一种复杂地质曲面特征提取与重构方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂地质曲面特征提取与重构方法，通过借鉴水文分析中河网追踪方面的相关知识并引入面追踪，解决了特征线提取时的碎片化问题，同时运用哈希表极大地减少了地形特征提取部分的计算量，极大地提高了提取效率。此外，本发明专利技术针对现有地形重构方法计算量大、地形骨架点无法确定会被保留等缺陷，采用了基于四阶偏微分方程的地形曲面平滑重构思想，在平滑过程中为保留原始曲面的地形特征而引入了特征点约束，在曲面平滑和曲面特征保留之间取得了较好的平衡。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地形特征提取与重构
，具体涉及一种复杂地质曲面特征提取与重构方法的设计。
技术介绍
数字高程模型(DEM，DigitalElevationModel)的概念是在1958年由美国麻省理工学院的Miller教授提出来的，主要是针对于物理地形的一种数学建模，以便能运用计算机对现实世界中真实存在的地形进行分析和数字化处理。依据当前计算机的强大处理能力，相比于传统纸质地形模型(如地图)及图像，基于数字高程模型的数字地形至少具有以下优点：(1)便于地形数据的存储与管理；(2)便于对地形进行分析和计算；(3)可以无损的缩放，便于分析地形细节；(4)便于设计算法对地形进行智能化处理；(5)便于实时更新。从狭义角度而言，数字高程模型定义为区域地形表面海拔高度的数字化表达；从广义角度，数字高程模型是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。数学上，数字高程模型为定义在二维平面上的函数，其参数为地形点在XOY平面上的点坐标，其值为该地形点的高程值。数字高程模型根据网格的不同分为基于格网的DEM和基于三角网的DEM。在数字地形分析领域，基于数字高程模型的地形分析已经成为最主要的方向之一，其主要内容包括DEM的地形特征提取、地形重建等，同时这两者也是数字地形分析领域的重点与难点，相关文章已大量存在。数字地形分析在经济建设、社会发展、精细农业、智能化交通、现代化战争及人民生活等方面发挥着重要作用，这不仅给现代科学技术的发展带来了新的契机，在深层次上实现计算机科学、信息科学、地球科学、系统科学的有机融合，而且将对人们的生存方式乃至国家的发展战略产生深远的影响。根据所选取的数字高程模型的类型不同，DEM地形特征的提取分为：基于规则格网DEM的地形特征提取、基于等高线DEM的地形特征提取和基于三角网DEM的地形特征提取。(1)规则格网数字高程模型(格网DEM)。规则格网DEM是地形分析中最典型的数据模型之一，许多国家的DEM数据都是以规则格网的数据矩阵形式提供的(如美国USGS提供分辨率为30m、90m的DEM；澳大利亚、日本、英国均提供50m分辨率的DEM；而加拿大为93m的DEM，法国为100m的DEM)。规则格网DEM以格网方式放置原始点，每个子单元为一个标准矩形，各地形点根据其X，Y坐标值与格网坐标系的映射关系置于各子格网顶点中，地形点在格网中的Z值为该点的高程值。规则格网DEM因其数据结构的规范性与简便性，使其成为了目前数字地形研究中主要采取的数据源格式。对于规则格网DEM中的地形点，与其拓扑相关的其他地形点主要为其上、下、左、右、左下、左上、右下、右上共八个领域点，点结构拓扑结构相对三角网DEM而言更容易构建。针对规则格网DEM的研究已经较为成熟。(2)三角网(TIN)数字高程模型(三角网DEM)。三角网数字高程模型也称为三角网DEM，是另一种在地形研究中被普通采用的模型结构，主要以三角网形式组织原始地形数据，即将原始地形点根据其X，Y坐标放置于平面三角网中某个三角形顶点处，高程对应于该点的Z值。三角网DEM通过互相邻接的三角形集来表示原始地形，组成三角网的三角形之间互不相交、互不包含，相比格网DEM对原始地形点分布位置的严格要求，三角网DEM在表示无规律、分布不均匀的原始地形点方面具有明显的优势。但鉴于TIN在数据结构、构建TIN、算法设计、管理等方面较为复杂，使得针对于三角网DEM的研究相对较少，继续研究的空间较大。值得一提的是，规则格网DEM可非常简便地转为三角网DEM，即只需将规则格网的每个矩形中某条对角线连接起来即可。当然，以上三角化方法有较多缺陷，如未考虑连接的最佳性问题等，其他连接算法如DELAUNAY(德劳内)三角化算法能较好地解决三角化的最优问题。根据提取算法的不同，地形特征的提取算法又分为：断面极值法、邻域比较法和流水模拟法。(1)断面极值法提取地形特征点。地形几何分析中提取地形特征点的一个典型算法为断面极值法，该方法认为地形断面曲线上的极大值点为地形脊点，而极小值点为地形谷点。算法的实现过程可总结为：先找出DEM的系列纵横断面上的极大值、极小值点，作为地形特征上的候选点，然后通过设计合适的特征辨别算法，滤除不符合条件的特征点以及将特征点归类到对应的特征线中。算法缺点：不能顾及区域地形变化的特殊规律，对地形噪声的容错能力不高；易导致特征点(或线)提取的碎片化；可供求导的方向有限，易导致地形点属性的判断失误；无法对边界点进行判断。(2)邻域比较法提取地形特征点。邻域比较法的思想为对目标地形点与局部窗口的其他各点进行高程比较，比较方法和窗口大小的选取在各文献中稍有不同，其核心为：如果该点为窗口内的最高点，则该点为候选山脊点，反之则为候选山谷点；其特征属性的最终确认还需配合其他方法。