一種基于高精度dem數據的三維地形簡化算法
【專利摘要】本發明公開了一種基于高精度DEM數據的三維地形簡化算法，包括如下步驟：1)四叉樹數據結構設計，2)計算不規則三角網的視點無關誤差，3)對四叉樹結點細分，4)地形簡化誤差判斷，與常見的DEM相比，本算法對四叉樹數據結構進行特別設計，不僅定義了點、邊、三角面鏈表，還對塊的中心點邊界以及塊的誤差度量值作出定義，在對不規則三角網的視點無關誤差作出計算后，對誤差值進一步細分，并作出進一步的誤差判斷，在對建立大范圍、大比例尺的實時、可交互的虛擬地形環境進行簡化的同時，通過計算每個節點的重要性測度時，簡化節點的復雜度，從而提高地形繪制效率，并且得到的效果圖地形細節細致真實。
【專利說明】
一種基于高精度DEM數據的三維地形簡化算法
技術領域
[0001]本發明涉及一種算法，具體是一種基于高精度DEM數據的三維地形簡化算法，屬于 影像處理技術領域。
【背景技術】
[0002] 為了更高效的生成高仿真、大規模、高精度的輸電線路三維地形場景，常采用地形 數字高程數據(DEM)，在運用這些海量地形數據建立地形模型時，通常包含數以億計的三角 形，而解決三角網格模型數據量大的一個辦法就是對網絡數據進行簡化。規則網格結構由 于數據結構簡單而得到了較為廣泛的應用，常見的DEM就使用了規則網格，樹結構是規則網 絡地形繪制中經常采用的數據結構，四叉樹常被用于地形的簡化。
[0003] 樹結構可以方便的對地形進行分塊、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存空間，而基于樹結構表達的不規則三角形(TIN)能夠很好的實現對 三維場景數據近似，視覺連續性也比較好，但其三角網算法存在執行效率低的缺陷。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供一種基于高精度DEM數據的三維地形簡化算法，在建立大 范圍、大比例尺的實時、可交互的虛擬地形環境，獲得更好的近似原始地形的同時，提高算 法的執行效率。
[0005] 為達到上述目的，本基于高精度DEM數據的三維地形簡化算法，包括以下步驟：
[0006] (1)在高精度DEM數據基礎上，建立基于四叉樹結構DEM模型，并且定義點、邊、三角 面鏈表，以及塊的中心點邊界以及塊的誤差度量值；
[0007] (2)根據步驟（1)的設計，計算不規則三角網的視點無關誤差值，根據得到的不規 則三角網的視點無關誤差進行投影誤差的計算，以提高地形繪制精度；
[0008] (3)將步驟(2)中求出的不規則三角網的視點無關誤差值和設定的閾值相比較，大 于則插入該視點，小于則進一步擴大包圍球范圍；
[0009] (4)選取插入多個視點的整個地形為結點，根據設定條件判斷結點是否滿足條件 要求，若滿足，則為葉子結點；不滿足，則將該結點分為4個子節點，用遞歸的方法判斷4個子 節點是否滿足葉子結點條件，直到不可再分為止，其判別依據為根據前面步驟所求出的不 規則三角網的視點無關誤差值來確定的節點誤差值eKO,用于確定地形繪制的簡化程度。
[0010] 進一步地，步驟⑵中不規則三角網的視點無關誤差S(C1),可由如下公式計算：
[0011]
1)
[0012]其中，h(x，y)為地形高程函數，A(Star(p))為結點定義的平均誤差平面，不規則三 角網的視點無關誤差可以由式（1)計算，其中的d(Cj)的范圍由誤差嵌套球確定，對于特定 物理點來說，其投影誤差和實際視點無關誤差成正比而且其距視點越遠，投影誤差越小，其 計算公式為：
[0013；
(2)
[0014] 其中，為P1S結點，e為視點，λ為投影系數，是實際物體尺寸在投影空間投影變換 后的放大倍數；
[0015] 進一步地，步驟(3)中對根據(2)式求出的不規則三角形無關誤差值的大小進行進 一步細分，結點繼續細分的條件是：
[0016]
[0017] 其中k = VA，經過式(3)的優化，算法可以達到比較理想的計算效果，針對無關誤 差值的大小，就可以和閾值相比較，大于則插入該視點，小于則進一步擴大包圍球范圍；
