一种顾及特征数据的DEM自动生成方法与流程

一种顾及特征数据的dem自动生成方法
技术领域
1.本发明涉及地形特征构建技术领域，特别涉及一种顾及特征数据的dem自动生成方法。


背景技术：

2.数字高程模型（digital elevation model，简称dem）广泛应用于测绘、线路设计、规划设计、地质工程、土木工程、水利建设工程、水文分析、数字化战场、实景三维、数字孪生等领域。利用数字线划图（dlg）成果中的等高线、高程点、水系等数据，构建不规则三角网（tin）内插生成dem的方法成本较低，比较容易获取dem成果。
3.近年来，利用数字线划图（dlg）成果中的等高线、高程点、水系等数据，构建不规则三角网（tin）内插生成dem的方法较多。但这种方法一是没有考虑如何构建水系特征线，生成的dem成果中存在水系范围内格网值溢出的情况，与实际地形不符；二是构建地性线时，没有采取争对平三角形的循环消除方法，生产效率较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于从tin数据中直接搜索平三角形，能快速自动构建特征线数据，有针对性的消除平三角形，并提出了水系特征线的构建，从而使生成dem的质量更高、地形逻辑性更强，提供一种顾及特征数据的dem自动生成方法。
5.为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：一种顾及特征数据的dem自动生成方法，包括以下步骤：步骤s1，利用数字线划图成果中的数据构建tin；步骤s2，构建地性线和特征点，消除tin中的平三角形，从而重构tin；步骤s3，在重构的tin中构建水系特征线，使水系线处于最低处；步骤s4，生成数字高程模型。
6.更进一步地，所述步骤s1中数字线划图成果中的数据包括等高线、高程点、水系数据。
7.更进一步地，所述步骤s2中构建地性线，消除tin中的平三角形，从而重构tin的步骤，包括：所述平三角形包括u型平三角形；根据tin的结构，遍历所有非平三角形，以非平三角形其中一条边为相邻边，寻找平三角形，依次类推，直到寻找到一个相邻的非平三角形；各平三角形中不属于等高线的边的中点作为内插点，将首尾非平三角形的顶点与各平三角形的内插点依次连接，形成地性线，从而消除u型平三角形；获取首非平三角形顶点的高程值为ha，尾非平三角形顶点的高程值为hb，将ha、hb的高差按距离内插，计算各平三角形的内插点的高程值：
其中，h
vn
表示第n个内插点的高程值，s1表示首非平三角形顶点与第1个内插点之间的距离，sn表示第n-1个内插点与第n个内插点之间的距离。
8.更进一步地，所述步骤s2中构建特征点，消除tin中的平三角形，从而重构tin的步骤，包括：所述平三角形包括o型平三角形；将等高线中闭合线的内部中心点m为特征点，按十六方向法对其内插，以点m为起始点，以北方向为起始方向作一条线段，获得线段与等高线的交点，将所有交点按距离排序，取距离m点最短和次短的两个交点，其中最短的交点的高程值为ha，次短的交点的高程值为hb；当ha=hb时，跳过本方向，进行下一方向插值，直到ha≠hb时结束内插，则m点的高程值为：其中，hm表示m点的高程值；内插值取等高距h
a-hb的0.5倍。
9.更进一步地，所述在重构的tin中构建水系特征线，使水系线处于最低处的步骤，包括：遍历重构的tin中的所有三角形，以三角形的边与水系线重合的三角形为基础，重合的边的中点为起点，相对的顶点为终点，起点和终点的连接线的中点为内插点，其中起点的高程值为ha，终点的高程值为hb；当ha》hb时，计算内插点的高程值，使得内插点的高程值低于起点所在等高线的下一条等高线的高程值h
next
：其中，hc表示内插点的高程值；cor表示系数，初始值取0.5；当hc》h
next
时，cor=cor*0.5，依次循环，直到hc低于h
next
