基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型生成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于散亂高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型(DEM)生成方法。該方法從一組平面散亂采樣點(diǎn)及其所對(duì)應(yīng)的高程數(shù)據(jù)出發(fā)，首先確定DEM模型的采樣區(qū)域Ω，通過(guò)為每個(gè)采樣點(diǎn)定義鄰近點(diǎn)集、支撐半徑和支撐區(qū)域，進(jìn)而為各采樣點(diǎn)分別定義一個(gè)局部逼近函數(shù)和一個(gè)局部支撐函數(shù)；對(duì)于區(qū)域Ω內(nèi)的任意一點(diǎn)，搜索支撐區(qū)域覆蓋該點(diǎn)的各個(gè)采樣點(diǎn)，并將它們的局部逼近函數(shù)用相應(yīng)的局部支撐函數(shù)混合起來(lái)，定義覆蓋區(qū)域Ω的全局高程函數(shù)；最后用全局高程函數(shù)計(jì)算平面上任意布局的DEM網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的高程值，生成所需的DEM模型。本發(fā)明方法能夠過(guò)濾采樣數(shù)據(jù)中的噪聲，具有較好的內(nèi)插能力，能夠處理任意規(guī)模的散亂點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型（DEM)生成方法， 屬于數(shù)字化地形建?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種由散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)構(gòu)造數(shù)字高程地形模 型（DEM)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 建立DEM的方法有多種：從數(shù)據(jù)源及采集方式上講有：（1)直接由地形測(cè)量得到， 例如用GPS、全站儀、野外測(cè)量等手段獲?。唬?)根據(jù)航空或航天影像，通過(guò)攝影測(cè)量途徑獲 取，如立體坐標(biāo)儀觀測(cè)及空三加密法、解析測(cè)圖、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等等；（3)從現(xiàn)有地形圖上 采集，如格網(wǎng)讀點(diǎn)法、數(shù)字化儀手扶跟蹤及掃描儀半自動(dòng)采集，然后通過(guò)內(nèi)插生成DEM等方 法。DEM內(nèi)插方法很多，主要有整體內(nèi)插、分塊內(nèi)插和逐點(diǎn)內(nèi)插三種。整體內(nèi)插（參見(jiàn)：周 興華等，DEM內(nèi)插方法與精度評(píng)定，測(cè)繪科學(xué)，2005, 30 (5) :86-88)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)用一個(gè)數(shù) 學(xué)函數(shù)式來(lái)表達(dá)地形曲面，該方法的擬合模型是由研究區(qū)內(nèi)所有采樣點(diǎn)的觀測(cè)值（即采樣 點(diǎn)的高程值）建立的。該方法得到的整體內(nèi)插函數(shù)保凸性較差，不易得到穩(wěn)定的數(shù)值解， 多項(xiàng)式系數(shù)的物理意義不明顯，解算速度慢且對(duì)計(jì)算機(jī)容量要求較高，難以提供內(nèi)插區(qū)域 的局部地形特征。分塊內(nèi)插（參見(jiàn)：陳國(guó)良等，一種由等高線模型生成規(guī)則格網(wǎng)模型的算 法，中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2007, 12(6) : 1110-1113)將采樣點(diǎn)所在空間分成若干大小相同的 塊，對(duì)各分塊使用不同的插值函數(shù)。其中，線性內(nèi)插和雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插是兩種典型的分塊 內(nèi)插方法。線性內(nèi)插法算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)算速度快。但由于此內(nèi)插法的原理采用的是 選擇鄰近點(diǎn)內(nèi)插，而不關(guān)心鄰近點(diǎn)的特性，如果鄰近點(diǎn)是極值點(diǎn)，那么內(nèi)插出的結(jié)果與實(shí)際 情況的出入會(huì)較大。雙線性內(nèi)插法得到的模型表面比較平滑并且精度較高，缺點(diǎn)是地形的 特征點(diǎn)線面被網(wǎng)格平均化和平滑化，極值容易丟失。逐點(diǎn)內(nèi)插（參見(jiàn)：李世平等，數(shù)字高程 模型的建立與分析應(yīng)用，遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008, 5(27) :31-33)以待 插點(diǎn)為中心，定義一個(gè)局部函數(shù)去擬合周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的范圍隨待插位置的變化而 變化，因此又稱為移動(dòng)擬合法。