下公式計(jì)算：
[0033]
(I)
[0034]其中，h(x，y)為地形高程函數(shù)，A(Star(p))為結(jié)點(diǎn)定義的平均誤差平面，不規(guī)則三 角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差可以由式（1)計(jì)算，其中的d(Cj)的范圍由誤差嵌套球確定，對于特定 物理點(diǎn)來說，其投影誤差和實(shí)際視點(diǎn)無關(guān)誤差成正比而且其距視點(diǎn)越遠(yuǎn)，投影誤差越小，其 計(jì)算公式為：
[0035]
(2)
[0036] 其中，為P1S結(jié)點(diǎn)，e為視點(diǎn)，λ為投影系數(shù)，是實(shí)際物體尺寸在投影空間投影變換 后的放大倍數(shù)；
[0037] 步驟(3)中對根據(jù)(2)式求出的不規(guī)則三角形無關(guān)誤差值的大小進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分， 結(jié)點(diǎn)繼續(xù)細(xì)分的條件是：
[0038]
[0039] 其中k = T/A，經(jīng)過式(3)的優(yōu)化，算法可以達(dá)到比較理想的計(jì)算效果，針對無關(guān)誤 差值的大小，就可以和閾值相比較，大于則插入該視點(diǎn)，小于則進(jìn)一步擴(kuò)大包圍球范圍；
[0040] 步驟(4)為地形簡化誤差判斷，首先選取就整個地形為結(jié)點(diǎn)，然后判斷結(jié)點(diǎn)是否滿 足某種條件，如果是則認(rèn)為是葉子結(jié)點(diǎn)，否則將該結(jié)點(diǎn)四分為4個子節(jié)點(diǎn)，用遞歸的方法判 斷4個子節(jié)點(diǎn)是否滿足葉子結(jié)點(diǎn)條件，直到不可再分為止，其算法過程如下：
[0041]
[0042] 根節(jié)點(diǎn)入棧，若棧不為空，且棧結(jié)點(diǎn)小于MC1)，則將結(jié)點(diǎn)放入點(diǎn)集合，算法結(jié)束； 若棧不為空，但棧結(jié)點(diǎn)大于或等于MC 1)，則返回上一程序，繼續(xù)分為子節(jié)點(diǎn)，直到棧結(jié)點(diǎn)小 于MC1)，則將結(jié)點(diǎn)放入點(diǎn)集合，算法結(jié)束;若棧為空，則算法結(jié)束。
[0043] e(Ci)的計(jì)算公式為：
[0044]
(4)
[0045] 其中α為視點(diǎn)的張角，L為投影平面的邊長，1為被投線段長度，d為視點(diǎn)與該線段中 心的距離，λ為物體空間中的單位長度在投影平面上的像素?cái)?shù)，k為一個可變的系數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于高精度DEM數(shù)據(jù)的Ξ維地形簡化算法，其特征在于，包括w下步驟： (1) 在高精度DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立基于四叉樹結(jié)構(gòu)的DEM模型，并且定義點(diǎn)、邊、立角面 鏈表，W及塊的中屯、點(diǎn)邊界W及塊的誤差度量值； (2) 根據(jù)步驟（1)的設(shè)計(jì)，計(jì)算不規(guī)則Ξ角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值，根據(jù)得到的不規(guī)則Ξ 角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差進(jìn)行投影誤差的計(jì)算，W提高地形繪制精度； (3) 將步驟(2)中求出的不規(guī)則Ξ角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值和設(shè)定的闊值相比較，大于則 插入該視點(diǎn)，小于則進(jìn)一步擴(kuò)大包圍球范圍； (4) 選取插入多個視點(diǎn)的整個地形為結(jié)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)定條件判斷結(jié)點(diǎn)是否滿足條件要求， 若滿足，則為葉子結(jié)點(diǎn)；不滿足，則將該結(jié)點(diǎn)分為4個子節(jié)點(diǎn)，用遞歸的方法判斷4個子節(jié)點(diǎn) 是否滿足葉子結(jié)點(diǎn)條件，直到不可再分為止，其判別依據(jù)為根據(jù)前面步驟所求出的不規(guī)則 Ξ角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差值來確定的節(jié)點(diǎn)誤差值e(Ci)，用于確定地形繪制的簡化程度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高精度呢Μ數(shù)據(jù)的Ξ維地形簡化算法，其特征在于， 步驟(2)中不規(guī)則Ξ角網(wǎng)的視點(diǎn)無關(guān)誤差S(Ci)，可由如下公式計(jì)算：其中，h(x，y)為地形高程函數(shù)，A(Star(p))為結(jié)點(diǎn)定義的平均誤差平面，不規(guī)則Ξ角網(wǎng) 的視點(diǎn)無關(guān)誤差可W由式（1)計(jì)算，其中的d(Cj)的范圍由誤差嵌套球確定，對于特定物理 點(diǎn)來說，其投影誤差和實(shí)際視點(diǎn)無關(guān)誤差成正比而且其距視點(diǎn)越遠(yuǎn)，投影誤差越小，其計(jì)算 公式為：其中，為Pi為結(jié)點(diǎn)，e為視點(diǎn)，λ為投影系數(shù)，是實(shí)際物體尺寸在投影空間投影變換后的 放大倍數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高精度呢Μ數(shù)據(jù)的Ξ維地形簡化算法，其特征在于， 步驟(3)中對根據(jù)(2)式求出的不規(guī)則Ξ角形無關(guān)誤差值的大小進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，結(jié)點(diǎn)繼續(xù) 細(xì)分的條件是：其中4=τ/λ，經(jīng)過式(3)的優(yōu)化，算法可W達(dá)到比較理想的計(jì)算效果，針對無關(guān)誤差值 的大小，就可W和闊值相比較，大于則插入該視點(diǎn)，小于則進(jìn)一步擴(kuò)大包圍球范圍。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高精度呢Μ數(shù)據(jù)的Ξ維地形簡化算法，其特征在于， 步驟(4)為地形簡化誤差判斷，首先選取就整個地形為結(jié)點(diǎn)，然后判斷結(jié)點(diǎn)是否滿足某種條 件，如果是則認(rèn)為是葉子結(jié)點(diǎn)，否則將該結(jié)點(diǎn)四分為4個子節(jié)點(diǎn)，用遞歸的方法判斷4個子節(jié) 點(diǎn)是否滿足葉子結(jié)點(diǎn)條件，直到不可再分為止，其算法過程如下： 根節(jié)點(diǎn)入找，若找不為空，且找結(jié)點(diǎn)小于e(Ci)，則將結(jié)點(diǎn)放入點(diǎn)集合，算法結(jié)束;若找不 為空，但找結(jié)點(diǎn)大于或等于e(Ci)，則返回上一程序，繼續(xù)分為子節(jié)點(diǎn)，直到找結(jié)點(diǎn)小于e (Cl )，則將結(jié)點(diǎn)放入點(diǎn)集合，算法結(jié)束;若找為空，則算法結(jié)束。 e(Ci)的計(jì)算公式為：其中α為視點(diǎn)的張角，L為投影平面的邊長，1為被投線段長度，d為視點(diǎn)與該線段中屯、的 距離，λ為物體空間中的單位長度在投影平面上的像素?cái)?shù)，k為一個可變的系數(shù)。
【文檔編號】G06T17/05GK105844703SQ201610167976
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】劉廣州, 于啟萬, 許啟金, 別長報(bào), 吳翔, 葉輝, 廖志斌, 吳偉
【申請人】國網(wǎng)安徽省電力公司宿州供電公司, 國家電網(wǎng)公司