；其中，表示向下取整，d表示等高距。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果：（1）本发明提取dlg数据中的地形数据和水系数据构建tin，在顾及特征数据后，自动生成的dem成果精度较高，由dem成果反生等高线与原等高线叠合较好，实现了dlg与dem同时生产。
11.（2）本发明从tin数据中寻找平三角形，自动构建地性线和特征点重构tin，以消除平三角形，提高了tin的精度，避免利用等高线构建特征线效率不高的问题，生产效率较高。
12.（3）本发明为表现出水系范围的dem格网特征，构建了水系特征线，保证水系范围内的dem格网值处于最低处，同时避免了水系范围内格网值溢出的情况。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
14.图1为本发明方法流程图；图2为本发明等高线和高程点构建三角网的示意图；图3为本发明平三角形类型示意图，其中图3(a)为u型平三角形示意图，图3(b)为o型平三角形示意图；图4为本发明构建地性线示意图；图5为本发明构建特征点示意图；图6为本发明构建水系特征线示意图；图7为本发明消除平三角形前后对比图，其中图7(a)为平三角形消除前的tin示意图，图7(b)为平三角形消除后的tin示意图；图8为本发明自动生成地性线和水系特征线的示意图，其中图8(a)为自动生成地性线的示意图，图8(b)为自动生成水系特征线的示意图；图9为本发明dem数据反生等高线与原等高线叠合检查示意图，其中图9(a)为平地等高线叠合情况示意图，图9(b)为丘陵地等高线叠合情况示意图，图9(c)为山地等高线叠合情况示意图，图9(d)为高山地等高线叠合情况示意图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
17.实施例1：本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种顾及特征数据的dem自动生成方法，包括以下步骤：步骤s1，利用数字线划图成果中的数据构建tin。
18.数字线划图成果中的数据包括等高线、高程点和水系数据，等高线和水系数据作为割断线，tin通过连续三角面来逼近地形表面，特别适合于有山脊、山谷线的地形数据，能够很好地表达出地貌，请参见图2，建立tin的基本过程是将邻近的三个数据点连接成初始三角形，再以该三角形的每一条边为基础线连接邻近的数据点，组成新的三角形，依此类
推，直到所有的数据点均已构成三角形为止。
19.在建立tin时，对于高程点可直接看作离散的点进行连接，对于等高线和水系数据需要将其按节点离散成点，再与高程点一起按照上述方法建立tin。需要注意的是，每一个三角形不能穿越等高线和水系数据，即等高线或水系数据两节点间的线段必须为三角形的一条边。
20.步骤s2，构建地性线和特征点，消除tin中的平三角形，从而重构tin。
21.由建立tin的方法可知，当只考虑几何条件时，出现三角形的顶点高程值相同时，会形成一个微小的水平面，即形成平三角形，其与实际地形不符。按照地形区别，会形成两类平三角形，请参见图3(a)，第一类平三角形主要产生在“u”型等高线处，如山脊、山谷等处，也称为u型平三角形。请参见图3(b)，第二类平三角形主要产生在“o”型等高线处，如山顶、洼地等处，也称为o型平三角形。在不加入特征数据的情况下，所构建的tin与实际地形不相符，使得内插生成的dem成果存在较大粗差。
22.所述特征数据包括地性线、特征点、水系特征线，本方案使用特征数据重构tin，其中地性线和特征点主要用来消除平三角形问题，水系特征线主要用来使河流处于最低处。本步骤为消除平三角形，使用地性线和特征点重构tin。
23.u型平三角形主要利用地性线消除，根据tin的结构，遍历所有非平三角形，以非平三角形其中一条边为相邻边，寻找平三角形，依次类推，直到寻找到一个相邻的非平三角形；各平三角形中不属于等高线的边的中点作为内插点，将首尾非平三角形的顶点与各平三角形的内插点依次连接，形成地性线，从而消除u型平三角形。