逐點(diǎn)內(nèi)插法對(duì)未知點(diǎn)高程值的獲得只考慮距離因素，不考慮 距離之外的其它空間因素，也不關(guān)心未知點(diǎn)與周圍其它點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系和固有聯(lián)系，該點(diǎn)的 高程值過(guò)多地受其鄰近點(diǎn)高程值的影響，因此采樣點(diǎn)坐標(biāo)或采樣點(diǎn)所在的坐標(biāo)系的微小變 化都會(huì)使選點(diǎn)結(jié)果差別很大，結(jié)果可能造成數(shù)字高程模型表面的不連續(xù)。
[0003] 目前，DEM模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangular Irregular Network,簡(jiǎn)稱TIN)結(jié)構(gòu)兩種。常用的DEM生成方法是：先在采樣平面上構(gòu)造網(wǎng) 格，然后再在所構(gòu)造網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，通過(guò)線性和雙線性內(nèi)插建立DEM。用規(guī)則方格網(wǎng)高程數(shù) 據(jù)記錄地表起伏信息的優(yōu)點(diǎn)是：采樣點(diǎn)的位置信息可隱含，無(wú)需全部作為原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，后 繼的數(shù)據(jù)處理也比較方便，其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集量大，因?yàn)榫W(wǎng)格點(diǎn)不是特征點(diǎn)，一些微地形可 能沒(méi)有被記錄。TIN結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是：能以不同層次的分辨率來(lái)描述地表形態(tài)。與規(guī)則 格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空間和時(shí)間更精確地表示更 加復(fù)雜的地形表面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型（DEM) 生成方法，該方法能夠過(guò)濾采樣數(shù)據(jù)中的噪聲，具有較好的內(nèi)插能力，能夠處理任意規(guī)模的 散亂點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型（DEM)生成方法，其具體步驟 是：
[0007] a.輸入平面采樣點(diǎn)集合及相應(yīng)的高程值集合：輸入由η個(gè)平面采樣點(diǎn)組成的采樣 點(diǎn)集合，以及各個(gè)采樣點(diǎn)處的高程值采樣數(shù)據(jù)；
[0008] b.確定數(shù)字高程地形模型（DEM)的采樣區(qū)域：遍歷平面采樣點(diǎn)集內(nèi)的各點(diǎn)，確定 各采樣點(diǎn)在平面上的分布范圍；確定將要生成的數(shù)字地形模型（DEM)的采樣區(qū)域；
[0009] c.確定任意采樣點(diǎn)的鄰點(diǎn)及支撐半徑：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算與其距離最近的若 干個(gè)鄰點(diǎn)；計(jì)算采樣點(diǎn)到其各鄰點(diǎn)的最大距離，并以此距離來(lái)定義其支撐半徑；
[0010] d.構(gòu)造各采樣點(diǎn)的局部逼近函數(shù)：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，由其自身及其鄰點(diǎn)、以及相 應(yīng)的高程采樣值，構(gòu)造該采樣點(diǎn)的局部高程逼近函數(shù)；
[0011] e.確定各個(gè)局部逼近函數(shù)的支撐函數(shù)：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，用該采樣點(diǎn)的支撐半徑 為其定義支撐區(qū)域；然后構(gòu)造定義于支撐區(qū)域上的支撐函數(shù)；
[0012] f.構(gòu)造全局高程計(jì)算函數(shù)：根據(jù)支撐函數(shù)的局部覆蓋特性，將相應(yīng)局部逼近函數(shù) 混合為一個(gè)全局高程計(jì)算函數(shù)，使得采樣區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)均可由該函數(shù)計(jì)算出高程值；
[0013] g.構(gòu)造 DEM數(shù)據(jù)：將采樣區(qū)域分割為適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)全局高程函數(shù)計(jì) 算網(wǎng)格各頂點(diǎn)處的高程值，生成數(shù)字化高程模型的DEM數(shù)據(jù)。
