一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法及系统。本发明专利技术的方法包括以下步骤：构建基于数字高程模型DEM的三维沟道流域地形模型，对沟道流域土壤地貌分层和地貌特征线进行提取、识别和直观模拟，对沟道流域地形二维剖面、三维剖面的动态提取、实时绘制和渲染，通过DEM计算的土方量进行土地平整渲染，建立多种农作物和植物模型、基本农田耕作模型和工程设施模型，通过人机交互机制控制各种模型的动态加载、替换、移动和删除。本发明专利技术有效解决了对沟道流域重要地貌特征、土壤地貌分层的提取、识别与直观模拟，以及地形剖面的提取、绘制，呈现了沟道流域自然地形的真实条件，提供了沟道流域整治规划过程进行人机协同设计的可视化决策支持方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法及系统
本专利技术属于农业规划仿真领域，具体涉及一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法及系统。
技术介绍
沟道流域整治工程是土地整理的一种重要形式，是新增耕地及耕地占补平衡的有效手段，也是防洪减沙、保持水土的重要农田水利措施。由于自然条件、用地现状和社会经济发展水平等因素的综合影响，沟道整治工程建设的投入和风险也不一样，如何规避整治工程的高风险并促进土地可持续利用，进行科学地规划、制定可行的沟道流域整治适宜性方案是至关重要的。近年来，随着计算机图形处理能力和三维可视化仿真技术的发展，复杂自然现象和物体的实时真实感建模技术取得了很大的进展，为流域管理、规划和防洪减灾提供更为直观的决策支持，对流域三维可视化仿真的需求越来越突出。现有的流域场景仿真主要是针对流域洪水淹没演进过程进行模拟，对洪水现象和规律进行分析研究，有效地辅助了防洪决策。而沟道流域整治工程贯穿了“以沟道小流域为基本单元，沟、坪、梁、峁、坡综合治理，植物措施、工程措施、耕作措施科学配置”的主线，因此，在沟道流域整治过程中需要将坡/沟地貌特征因素、土壤分层特征因素(土壤按年代沉积呈现分层特征，不同层的土壤侵蚀性不一样，其稳定性也不一样，整治过程需要考虑土壤的稳定性)和地形起伏变化特征因素共同结合起来，才能完整反映沟道流域的自然条件，尤其对地形起伏比较大、变化规律性差的地貌需要进行土地平整设计。而目前的沟道流域在整治过程中整治专家需要掌握ARCGIS专业软件对地貌特征进行提取的方法，但每次提取操作只能获得一种类型的地貌特征，并以面状区域呈现出来，还需要人工去辨识；在沟道土地平整设计中整治专家还需再采用南方CASS等专业软件人为设计填土高度去计算土方量，无法将地貌特征结合到土地平整设计中。因此现有流域三维仿真无法满足沟道流域整治规划可视化辅助决策的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于OSG(OpenSceneGraph)的沟道流域整治规划仿真方法及系统，利用OSG强大的三维渲染能力，构建基于数字高程模型的三维沟道流域地形模型，对沟道流域地貌特征提取、直观模拟与剖面分析，通过DEM计算的土方量进行土地平整渲染，为土地整治领域专家提供一个直观、逼真的沟道流域自然地形场景，提高认知效果，通过添加多种农作物模型、基本农田模型和工程设施的三维地物模型，实现支持“植物措施、工程措施、耕作措施科学配置”的动态交互设计过程，为决策者科学整治沟道流域工程提供辅助决策支持。为了实现上述目标，本专利技术采用的技术方案：一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、构建基于数字高程模型DEM的沟道流域三维地形模型；步骤2)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据对沟道流域土壤地貌分层特征进行提取、识别以及分层着色渲染；步骤3)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据对地貌发展的地貌特征线——沟沿线和坡脚线进行提取、识别与着色渲染；步骤4)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行地形二维剖面的动态提取和实时绘制；步骤5)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行三维横剖面的动态提取和渲染；步骤6)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行土方量计算和土地平整的模拟渲染；步骤7)、根据沟道流域的地形地貌，建立适合规模种植的多种农作物和植物模型、基本农田耕作模型和工程设施模型；步骤8)、将步骤7所建立的多种模型加载到所构建的沟道流域三维地形模型的指定位置中。进一步地，所述方法还包括：对步骤1所建立的沟道流域三维地形模型进行平滑处理。进一步地，所述步骤1)包括：获取DWG格式数据的地形数据，并将原始的DWG格式数据利用ARCGIS的栅格插值方法生成DEM数据；对DEM数据进行分割、采样导出分块地形的DEM数据并转换成跨平台可读的txt文本文件，根据DEM的行数和列数，创建大小为行列乘积的像素图片，使用像素图片中的像素灰度值存储地形DEM数据的高程值，利用OSG的几何体对象自定义场景创建方法建立沟道流域的三维地形模型。进一步地，所述步骤8)包括：利用自定义射线检测交点的方法将模型加载到所构建的沟道流域三维地形模型中。进一步地，所述步骤3)包括：3.1)定义一个顶点信息结构体数组，用于存储DEM数据高程值及后续计算所得的参数值；3.2)根据顶点信息结构体数组中存储的高程点分别计算每个点的坡度、坡度变化率，遍历坡度变化率，找出坡度变化率局部最大点，计算每个点所在位置是正地形还是负地形，3.3)遍历所有点的坡度，将坡度小于预定阈值的点置为非沟沿线或非坡脚线点；对坡度大于预定阈值的点，将其所在正地形的点确定为沟沿线点，负地形的点确定为坡脚线点，3.4)对沟沿线、坡脚线形成的宽带部位进行细化处理，最终形成只有一个网格宽度的沟沿线、坡脚线；3.5)对沟沿线、坡脚线所在位置顶点进行提取并遍历所有DEM高程点，若为沟沿线点则将数据压入沟沿线几何体对象顶点数组中，若为坡脚线点则将数据压入坡脚线几何体对象顶点数组中，再将两个几何体对象加入到相应的结点，利用OSG几何体对象自定义绘制方法对识别的沟沿线和坡脚线进行着色渲染。