一种基于高精度dem数据的三维地形简化算法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高精度DEM数据的三维地形简化算法，包括如下步骤：1)四叉树数据结构设计，2)计算不规则三角网的视点无关误差，3)对四叉树结点细分，4)地形简化误差判断，与常见的DEM相比，本算法对四叉树数据结构进行特别设计，不仅定义了点、边、三角面链表，还对块的中心点边界以及块的误差度量值作出定义，在对不规则三角网的视点无关误差作出计算后，对误差值进一步细分，并作出进一步的误差判断，在对建立大范围、大比例尺的实时、可交互的虚拟地形环境进行简化的同时，通过计算每个节点的重要性测度时，简化节点的复杂度，从而提高地形绘制效率，并且得到的效果图地形细节细致真实。
【专利说明】
一种基于高精度DEM数据的三维地形简化算法
技术领域
[0001]本发明涉及一种算法，具体是一种基于高精度DEM数据的三维地形简化算法，属于 影像处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 为了更高效的生成高仿真、大规模、高精度的输电线路三维地形场景，常采用地形 数字高程数据(DEM)，在运用这些海量地形数据建立地形模型时，通常包含数以亿计的三角 形，而解决三角网格模型数据量大的一个办法就是对网络数据进行简化。规则网格结构由 于数据结构简单而得到了较为广泛的应用，常见的DEM就使用了规则网格，树结构是规则网 络地形绘制中经常采用的数据结构，四叉树常被用于地形的简化。
[0003] 树结构可以方便的对地形进行分块、大大减少了地形绘制时间，加速了地形简化， 但是却占用大量的内存空间，而基于树结构表达的不规则三角形(TIN)能够很好的实现对 三维场景数据近似，视觉连续性也比较好，但其三角网算法存在执行效率低的缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于高精度DEM数据的三维地形简化算法，在建立大 范围、大比例尺的实时、可交互的虚拟地形环境，获得更好的近似原始地形的同时，提高算 法的执行效率。
[0005] 为达到上述目的，本基于高精度DEM数据的三维地形简化算法，包括以下步骤：
[0006] (1)在高精度DEM数据基础上，建立基于四叉树结构DEM模型，并且定义点、边、三角 面链表，以及块的中心点边界以及块的误差度量值；
[0007] (2)根据步骤（1)的设计，计算不规则三角网的视点无关误差值，根据得到的不规 则三角网的视点无关误差进行投影误差的计算，以提高地形绘制精度；
[0008] (3)将步骤(2)中求出的不规则三角网的视点无关误差值和设定的阈值相比较，大 于则插入该视点，小于则进一步扩大包围球范围；
[0009] (4)选取插入多个视点的整个地形为结点，根据设定条件判断结点是否满足条件 要求，若满足，则为叶子结点；不满足，则将该结点分为4个子节点，用递归的方法判断4个子 节点是否满足叶子结点条件，直到不可再分为止，其判别依据为根据前面步骤所求出的不 规则三角网的视点无关误差值来确定的节点误差值eKO,用于确定地形绘制的简化程度。
[0010] 进一步地，步骤⑵中不规则三角网的视点无关误差S(C1),可由如下公式计算：
[0011]
1)
[0012]其中，h(x，y)为地形高程函数，A(Star(p))为结点定义的平均误差平面，不规则三 角网的视点无关误差可以由式（1)计算，其中的d(Cj)的范围由误差嵌套球确定，对于特定 物理点来说，其投影误差和实际视点无关误差成正比而且其距视点越远，投影误差越小，其 计算公式为：
[0013；
(2)
[0014] 其中，为P1S结点，e为视点，λ为投影系数，是实际物体尺寸在投影空间投影变换 后的放大倍数；
[0015] 进一步地，步骤(3)中对根据(2)式求出的不规则三角形无关误差值的大小进行进 一步细分，结点继续细分的条件是：
[0016]