[0014] 本發(fā)明的方法考慮到了更多的采樣數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，顧及到了距離、位置、范圍等 因素，同時(shí)可以有效地過(guò)濾采樣高程數(shù)據(jù)中的噪聲，既能生成規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的DEM模型，也 能生成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN)結(jié)構(gòu)的DEM模型。此外，該方法能夠具有較好的內(nèi)插能力，能夠 處理任意規(guī)模的散亂點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
[0016] 圖2是采樣點(diǎn)的鄰點(diǎn)與支撐半徑示意圖，其中，采樣點(diǎn)Ptl共有8個(gè)鄰點(diǎn)Pi (i = 1，2, Λ8)。
[0017] 圖3是支撐函數(shù)示例，其中，（a)非均勻衰減的類高斯函數(shù)、(b)均勻衰減的線性函 數(shù)，隨著自變量從〇變化到R，函數(shù)值均由1衰減到0。
[0018] 圖4是支撐區(qū)域覆蓋關(guān)系示意圖，其中，Pl，p2, P3三個(gè)采樣點(diǎn)的支撐區(qū)域覆蓋點(diǎn)P。
[0019] 圖5是DEM的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，其中，（a)是規(guī)則四邊形網(wǎng)格、（b)均勻三角網(wǎng) 格、（c)具有細(xì)節(jié)層次的三角網(wǎng)格、（d)具有任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0021] 如圖1所示，基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型（DEM)生成方法，其具 體步驟是：
[0022] a.輸入平面采樣點(diǎn)集合及相應(yīng)的高程值集合：輸入由η個(gè)平面采樣點(diǎn)組成的采樣 點(diǎn)集合，以及各個(gè)采樣點(diǎn)處的高程值采樣數(shù)據(jù)。
[0023] b.確定數(shù)字高程地形模型（DEM)的采樣區(qū)域：遍歷平面采樣點(diǎn)集內(nèi)的各點(diǎn)，確定 各采樣點(diǎn)在平面上分布的范圍，進(jìn)而在該范圍基礎(chǔ)上確定將要生成的數(shù)字地形模型（DEM) 的采樣區(qū)域。
[0024] c.確定任意采樣點(diǎn)的鄰點(diǎn)及支撐半徑：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，查找并記錄與其距離最 近的若干個(gè)鄰點(diǎn)（不同采樣點(diǎn)的鄰近點(diǎn)數(shù)可以不同）；計(jì)算其到各個(gè)鄰點(diǎn)的最大距離d，并 以此距離進(jìn)一步定義該采樣點(diǎn)的支撐半徑R，并使R > d。如圖2所示，采樣點(diǎn)Ptl的鄰近點(diǎn) 共有8個(gè)，即Pi (i = 1，2, Λ 8)，其支撐半徑取為采樣點(diǎn)Ptl到采樣點(diǎn)p6的距離。
[0025] d.構(gòu)造各采樣點(diǎn)的局部逼近函數(shù)：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，由其自身及其鄰點(diǎn)、以及相 應(yīng)的高程采樣值，構(gòu)造該采樣點(diǎn)的局部高程逼近函數(shù)，使該函數(shù)在上述各采樣點(diǎn)處的值逼 近相應(yīng)的高程采樣值。
[0026] e.確定各個(gè)局部逼近函數(shù)的支撐函數(shù)：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，用該采樣點(diǎn)的支撐半徑 定義一個(gè)平面區(qū)域，稱其為該采樣點(diǎn)的支撐區(qū)域；然后構(gòu)造定義于支撐區(qū)域上的支撐函數(shù)， 支撐函數(shù)是一個(gè)徑向單調(diào)非増函數(shù)，其值在該采樣點(diǎn)處取為1，并沿徑向外逐步衰減，到達(dá) 支撐區(qū)域邊界時(shí)取值為0。圖3給出了兩個(gè)支撐函數(shù)的示例，其中采樣點(diǎn)到支撐區(qū)域邊界的 距離為R。
[0027] f.構(gòu)造全局高程計(jì)算函數(shù)：根據(jù)支撐函數(shù)的局部覆蓋特性，將相應(yīng)局部逼近函數(shù) 混合為一個(gè)全局高程計(jì)算函數(shù)，使得采樣區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)均可由其計(jì)算出高程值。如圖4 所示，設(shè)P為DEM采樣區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)，并且有且只有P 1、p2、p3三個(gè)采樣點(diǎn)的支撐區(qū)域覆蓋 著點(diǎn)P，那么P點(diǎn)處的高程值由 Pl、p2、P3的局部逼近函數(shù)與局部支撐函數(shù)共同確定。