算法缺点：对特殊地形地貌的提取效果较差，对噪声的容错能力较差；生成的特征线相当零碎，在细微地方存在特征线交叉问题；阈值的大小设定对提取结果影响较大，需人工反复测试阈值的合适大小。(3)流水模拟法提取地形特征点.流水模拟法是三种地形特征提取算法中最复杂的一个，同时在大多数情况下也是提取效果最好的一个，算法经过简单变形就能应用于规则格网DEM和三角网DEM，因此算法的适用范围较广。流水模拟法也是目前研究相对不足的算法，可供继续研究的空间较大。流水模拟法根据水流总是由高处流向低处这一物理规则来提取地形的山脊线与山谷线(两者也是最难准确提取的地形特征)，流水模拟法认为山脊线也即分水线，山谷线也即汇水线，即水流流入山脊点或山脊线时将向邻域出流，反之，水流将从邻域流向该区域内的山谷点或山谷线。考虑到山脊线与山谷线的定义和物理特性，该判断规则与实际情况基本相符。算法认为每点自身的水流量为1，经过水流的流入与流出，如果某点最终的汇水量超过某一设定的阈值，则该点为山谷点，山脊点的判断与提取和山谷点类似。地形重构技术也称为地形生成技术，指的是根据已有地形点(或线)通过适当的重建算法生成原地形的三维模拟地形的技术。地形重构技术在地质勘探、军事活动、农业生产及水利方程等方面发挥着重要作用，同时也是逆向工程领域研究的重点内容之一。地形重构可分为直接重构与间接重构，直接重构即通过将已有地形点直接映射到对应的空间位置，并依据点间拓扑关系将空间点连接成地形表面来重构原始地形。因为直接重构技术对地形点的严格要求，使得原始已有地形点极少能符合条件，这导致直接重构技术无法单独用于地形重构。近年来，偏微分方程(PartialDifferentialEquation，PDE)方法作为一种高效的曲面设计工具被引进了计算机辅助设计领域。从理论上分析，偏微分方程曲面造型技术具有一大优势，即定义一张空间曲面的大部分信息来源于曲面的边界条件，这就可以仅通过少量的参数来重构和控制曲面。通过改变边界条件和偏微分方程中的形状控制参数，可以生成各种曲面形状。哈希关系的本质是一种映射关系，将索引和索引对应的值以哈希规则连接起来，之后的查询只要知道了索引(称为哈希函数的键)值便可通过已知的哈希映射规则找到对应的值(称为哈希值)。这里的映射规则即为哈希函数(HashFunction)，索引值通过哈希函数得到的映射值称为哈希地址(HashAddress)，所有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂地质曲面特征提取与重构方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提取满足唯一性约束的三角网候选山谷线；S2、对候选山谷线进行追踪与结构建立；S3、通过对原地形进行翻转后提取翻转地形的山谷线提取三角网山脊线；S4、采用四阶偏微分方程进行曲面平滑重构。

【技术特征摘要】
1.一种复杂地质曲面特征提取与重构方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提取满足唯一性约束的三角网候选山谷线；S2、对候选山谷线进行追踪与结构建立；S3、通过对原地形进行翻转后提取翻转地形的山谷线提取三角网山脊线；S4、采用四阶偏微分方程进行曲面平滑重构。2.根据权利要求1所述的复杂地质曲面特征提取与重构方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：S1-01、遍历边哈希表lineMap中的每条边；S1-02、判断边是否遍历结束，若是则进入步骤S1-11，否则进入步骤S1-03；S1-03、获取当前边及其左右三角形ID；S1-04、判断左右三角形ID是否均不为空，若是则进入步骤S1-06，否则进入步骤S1-05；S1-05、判定当前边为边界边，不考虑汇水性，返回步骤S1-01；S1-06、根据左右三角形ID从三角网哈希表tinMap中获取当前边的左右邻接三角形；S1-07、计算当前边左右邻接三角形的水流方向；S1-08、计算当前边左右邻接三角形水流方向与该边的流向关系值；S1-09、判断当前边的汇水特性并更新边哈希表lineMap；S1-10、将汇水边加入候选汇水边集合，返回步骤S1-01；S1-11、遍历三角网哈希表tinMap中的每个三角形；S1-12、判断三角形是否遍历结束，若是则进入步骤S2，否则进入步骤S1-13；S1-13、获取当前三角形的汇水边条数；S1-14、判断汇水边是否多于一条，若是则进入步骤S1-15，否则返回步骤S1-11；S1-15、对每条汇水边，计算其左右邻接三角形流向该边的汇水量之和；S1-16、将原汇水边中汇水量最大的边汇水属性保持不变，其他边汇水属性改为未判断；S1-17、更新边哈希表lineMap及候选汇水边集合，返回步骤S1-11。3.根据权利要求2所述的复杂地质曲面特征提取与重构方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：S2-01、遍历边哈希表lineMap，获取边界点集；S2-02、更新以给定点为起点的边哈希表linesWithStartpointMap及以给定点为终点的边哈希表linesWithEndpointMap；S2-03、遍历点哈希表pointMap获取洼地点集；S2-0...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚兴苗，王运璇，胡光岷，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51