一种海量地形数据多维剖分结构、生成方法及精细场景快速生成方法技术

本发明专利技术提供了一种海量地形数据多维剖分结构、生成方法及精细场景快速生成方法，基于全球范围内的栅格数据扩展四叉树空间索引，建立DEM数据四叉树空间索引；构建TIN的数据结构，将数据进行三角面片的分解；进行插值建立场景地表的三维数据和绘制模型。与现有技术相比，能够实现海量遥感地形数据精细场景的自适应多维剖分，快速、高效、逼真度高的遥感地形数据调度与三维场景生成。

A Multidimensional Subdivision Structure, Generation Method and Fast Generation Method of Fine Scene for Massive Terrain Data

The invention provides a multidimensional partition structure, generation method and fast generation method of fine scenes of massive terrain data, expands quadtree spatial index based on global raster data, establishes quadtree spatial index of DEM data, constructs TIN data structure, decomposes data into triangular patches, and carries out interpolation construction. The 3D data and the rendering model of the scene are created. Compared with the existing technology, it can realize the adaptive multi-dimensional segmentation of massive remote sensing topographic data fine scene, fast, efficient and high fidelity remote sensing topographic data scheduling and three-dimensional scene generation.

【技术实现步骤摘要】
一种海量地形数据多维剖分结构、生成方法及精细场景快速生成方法
本专利技术涉及一种海量地形数据多维剖分结构、生成方法及精细场景快速生成方法，涉及三维场景生成领域。
技术介绍
地理空间的三维构建技术是空间产业的重要组成部分。近年来，随着无人机成像技术快速发展与普及，由于行业的现实性需求，获取的地形数据精度越来越高，数据量越来越大(地形数据伴随着精度的升高往往是指数级别的增长)，有的区域的三维场景数据精度达到2cm以上的精度。另外AR技术和VR技术越来越受到行业领域的关注，催生了很多关联产业都积极投入虚拟现实，尤其是三维虚拟现实的技术研究与实践中，例如园区级别、文化媒体级别的高精细、高逼真三维场景的构建要求。常用的三维地形数据处理方式为四边形格网类型或者建立一般性的三角形网，但是这两种方式各自存在有他们的优缺点。对于四边形格网的处理，处理的方式比较简单，做细微区域的数据处理后，首先数据层级太多，要么地形细部可视化出现突变(尖锐突起或者塌陷)、孔洞等错误，与真实场景出现很大差别，可视化效果较差。用三角形网，规定了区域三角网构网的尺度，整个区域生成三角网的处理效率很低，如果需要精细的三维区域数据，三角网的生成速度低，造成数据调用负担大，显示效率很慢。目前针对遥感地形数据的单一处理方式的改进很多，往往局限于某一种或者某一个需求点进行技术更新，这样处理带来的原生问题还是存在。主要表现在：1、在数据精度较高条件下，地形数据海量，技术上没有设计良好数据结构、数据存储组织调度方法，数据调度效率很低，显著影响了大视场条件下的可视化，造成丢帧、卡顿、显示不及时等问题，三维场景的浏览体验较差；2、在海量地形数据条件下，为了可视化效率，设计较为简单的地形数据结构，提高数据调度和I/O效率，则三维场景中局部、细部特征出现突变(突起、塌陷、毛刺等)，造成对精细三维地形的特征地区，例如鞍部、隘口，平台、扇面等特征地区，无法可视化或者可视化效果较差，VR技术真实感和逼真程度差，失去目前精细三维场景展示的效果。
技术实现思路
本专利技术提供了一种海量地形数据多维剖分结构极其生成方法，具有便于满足海量遥感地形数据精细场景的自适应多维剖分，便于快速、高效、逼真度高的遥感地形数据的调度与三维场景的生成的特点。本专利技术还提供了一种精细场景快速生成方法，在海量地形数据多维剖分结构的基础上，具有能够实现海量遥感地形数据精细场景的自适应多维剖分，快速、高效、逼真度高的遥感地形数据调度与三维场景生成的特点。本专利技术采用的技术方案如下：一种海量地形数据多维剖分结构，其特征在于：包括，全球栅格空间，以四叉树进行组织，四叉树的每个节点表示空间数据范围，数据空间范围通过经纬度的跨度来表示，按照设置跨度将全球分为横向和纵向块数比为2:1的块结构；所述全球栅格空间在纵向上进行分层，不同数据层的影像分辨率不同，其中第0层的分辨率最低，按照层数的增加，分辨率增加，第0层的每块影像作为一棵四叉树的根，节点的空间范围内更高分辨率的影像作为子节点；所述横向为维度，纵向为经度；三角面片结构，基于四叉树的块结构，将数据进行三角面片的分解。所有节点有大小呈现，表示空间数据范围的大小。一种海量地形数据多维剖分结构生成方法，用于生成上述海量地形数据多维剖分结构，具体方法包括，基于全球范围内的栅格数据扩展四叉树空间索引，建立DEM数据四叉树空间索引；构建TIN的数据结构，将数据进行三角面片的分解；其中，建立DEM数据四叉树空间索引的具体方法包括，设置全球地理坐标经度范围为[-180°，+180°]，纬度范围为[-90°，+90°]，此范围以外的坐标值均视为无效值；设置第k+1层的分辨率为第k层的2倍，这个2倍同时约束地形模型和纹理模型；设置金字塔每层的横向和纵向块数比为2:1，且设置第0层的分块数，则第k层的分块数为2k+1×2k，并对块号进行编排顺序；设置每个永久存储单元存储的经向和纬向块数最大值；设置每块中DEM为(2n+1)×(2n+1)，纹理分辨率为2n×2n；设置低一级块数据采样于高一级块，最高分辨率块直接采样于原始数据，且最高分辨率块的LOD级别根据数据范围和纹理影像的分辨率来确定，分块越多，分辨率越高，则LOD级别越高；将数据进行三角面片的分解的具体方法包括，采用显式的三角形二叉树来动态地表示地形网格，取两个子三角形来表示父结点三角形，实现三角面片的剖分；采用父三角形取代两个子三角形，实现三角面片的为合并；其中，k为包括0的自然数；n为大于等于3的自然数。块号的编排顺序是由左到右，由下到上。一种精细场景快速生成方法，基于上述海量地形数据多维剖分结构，具体方法包括，建立DEM数据四叉树空间索引，以四叉树为基础进行数据的访问和调度；构建TIN的数据结构，将数据进行三角面片的分解，进行插值建立场景地表的三维数据和绘制模型；对大规模地形进行多分辨率表示，在纵向上对影像数据进行动态分层，按照影像的分辨率和影像的数据量大小，建立分层层数与数据量和分辨率之间的关联关系；把地形分成若干地形块，每个地形块的四个角点构成粗分辨率的网格，每个地形块内为高分辨率网格；使用组织方式存储地形块内网格顶点，但对地形块则不存储其四个角点；各地形块的顶点数小于整个地形的顶点数，对于每个地形块，建立三角形节点顺序与剖分点之间对应关系的查找表，查找表的大小为三角形二叉树的结点总数；基于四叉树的多分辨率地形结构，自顶向下构造DEM多分辨率表示；设置节点评价函数反映每个地形片应该具有的分辨率与当前视点处地形片分辨率的关系；设置独立的线程，进行视点预测，对当前视点不可见而下一视点可见的地形块区域进行装载；根据每一个地形块到当前视点的距离d，以及每一层次所有顶点的最大高度误差ε(l)，来确定选取的地形块需要装载的层次细节。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：能够实现海量遥感地形数据精细场景的自适应多维剖分，快速、高效、逼真度高的遥感地形数据调度与三维场景生成。附图说明图1为本专利技术其中一实施例的地形数据的多分辨率金字塔与局部二叉树三角网的构建示意图。图2为本专利技术其中一实施例的实际地形数据的精细处理结果示意图。图3为本专利技术其中一实施例的三维地形数据调度与数据剖分的主要流程示意图。图4为本专利技术其中一实施例的基于视点变换的地形数据调度示意图。图5为本专利技术其中一实施例的在视点变换(三维飞行中)读取和实时调度数据效率示意图。图6为本专利技术其中一实施例的各级分层的每个LOD数据分块的经差与纬差、总块数和分辨率示意图。图7为本专利技术其中一实施例的三角形二叉树动态演化示意图。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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。一种海量地形数据多维剖分结构，包括，全球栅格空间，以四叉树进行组织，四叉树的每个节点表示空间数据范围，数据空间范围通过经纬度的跨度来表示，按照设置跨度将全球分为横向和纵向块数比为2:1的块结构；所述全球栅格空间在纵向上进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海量地形数据多维剖分结构，其特征在于：包括，全球栅格空间，以四叉树进行组织，四叉树的每个节点表示空间数据范围，数据空间范围通过经纬度的跨度来表示，按照设置跨度将全球分为横向和纵向块数比为2:1的块结构；所述全球栅格空间在纵向上进行分层，不同数据层的影像分辨率不同，其中第0层的分辨率最低，按照层数的增加，分辨率增加，第0层的每块影像作为一棵四叉树的根，节点的空间范围内更高分辨率的影像作为子节点；所述横向为维度，纵向为经度；三角面片结构，基于四叉树的块结构，将数据进行三角面片的分解。