[0018] 進一步地，步驟(4)為地形簡化誤差判斷，首先選取就整個地形為結點，然后判斷 結點是否滿足某種條件，如果是則認為是葉子結點，否則將該結點四分為4個子節點，用遞 歸的方法判斷4個子節點是否滿足葉子結點條件，直到不可再分為止，其算法過程如下：
[0019] 根節點入棧，若棧不為空，且棧結點小于MC1)，則將結點放入點集合，算法結束； 若棧不為空，但棧結點大于或等于MC 1)，則返回上一程序，繼續分為子節點，直到棧結點小 于MC1)，則將結點放入點集合，算法結束;若棧為空，則算法結束。
[0020] e (Ci)的計算公式為：
[0021]
[0022]其中α為視點的張角，L為投影平面的邊長，1為被投線段長度，d為視點與該線段中 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數，k為一個可變的系數。
[0023]與常見的DEM相比，本算法對四叉樹數據結構進行了特別設計，不僅定義了點、邊、 三角面鏈表，還對塊的中心點邊界以及塊的誤差度量值作出定義，在對不規則三角網的視 點無關誤差作出計算后，對誤差值進一步細分，并作出進一步的誤差判斷，在對建立大范 圍、大比例尺的實時、可交互的虛擬地形環境進行簡化的同時，通過計算每個節點的重要性 測度時，簡化節點的復雜度，提高了地形繪制效率，且得到的效果圖地形細節細致真實。
【附圖說明】 圖1為本發明步驟(4)的算法過程流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面對本發明作進一步說明。
[0025]本基于高精度DEM數據的三維地形簡化算法，包括以下步驟：
[0026] (1)在高精度DEM數據基礎上，建立基于四叉樹結構的DEM模型，并且定義點、邊、三 角面鏈表，以及塊的中心點邊界以及塊的誤差度量值，設計過程如下：
[0028]以上設計的目的是在地形的層次細節模型中，方便的對視景替以外的地形進行裁 剪和誤差過渡計算，以便加快繪制速度。
[0029] (2)根據步驟（1)的設計，計算不規則三角網的視點無關誤差值，根據得到的不規 則三角網的視點無關誤差進行投影誤差的計算，以提高地形繪制信度；
[0030] (3)將步驟(2)中求出的不規則三角網的視點無關誤差值和設定的閾值相比較，大 于則插入該視點，小于則進一步擴大包圍球范圍；
[0031] (4)選取插入多個視點的整個地形為結點，根據設定條件判斷結點是否滿足條件 要求，若滿足，則為葉子結點；不滿足，則將該結點分為4個子節點，用遞歸的方法判斷4個子 節點是否滿足葉子結點條件，直到不可再分為止，其判別依據為根據前面步驟所求出的不 規則三角網的視點無關誤差值來確定的節點誤差值eKO,用于確定地形繪制的簡化程度。 [0032] 步驟(2)中不規則三角網的視點無關誤差S(Ci)，可由如下公式計算：
[0033]
(I)
[0034]其中，h(x，y)為地形高程函數，A(Star(p))為結點定義的平均誤差平面，不規則三 角網的視點無關誤差可以由式（1)計算，其中的d(Cj)的范圍由誤差嵌套球確定，對于特定 物理點來說，其投影誤差和實際視點無關誤差成正比而且其距視點越遠，投影誤差越小，其 計算公式為：
[0035]
(2)
[0036] 其中，為P1S結點，e為視點，λ為投影系數，是實際物體尺寸在投影空間投影變換 后的放大倍數；
[0037] 步驟(3)中對根據(2)式求出的不規則三角形無關誤差值的大小進行進一步細分， 結點繼續細分的條件是：
[0038]
[0039] 其中k = T/A，經過式(3)的優化，算法可以達到比較理想的計算效果，針對無關誤 差值的大小，就可以和閾值相比較，大于則插入該視點，小于則進一步擴大包圍球范圍；
[0040] 步驟(4)為地形簡化誤差判斷，首先選取就整個地形為結點，然后判斷結點是否滿 足某種條件，如果是則認為是葉子結點，否則將該結點四分為4個子節點，用遞歸的方法判 斷4個子節點是否滿足葉子結點條件，直到不可再分為止，其算法過程如下：
