一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法技术

本发明专利技术属于建模技术领域，并公开了一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，该方法包含以下步骤：1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；2)通过输入特征参数，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格；3)通过程序实现提取研究区域的实际地形数据，根据实际地形高程值插值得到对应平坦地形网格节点的高程值，实现实际地形网格生成。本发明专利技术得到的实际地形网格准确度高、网格质量好，为复杂地形的数值模拟提供了高仿真的地形模型，插值算法十分简单，显著提高计算效率。

An interpolation method for generating complex terrain mesh models based on GIS data

The invention belongs to the field of modeling technology, and discloses an interpolation method for generating complex terrain mesh model based on GIS data. The method comprises the following steps: 1) selecting the terrain area for study, obtaining terrain data in geodetic coordinates from GIS, and processing and formatting the terrain data obtained by ArcMap. Transform and deduce a TXT file in the form of x, y, Z coordinates that can be directly invoked; 2) establish a three-dimensional flat terrain model by inputting characteristic parameters and automatically divide the grid; 3) extract the actual terrain data of the study area by program, and interpolate the corresponding flat terrain grid nodes according to the actual terrain elevation value. The elevation value of the point is used to generate the actual terrain grid. The actual terrain mesh obtained by the invention has high accuracy and good mesh quality, and provides a highly simulated terrain model for the numerical simulation of complex terrain. The interpolation algorithm is very simple, and the calculation efficiency is significantly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法
本专利技术属于建模
，更具体地，涉及一种生成复杂地形网格模型的插值方法。
技术介绍
目前，对于复杂地形的数值模拟研究属于国内外研究热点：了解近地层的风场特征，对于风能评估、大气环境影响评价以及气象灾害风险评估等都有着重要的意义，通常需要利用数值模拟的方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料；虚拟军事战场环境仿真中，必须通过数值模拟构建一个高实时性、高逼真度的三维复杂地形环境；低空飞行环境复杂多变，很多飞行活动(如飞机的起飞和着陆)都是在距地面1000m以下的低空，因此必须通过数值模拟的手段，有效建立实际复杂地形模型。真实地形的地貌形态复杂，地势高低起伏，地形范围大，在研究中复杂地形模型能否有效的模拟实际地形，网格的准确性显得尤为重要。唐矗和洪冠新从等高线地图上提取多个点的坐标及其对应高程值，利用曲面样条插值技术把离散的地形数据通过插值得到一个光滑的地形曲面，建立复杂地形的三维数字模型；但是从等高线上提取的点坐标比较疏散，可能无法更逼真地还原地形细节，而且导致采用样条函数插值得到高程精确度降低。梁力等在结构化网格离散方法的基础上，利用自然三次样条函数插值法对三维复杂矿体自动划分网格，但采用三次样条函数插值高程的方法过于理想化，某种程度上不能真实反映实际地形的变化。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于GIS地形数据生成复杂地形网格模型的插值方法，该方法简单明了，可操作性高，能有效地提高复杂地形网格的准确性，降低人工操作的复杂性。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTERGDEM30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；2)通过输入三维平坦地形模型的特征参数并调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，其中，所述特征参数包括计算域尺寸、网格尺寸和加密区半径；3)提取所述研究地形区域的实际地形数据，根据实际地形的高程值插值得到对应三维平坦地形的网格节点的高程值，生成实际地形网格模型。优选地，步骤1)具体包括以下子步骤：1.1)选取研究地形区域，在地理空间数据云下载得到ASTERGDEM30m分辨率大地坐标下的地形数据；1.2)将下载得到的地形数据导入至ArcMap中，进行前处理，将地形数据导出为包含x、y、z三维坐标形式的txt文件。