24.比如请参见图4，首非平三角形为，首非三角形顶点为a点，高程值为ha；尾非平三角形为（由于尾非平三角形非常小，在图4中未显示出来），尾非平三角形顶点为b点，高程值为hb。寻找的第一个平三角形中不属于等高线的边的中点为内插点v1，第二个平三角形中不属于等高线的边的中点为内插点v2，实际上第1个平三角形的一条边与第二个平三角形的一条边重合。
25.将ha、hb的高差按距离内插，计算各平三角形的内插点的高程值：其中，h
vn
表示第n个内插点的高程值，s1表示首非平三角形顶点a与第1个内插点v1之间的距离，sn表示第n-1个内插点与第n个内插点之间的距离。
26.o型平三角形主要利用特征点消除，请参见图5，将等高线中闭合线的内部中心点m为特征点，按十六方向法对其内插，以点m为起始点，以北方向为起始方向作一条线段，获得线段与等高线的交点，将所有交点按距离排序，取距离m点最短和次短的两个交点a和b，其中最短的交点a的高程值为ha，次短的交点b的高程值为hb。
27.当ha=hb时，跳过本方向，进行下一方向插值，直到ha≠hb时结束内插，则m点的高程值为：其中，hm表示m点的高程值；内插值取等高距h
a-hb的0.5倍。
28.步骤s3，在重构的tin中构建水系特征线，使水系线处于最低处。
29.遍历重构的tin中的所有三角形，请参见图6，以三角形的边与水系线重合的三角形为基础，重合的边的中点a为起点，相对的顶点b为终点，起点和终点的连接线的中点c为内插点，其中起点a的高程值为ha，终点b的高程值为hb。
30.当ha》hb时，计算内插点c的高程值，使得内插点c的高程值hc低于起点a所在等高线的下一条等高线的高程值h
next
：其中，hc表示内插点的高程值；cor表示系数，初始值取0.5；当hc》h
next
时，cor=cor*0.5，依次循环，直到hc低于h
next
；其中，表示向下取整，d表示等高距。
31.h
next
即表示起点a所在的等高线加上1个等高距的那条等高线的高程值，连接a、b、c形成“∧”形特征线，可保证水系特征线先升高再下降。
32.步骤s4，生成数字高程模型。
33.在初始建立的tin基础上，利用构建的大量特征数据重构tin，几乎可以消除所有平三角，图7(a)为平三角形消除前的tin，图7(b)为平三角形消除后的tin，同时也保证了水系线的位置总是在最低处，最后由tin内插生成dem成果。
34.实施例2：本实施例在上述实施例1的基础上进行实验测试，某地1∶10000无图区域测图工程项目采用立体测图的方式获取等高线和高程点数据，以dom为底图获取河流及静止水体数据，最后基于dlg的成果生成dem。本次实验分别选取平地、丘陵地、山地、高山地各1幅，自动提取等高线、高程点，并将二维形式的河流边线内插成三维线，以保证河流自上而下流动，最后经构建tin生成dem，为验证本方法的可靠性，本次测试利用备查点对dem成果进行精度检测。
35.项目要求高程中误差不大于表1的要求，最大误差不超过中误差的2倍。利用等高线进行dem相对精度检查时，将dem数据反生等高线与原始等高线叠合检查，同名等高线偏离不得超过1/2相邻等高线间距。
36.表1 dem数据高程中误差地形类别格网点高程中误差（m）平地2.2丘陵地2.2山地3.3高山地6.7按本方案生成的地性线和水系特征线结果如图8中的粗线部分所示，图8(a)中的粗线部分表示地性线，图8(b)中的粗线部分表示水系特征线，以消除平三角形和使河流处于最低处。
37.备查点检查结果如表2，可以看出，本方案生成的dem成果的精度符合要求。
38.表2 精度检查结果地形类别检查点个数高程中误差（m）最大误差（m）平地3070.41.1丘陵地4150.92.9山地2670.83.5高山地2611.34.7利用dem数据反生等高线与原等高线进行叠合检查，如图9(a)、图9(b)所示平地、丘陵地的等高线较稀疏，整体叠合较好，如图9(c)、图9(d)所示山地、高山地的等高线较密集，整体叠合更好。图中较为平滑的线为原等高线，较为不平滑的线为反生等高线。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。