[0041]
[0042] 根節點入棧，若棧不為空，且棧結點小于MC1)，則將結點放入點集合，算法結束； 若棧不為空，但棧結點大于或等于MC 1)，則返回上一程序，繼續分為子節點，直到棧結點小 于MC1)，則將結點放入點集合，算法結束;若棧為空，則算法結束。
[0043] e(Ci)的計算公式為：
[0044]
(4)
[0045] 其中α為視點的張角，L為投影平面的邊長，1為被投線段長度，d為視點與該線段中 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數，k為一個可變的系數。
【主權項】
1. 一種基于高精度DEM數據的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數據基礎上，建立基于四叉樹結構的DEM模型，并且定義點、邊、立角面 鏈表，W及塊的中屯、點邊界W及塊的誤差度量值； (2) 根據步驟（1)的設計，計算不規則Ξ角網的視點無關誤差值，根據得到的不規則Ξ 角網的視點無關誤差進行投影誤差的計算，W提高地形繪制精度； (3) 將步驟(2)中求出的不規則Ξ角網的視點無關誤差值和設定的闊值相比較，大于則 插入該視點，小于則進一步擴大包圍球范圍； (4) 選取插入多個視點的整個地形為結點，根據設定條件判斷結點是否滿足條件要求， 若滿足，則為葉子結點；不滿足，則將該結點分為4個子節點，用遞歸的方法判斷4個子節點 是否滿足葉子結點條件，直到不可再分為止，其判別依據為根據前面步驟所求出的不規則 Ξ角網的視點無關誤差值來確定的節點誤差值e(Ci)，用于確定地形繪制的簡化程度。2. 根據權利要求1所述的一種基于高精度呢Μ數據的Ξ維地形簡化算法，其特征在于， 步驟(2)中不規則Ξ角網的視點無關誤差S(Ci)，可由如下公式計算：其中，h(x，y)為地形高程函數，A(Star(p))為結點定義的平均誤差平面，不規則Ξ角網 的視點無關誤差可W由式（1)計算，其中的d(Cj)的范圍由誤差嵌套球確定，對于特定物理 點來說，其投影誤差和實際視點無關誤差成正比而且其距視點越遠，投影誤差越小，其計算 公式為：其中，為Pi為結點，e為視點，λ為投影系數，是實際物體尺寸在投影空間投影變換后的 放大倍數。3. 根據權利要求1所述的一種基于高精度呢Μ數據的Ξ維地形簡化算法，其特征在于， 步驟(3)中對根據(2)式求出的不規則Ξ角形無關誤差值的大小進行進一步細分，結點繼續 細分的條件是：其中4=τ/λ，經過式(3)的優化，算法可W達到比較理想的計算效果，針對無關誤差值 的大小，就可W和闊值相比較，大于則插入該視點，小于則進一步擴大包圍球范圍。4. 根據權利要求1所述的一種基于高精度呢Μ數據的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點，然后判斷結點是否滿足某種條 件，如果是則認為是葉子結點，否則將該結點四分為4個子節點，用遞歸的方法判斷4個子節 點是否滿足葉子結點條件，直到不可再分為止，其算法過程如下： 根節點入找，若找不為空，且找結點小于e(Ci)，則將結點放入點集合，算法結束;若找不 為空，但找結點大于或等于e(Ci)，則返回上一程序，繼續分為子節點，直到找結點小于e (Cl )，則將結點放入點集合，算法結束;若找為空，則算法結束。 e(Ci)的計算公式為：其中α為視點的張角，L為投影平面的邊長，1為被投線段長度，d為視點與該線段中屯、的 距離，λ為物體空間中的單位長度在投影平面上的像素數，k為一個可變的系數。
【文檔編號】G06T17/05GK105844703SQ201610167976
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發明人】劉廣州, 于啟萬, 許啟金, 別長報, 吳翔, 葉輝, 廖志斌, 吳偉
【申請人】國網安徽省電力公司宿州供電公司, 國家電網公司