[0028] g.構(gòu)造 DEM數(shù)據(jù)：根據(jù)需要，將采樣區(qū)域分割為適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖5所 示，采樣區(qū)域?yàn)橐黄矫婢匦螀^(qū)域；在區(qū)域上依據(jù)構(gòu)造了規(guī)則四邊形網(wǎng)格、均勻三角網(wǎng)格、具 有細(xì)節(jié)層次的三角網(wǎng)格、以及具有任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格），通過(guò)全局高程函數(shù)計(jì)算網(wǎng)格 各頂點(diǎn)處的高程值，生成數(shù)字化高程模型的DEM數(shù)據(jù)。
[0029] 實(shí)施例
[0030] 本發(fā)明方法的輸入和輸出分別是：
[0031] 輸入：一組平面散亂采樣點(diǎn)P ={ (X1, Y1)，（x2, y2)，Λ，（Xn, yn)}及其所對(duì)應(yīng)的高程 值H = Oiuh2, Λ，hn}，其中：采樣點(diǎn)（Xpyi)處的高程值為hi。
[0032] 輸出：在采樣點(diǎn)分布的確定區(qū)域范圍內(nèi)，由采樣點(diǎn)高程值所確定的數(shù)字化高程地 形模型DEM。
[0033] 具體的實(shí)施步驟為：
[0034] 1.輸入平面采樣點(diǎn)集合及相應(yīng)的高程值集合：輸入由η個(gè)平面采樣點(diǎn)組成的采樣 點(diǎn)集合P= {Pi(Xi，yi) e R2, i = 1，Λ，η},以及這η個(gè)采樣點(diǎn)處的高程值集合H= Oii e R, i =1, Λ , η}，并令采樣點(diǎn)Pi (Xi, y)處的高程值為Iii (i = 1, Λ , η)。
[0035] 2.確定數(shù)字化地形DEM模型的采樣區(qū)域：遍歷平面點(diǎn)集P內(nèi)的各個(gè)采樣點(diǎn)，求出 各點(diǎn)在橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)上分布范圍的最大值和最小值，即

【權(quán)利要求】
1.基于散亂點(diǎn)高程采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字高程地形模型生成方法，其特征在于，具體步驟 是： a. 輸入平面采樣點(diǎn)集合及相應(yīng)的高程值集合；輸入由n個(gè)平面采樣點(diǎn)組成的采樣點(diǎn)集 合，W及各個(gè)采樣點(diǎn)處的高程值采樣數(shù)據(jù)； b. 確定數(shù)字高程地形模型的采樣區(qū)域；遍歷平面采樣點(diǎn)集內(nèi)的各點(diǎn)，確定各采樣點(diǎn)在 平面上的分布范圍；確定將要生成的數(shù)字地形模型的采樣區(qū)域； C.確定任意采樣點(diǎn)的鄰點(diǎn)及支撐半徑：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算與其距離最近的若干個(gè) 鄰點(diǎn)；計(jì)算采樣點(diǎn)到其各鄰點(diǎn)的最大距離，并W此距離來(lái)定義其支撐半徑； d. 構(gòu)造各采樣點(diǎn)的局部逼近函數(shù)；對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，由其自身及其鄰點(diǎn)、W及相應(yīng)的 高程采樣值，構(gòu)造該采樣點(diǎn)的局部高程逼近函數(shù)； e. 確定各個(gè)局部逼近函數(shù)的支撐函數(shù)：對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，用該采樣點(diǎn)的支撐半徑為其 定義支撐區(qū)域；然后構(gòu)造定義于支撐區(qū)域上的支撐函數(shù)； f. 構(gòu)造全局高程計(jì)算函數(shù)：根據(jù)支撐函數(shù)的局部覆蓋特性，將相應(yīng)局部逼近函數(shù)混合 為一個(gè)全局高程計(jì)算函數(shù)，使得采樣區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)均可由該函數(shù)計(jì)算出高程值； g. 構(gòu)造DEM數(shù)據(jù)；將采樣區(qū)域分割為適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)全局高程函數(shù)計(jì)算網(wǎng) 格各頂點(diǎn)處的高程值，生成數(shù)字化高程模型的DEM數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G06T11/00GK104463924SQ201410634465
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】龐明勇, 董曉芬 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)