[0017] 其中k = VA，经过式(3)的优化，算法可以达到比较理想的计算效果，针对无关误 差值的大小，就可以和阈值相比较，大于则插入该视点，小于则进一步扩大包围球范围；
[0018] 进一步地，步骤(4)为地形简化误差判断，首先选取就整个地形为结点，然后判断 结点是否满足某种条件，如果是则认为是叶子结点，否则将该结点四分为4个子节点，用递 归的方法判断4个子节点是否满足叶子结点条件，直到不可再分为止，其算法过程如下：
[0019] 根节点入栈，若栈不为空，且栈结点小于MC1)，则将结点放入点集合，算法结束； 若栈不为空，但栈结点大于或等于MC 1)，则返回上一程序，继续分为子节点，直到栈结点小 于MC1)，则将结点放入点集合，算法结束;若栈为空，则算法结束。
[0020] e (Ci)的计算公式为：
[0021]
[0022]其中α为视点的张角，L为投影平面的边长，1为被投线段长度，d为视点与该线段中 心的距离，λ为物体空间中的单位长度在投影平面上的像素数，k为一个可变的系数。
[0023]与常见的DEM相比，本算法对四叉树数据结构进行了特别设计，不仅定义了点、边、 三角面链表，还对块的中心点边界以及块的误差度量值作出定义，在对不规则三角网的视 点无关误差作出计算后，对误差值进一步细分，并作出进一步的误差判断，在对建立大范 围、大比例尺的实时、可交互的虚拟地形环境进行简化的同时，通过计算每个节点的重要性 测度时，简化节点的复杂度，提高了地形绘制效率，且得到的效果图地形细节细致真实。
【附图说明】 图1为本发明步骤(4)的算法过程流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面对本发明作进一步说明。
[0025]本基于高精度DEM数据的三维地形简化算法，包括以下步骤：
[0026] (1)在高精度DEM数据基础上，建立基于四叉树结构的DEM模型，并且定义点、边、三 角面链表，以及块的中心点边界以及块的误差度量值，设计过程如下：
[0028]以上设计的目的是在地形的层次细节模型中，方便的对视景替以外的地形进行裁 剪和误差过渡计算，以便加快绘制速度。
[0029] (2)根据步骤（1)的设计，计算不规则三角网的视点无关误差值，根据得到的不规 则三角网的视点无关误差进行投影误差的计算，以提高地形绘制信度；
[0030] (3)将步骤(2)中求出的不规则三角网的视点无关误差值和设定的阈值相比较，大 于则插入该视点，小于则进一步扩大包围球范围；
[0031] (4)选取插入多个视点的整个地形为结点，根据设定条件判断结点是否满足条件 要求，若满足，则为叶子结点；不满足，则将该结点分为4个子节点，用递归的方法判断4个子 节点是否满足叶子结点条件，直到不可再分为止，其判别依据为根据前面步骤所求出的不 规则三角网的视点无关误差值来确定的节点误差值eKO,用于确定地形绘制的简化程度。 [0032] 步骤(2)中不规则三角网的视点无关误差S(Ci)，可由如下公式计算：
[0033]
(I)
[0034]其中，h(x，y)为地形高程函数，A(Star(p))为结点定义的平均误差平面，不规则三 角网的视点无关误差可以由式（1)计算，其中的d(Cj)的范围由误差嵌套球确定，对于特定 物理点来说，其投影误差和实际视点无关误差成正比而且其距视点越远，投影误差越小，其 计算公式为：
[0035]
(2)
[0036] 其中，为P1S结点，e为视点，λ为投影系数，是实际物体尺寸在投影空间投影变换 后的放大倍数；
[0037] 步骤(3)中对根据(2)式求出的不规则三角形无关误差值的大小进行进一步细分， 结点继续细分的条件是：
[0038]
[0039] 其中k = T/A，经过式(3)的优化，算法可以达到比较理想的计算效果，针对无关误 差值的大小，就可以和阈值相比较，大于则插入该视点，小于则进一步扩大包围球范围；