【技术特征摘要】
1.一种海量地形数据多维剖分结构，其特征在于：包括，全球栅格空间，以四叉树进行组织，四叉树的每个节点表示空间数据范围，数据空间范围通过经纬度的跨度来表示，按照设置跨度将全球分为横向和纵向块数比为2:1的块结构；所述全球栅格空间在纵向上进行分层，不同数据层的影像分辨率不同，其中第0层的分辨率最低，按照层数的增加，分辨率增加，第0层的每块影像作为一棵四叉树的根，节点的空间范围内更高分辨率的影像作为子节点；所述横向为维度，纵向为经度；三角面片结构，基于四叉树的块结构，将数据进行三角面片的分解。2.根据权利要求1所述的海量地形数据多维剖分结构，其特征在于：所有节点有大小呈现，表示空间数据范围的大小。3.一种海量地形数据多维剖分结构生成方法，用于生成权利要求1或2所述的海量地形数据多维剖分结构，具体方法包括，基于全球范围内的栅格数据扩展四叉树空间索引，建立DEM数据四叉树空间索引；构建TIN的数据结构，将数据进行三角面片的分解；其中，建立DEM数据四叉树空间索引的具体方法包括，设置全球地理坐标经度范围为[-180°，+180°]，纬度范围为[-90°，+90°]，此范围以外的坐标值均视为无效值；设置第k+1层的分辨率为第k层的2倍，这个2倍同时约束地形模型和纹理模型；设置金字塔每层的横向和纵向块数比为2:1，且设置第0层的分块数，则第k层的分块数为2k+1×2k，并对块号进行编排顺序；设置每个永久存储单元存储的经向和纬向块数最大值；设置每块中DEM为(2n+1)×(2n+1)，纹理分辨率为2n×2n；设置低一级块数据采样于高一级块，最高分辨率块直接采样于原始数据，且最高分辨率块的LOD级别根据数据范围和纹理...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建涛，金松，杨志高，李琦，丁庆，李峰，成志强，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51