进一步地，所述步骤4)包括：鼠标点击沟道流域三维地形模型场景中任意位置，采用自定义射线检测交点的方法将获取到的交点的屏幕二维坐标进行三维坐标转换和逆向变换得到该交点的原始三维坐标，遍历与该交点X坐标值相同的所有DEM数据，提取这些DEM数据的Y坐标和Z坐标(高程)以及坡度值，通过自定义缩放比例方法的计算绘制在二维地形剖面示意窗口。进一步地，所述步骤5)包括：鼠标点击沟道流域三维地形模型场景中任意位置，采用自定义射线检测交点的方法将获取到的交点的屏幕二维坐标进行三维坐标转换得到该交点的三维坐标，遍历所有DEM数据高程值，提取与该交点的Y坐标在预定值内的高程点，利用OSG几何体对象自定义绘制方法对提取的高程点进行着色渲染得到三维横剖面。进一步地，所述步骤6)包括：对步骤4获得的坡脚线点集求得土方量的平均标高，将沟道流域三维地形模型中的DEM的高程值全部设为平均标高，利用OSG的几何体对象自定义土方渲染方法完成填土方的渲染。进一步地，所述步骤2)包括：根据不同土壤层按年代沉积的分布获取沟道流域不同土壤层的DEM分层区间，利用OSG的顶点着色器和片元着色器自定义分层渲染方法完成对土壤地貌分层特征的提取和分层着色渲染。另一方面，本专利技术提供一种用于执行所述方法的基于OSG的沟道流域整治规划仿真系统，其特征在于，所述系统包括：仿真模块、模型构建模块、数据存储模块，数据存储模块用于存储基础数据；模型构建模块用于构建各类农作物、植物以及农田、工程设施模型；所述仿真模块用于对三维地形模型的地貌特征、土壤地貌分层特征和地形剖面、土方量进行提取、识别与计算并通过OSG引擎进行仿真渲染。在本专利技术的上述技术方案中，通过平滑处理，可以消除因个别数据引起的地形突兀，使得地形信息更准确。本专利技术借助于虚拟现实技术，对需整治的沟道小流域土壤地貌分层与地貌发展的重要地貌特征进行提取、直观模拟与地形剖面分析，通过DEM计算的土方量进行土地平整渲染，实现集植物措施、工程措施和耕作措施于一体的沟道流域整治本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、构建基于数字高程模型DEM的沟道流域三维地形模型；步骤2)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据对沟道流域土壤地貌分层特征进行提取、识别以及分层着色渲染；步骤3)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据对地貌发展的地貌特征线——沟沿线和坡脚线进行提取、识别与着色渲染；步骤4)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行地形二维剖面的动态提取和实时绘制；步骤5)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行三维横剖面的动态提取和渲染；步骤6)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行土方量计算和土地平整的模拟渲染；步骤7)、根据沟道流域的地形地貌，建立适合规模种植的多种农作物和植物模型、基本农田耕作模型和工程设施模型；步骤8)、将步骤7所建立的多种模型加载到所构建的沟道流域三维地形模型的指定位置中。

【技术特征摘要】
1.一种基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、构建基于数字高程模型DEM的沟道流域三维地形模型；步骤2)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据对沟道流域土壤地貌分层特征进行提取、识别以及分层着色渲染；步骤3)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据对地貌发展的地貌特征线——沟沿线和坡脚线进行提取、识别与着色渲染；步骤4)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行地形二维剖面的动态提取和实时绘制；步骤5)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行三维横剖面的动态提取和渲染；步骤6)、对所构建的沟道流域三维地形模型根据DEM数据进行土方量计算和土地平整的模拟渲染；步骤7)、根据沟道流域的地形地貌，建立适合规模种植的多种农作物和植物模型、基本农田耕作模型和工程设施模型；步骤8)、将步骤7所建立的多种模型加载到所构建的沟道流域三维地形模型的指定位置中。2.根据权利要求1所述的基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：对步骤1所建立的沟道流域三维地形模型进行平滑处理。3.根据权利要求1所述的基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，所述步骤1)包括：获取原始DWG格式数据的地形数据，并将所获取的原始DWG格式数据利用ARCGIS的栅格插值方法生成DEM数据；对DEM数据进行分割、采样导出分块地形的DEM数据并转换成跨平台可读的txt文本文件，根据DEM的行数和列数，创建大小为行列乘积的像素图片，使用像素图片中的像素灰度值存储地形DEM数据的高程值，利用OSG的几何体对象自定义场景创建方法建立沟道流域的三维地形模型。4.根据权利要求1所述的基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，所述步骤8)包括：利用自定义射线检测交点的方法将模型加载到所构建的沟道流域三维地形模型中。5.根据权利要求1所述的基于OSG的沟道流域整治规划仿真方法，其特征在于，所述步骤3)包括：3.1)定义一个顶点信息结构体数组，用于存储DEM数据高程值及后续计算所得的参数值；3.2)根据顶点信息结构体数组中存储的高程点分别计算每个点的坡度、坡度变化率，遍历坡度变化率，找出坡度变化率局部最大点，计算每个点所在位置是正地形还是负地形，3.3)遍历所有点的坡度，将坡度小于预定阈值的点置为非沟沿线或非坡脚线点；对坡度大于预定阈值的点，将其所在正地形的点确定为沟沿线...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彦随，张莉，崔亚超，文戈，王介勇，李裕瑞，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11