优选地，步骤3)包括以下子步骤：3.1)筛选研究地形区域内的有效地形数据；3.2)修改三维平坦地形模型底面网格节点的高程：根据模型底面网格节点的x、y坐标，查找出在其周围的4个地形数据点，使用这些地形数据点的高程通过三点共面法线性插值得到三维平坦地形模型底面该网格节点的高程，其中三点共面法线性插值是当查找出某个网格节点所在的实际地形网格的位置后，判断该节点所在的三角形，并用该三角形的3个地形数据点高程所形成的的平面线性插值得到该节点的高程值；3.3)修改三维平坦地形模型除底面外其余网格节点的高程，从而得到实际地形网格模型。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)从建立三维平坦地形模型，到筛选研究地形区域的有效地形数据，以及实现地形数据点与平坦地形网格点之间的数据转换，生成实际地形模型网格文件，实现程序化建模，显著降低复杂地形模型网格划分的复杂程度。(2)通过本专利技术提出的有效的插值方法与常规的插值方法相比，得到的实际地形网格准确度高、网格质量好，为复杂地形的数值模拟提供了高仿真的地形模型，另外，插值算法十分简单，显著提高计算效率。附图说明图1是本专利技术所提出的三点共面插值法的示意图；图2是本专利技术提出作为对比的插值方法——距离倒数加权法的示意图；图3a和图3b分别是本专利技术提出作为对比的插值方法——高斯曲面法和节点在地形网格中的示意图；图4是本专利技术采用三点共面法插值得到实际地形网格示意图；图5是本专利技术提出作为对比的插值方法——距离倒数加权法插值得到实际地形网格示意图；图6是本专利技术提出作为对比的插值方法——高斯曲面法插值得到实际地形网格示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。参照图1～图6，一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，该方法包括以下步骤：1)、选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTERGDEM30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件，具体过程如下：1.1)选取研究地形区域，实施例中经度112.9°、纬度22.2°，在地理空间数据云下载得到对应的ASTERGDEM30m分辨率数字地形数据。1.2)将下载得到的地形文件导入至ArcMap中，进行前处理，将地形文件导出为包含x、y、z三维坐标形式的txt文件。2)、通过输入特征参数，调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，具体过程如下：2.1)输入用户指定特征参数(实施例中，计算域边长lt＝4000m，计算域高度h＝2000m，最大网格尺寸lc1＝100m，最大网格尺寸lc2＝30m，加密区半径r＝400m)。2.2)根据输入特征参数，调用Gmsh实现计算域内平坦网格自动划分。3)、通过程序实现提取研究区域的实际地形数据，根据实际地形高程值插值的到对应平坦地形网格中节点的高程值，实现实际地形网格生成。3.1)筛选研究地形区域内的有效地形数据。通常从地理空间数据云所下载的地形数据以经度1°×纬度1°的面积为单位，但往往研究地形区域很小，仅为所下载地形区域内的一小部分，因此为了更高效的建立地形模型，通过程序实现根据研究区域计算域的大小筛选提取稍大于计算域的地形数据，为插值得到真实地形网格提供数据来源。3.2)修改平坦地形模型底面网格节点的高程。由于上一步提取出的有效地形数据点与平坦地形模型底面的网格节点不重合，运行程序，根据模型底面网格节点的x、y坐标，查找出在其周围的4个地形数据点，然后使用这些地形数据点的高程通过插值得到模型底面该网格节点的高程。本专利技术采用了三点共面法线性插值得到网格节点的高程，其是当查找出某个网格节点所在的实际地形网格的位置后，判断该节点位于哪个三角形内，并用三角形的3个地形数据点高程所形成的的平面线性插值得到该节点的高程值，划分的实际地形网格如图4所示；提出的对比插值方法——距离倒数加权法插值得到的地形网格如图5所示；提出的对比插值方法——高斯曲面法插值得到的实际地形网格如图6所示。为了体现出本专利技术插值方法的有效性，将与常规的插值方法进行对比，以距离倒数加权法和高斯曲面法为例。距离倒数加权法采用网格节点与周围4个地形数据点的平面距本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTER GDEM 30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；2)通过输入三维平坦地形模型的特征参数并调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，其中，所述特征参数包括计算域尺寸、网格尺寸和加密区半径；3)提取所述研究地形区域的实际地形数据，根据实际地形的高程值插值得到对应三维平坦地形的网格节点的高程值，生成实际地形网格模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)选取研究地形区域，从GIS地理信息系统中获取研究地形区域ASTERGDEM30米分辨率大地坐标下的地形数据；利用ArcMap将获取的地形数据进行处理及格式转化，导出为可直接调用的x、y、z三维坐标形式的txt文件；2)通过输入三维平坦地形模型的特征参数并调用Gmsh程序，参数化建立三维平坦地形模型并自动划分网格，其中，所述特征参数包括计算域尺寸、网格尺寸和加密区半径；3)提取所述研究地形区域的实际地形数据，根据实际地形的高程值插值得到对应三维平坦地形的网格节点的高程值，生成实际地形网格模型。2.根据权利要求1所述的一种基于GIS数据生成复杂地形网格模型的插值方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下子步骤：1.1)选取研究地形区域，在地理空间数据云下载得到ASTERG...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震卿，张冲，熊世树，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42