[0040] 步骤(4)为地形简化误差判断，首先选取就整个地形为结点，然后判断结点是否满 足某种条件，如果是则认为是叶子结点，否则将该结点四分为4个子节点，用递归的方法判 断4个子节点是否满足叶子结点条件，直到不可再分为止，其算法过程如下：
[0041]
[0042] 根节点入栈，若栈不为空，且栈结点小于MC1)，则将结点放入点集合，算法结束； 若栈不为空，但栈结点大于或等于MC 1)，则返回上一程序，继续分为子节点，直到栈结点小 于MC1)，则将结点放入点集合，算法结束;若栈为空，则算法结束。
[0043] e(Ci)的计算公式为：
[0044]
(4)
[0045] 其中α为视点的张角，L为投影平面的边长，1为被投线段长度，d为视点与该线段中 心的距离，λ为物体空间中的单位长度在投影平面上的像素数，k为一个可变的系数。
【主权项】
1. 一种基于高精度DEM数据的Ξ维地形简化算法，其特征在于，包括w下步骤： (1) 在高精度DEM数据基础上，建立基于四叉树结构的DEM模型，并且定义点、边、立角面 链表，W及块的中屯、点边界W及块的误差度量值； (2) 根据步骤（1)的设计，计算不规则Ξ角网的视点无关误差值，根据得到的不规则Ξ 角网的视点无关误差进行投影误差的计算，W提高地形绘制精度； (3) 将步骤(2)中求出的不规则Ξ角网的视点无关误差值和设定的阔值相比较，大于则 插入该视点，小于则进一步扩大包围球范围； (4) 选取插入多个视点的整个地形为结点，根据设定条件判断结点是否满足条件要求， 若满足，则为叶子结点；不满足，则将该结点分为4个子节点，用递归的方法判断4个子节点 是否满足叶子结点条件，直到不可再分为止，其判别依据为根据前面步骤所求出的不规则 Ξ角网的视点无关误差值来确定的节点误差值e(Ci)，用于确定地形绘制的简化程度。2. 根据权利要求1所述的一种基于高精度呢Μ数据的Ξ维地形简化算法，其特征在于， 步骤(2)中不规则Ξ角网的视点无关误差S(Ci)，可由如下公式计算：其中，h(x，y)为地形高程函数，A(Star(p))为结点定义的平均误差平面，不规则Ξ角网 的视点无关误差可W由式（1)计算，其中的d(Cj)的范围由误差嵌套球确定，对于特定物理 点来说，其投影误差和实际视点无关误差成正比而且其距视点越远，投影误差越小，其计算 公式为：其中，为Pi为结点，e为视点，λ为投影系数，是实际物体尺寸在投影空间投影变换后的 放大倍数。3. 根据权利要求1所述的一种基于高精度呢Μ数据的Ξ维地形简化算法，其特征在于， 步骤(3)中对根据(2)式求出的不规则Ξ角形无关误差值的大小进行进一步细分，结点继续 细分的条件是：其中4=τ/λ，经过式(3)的优化，算法可W达到比较理想的计算效果，针对无关误差值 的大小，就可W和阔值相比较，大于则插入该视点，小于则进一步扩大包围球范围。4. 根据权利要求1所述的一种基于高精度呢Μ数据的Ξ维地形简化算法，其特征在于， 步骤(4)为地形简化误差判断，首先选取就整个地形为结点，然后判断结点是否满足某种条 件，如果是则认为是叶子结点，否则将该结点四分为4个子节点，用递归的方法判断4个子节 点是否满足叶子结点条件，直到不可再分为止，其算法过程如下： 根节点入找，若找不为空，且找结点小于e(Ci)，则将结点放入点集合，算法结束;若找不 为空，但找结点大于或等于e(Ci)，则返回上一程序，继续分为子节点，直到找结点小于e (Cl )，则将结点放入点集合，算法结束;若找为空，则算法结束。 e(Ci)的计算公式为：其中α为视点的张角，L为投影平面的边长，1为被投线段长度，d为视点与该线段中屯、的 距离，λ为物体空间中的单位长度在投影平面上的像素数，k为一个可变的系数。
【文档编号】G06T17/05GK105844703SQ201610167976
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】刘广州, 于启万, 许启金, 别长报, 吴翔, 叶辉, 廖志斌, 吴伟
【申请人】国网安徽省电力公司宿州供电公司, 国家电网公司