流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质，所述方法包括：获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；分别计算河道的河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；融合山地地形数据和河床地形数据，对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；根据山地河床一体化地形数据进行3D打印，得到流域地形3D模型。本发明专利技术以平行于河谷线方向进行河床地形采样，得到更贴近于真实的河床分布，并在标准格网下实现了山地河床一体化建模，能够更精细地表达流域地形分布。域地形分布。域地形分布。

【技术实现步骤摘要】
流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质


[0001]本专利技术属于数字流域
，具体涉及一种流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质。

技术介绍

[0002]近年来全球气候更替紊乱，导致极端自然灾害频发。暴雨洪水灾害是我国常见的重大自然灾害之一，其中长江和黄河等大型河流洪水由于其影响范围广、变化速度快、沿河流域人口众多，给人们的生命和财产安全带来了极大的威胁。随着信息技术的发展，“数字流域”概念应运而生。“数字流域”是结合最新的地理信息系统、虚拟现实、云计算等技术，对全流域的地理信息进行采集、处理、管理和可视化，实现整个流域的智慧管理和决策。
[0003]输沙不平衡是河床演变的根本原因。当上游来沙量大于本河段的水流挟沙力时，水流没有能力把上游来沙全部带走，产生淤积，河床升高。当上游来沙量小于本河段的水流的挟沙力时，便产生冲刷，河床下降。这种河床的升高与下降主要反映在河床同一位置不同时间的河床高程的变化上，河床建模对于数字流域洪水监测、航道导航、灾害应急等具有重要意义。
[0004]3D打印是一种以数字模型文件为基础，采用数字技术材料打印机，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印来构造物体的增材制造技术。根据3D打印所用材料成形方法及状态，3D打印技术可以分为光固化立体成形、熔融沉积成形、分层实体制造、激光选区熔化、电子束选区熔化、金属激光熔融沉积等类型。3D打印系统一般基于STL三维模型进行打印输出，STL文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。STL格式的文件，具有三角网格面围成的立体图形的稳定性和封闭面特性，非常适合切片后生成3D打印文件，为3D打印提供了便利。
[0005]流域地形3D打印技术可以将复杂的流域3D地形打印构建出来，能够直观高效地展现流域地形分布和变化，对于流域管理、洪水仿真、应急决策等具有重要意义。传统直接基于DEM地形的流域3D打印方法，只能打印山地地形，水域区域通常表现为平面地形，不能表达河床地形变化。而流域河床地形变化是智慧流域管理的重点，水流泥沙的淤积以及暴雨洪水的影响对于河床具有持续性的影响，如何动态反馈河床变化至关重要。
[0006]针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现有效的解决方案。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提出了一种流域地形3D打印方法及装置、电子设备、存储介质，用于解决传统的流域地形3D打印方法不能反馈河床地形变化的问题。
[0008]本专利技术第一方面，公开一种流域地形3D打印方法，所述方法包括：获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；
沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。
[0009]在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线具体包括：设断面C
i
的河谷点T
i
对应的位置坐标为(x
i
, y
i
)，断面C
i+1
的河谷点T
i+1
对应的位置坐标为(x
i+1
, y
i+1
)，i∈[1, M]，M为原始断面总数，设T
i
和T
i+1
之间沿x轴以等步长进行均分成K段，第w个插值断面的河谷点T
i,w
的位置坐标为(x
i, w
, y
i, w
)，则T
i,w
的横坐标计算公式为：根据四次Hermite样条曲线算法计算得到T
i,w
的纵坐标为：其中和是河谷线在断面C
i
和C
i+1
的偏转角，系数计算公式为：其中，参数根据横坐标计算得到：参数为系数。
[0010]在以上技术方案的基础上，优选的，所述沿着平行于河谷线方向对河床进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据具体包括：以河谷点T
i
为起点，以步长d2沿着河谷线进行插值，基于四次Hermite样条曲线计算插值点的位置坐标，基于线性插值计算插值点的水深；设河谷点T
i
和T
i+1
的之间共有S个插值点，其中第s个插值点的水深h(s)的计算公式为：
其中，表示向下取整，表示河谷点T
i
、T
i+1
的水深，L表示河谷点T
i
和T
i+1
的之间的长度；依次以断面C
i
上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程；基于各个河床插值点的位置坐标和地形高程构建河床地形数据。
[0011]在以上技术方案的基础上，优选的，所述依次以断面C
i
上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程具体包括：将河谷线插值后的河道断面观测数据投影到平面上构建二维平面坐标系；依次获取原始断面数据C
i
上的特征点为起点，以步长d2沿着平行于河谷线方向进行插值，计算插值点在二维平面坐标系下的位置坐标值；基于相邻两个测量点的水深，运用线性插值方法得到插值点的水深h(g)；基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程H(g)：其中E(g)为第g个插值点的河面高程。
[0012]在以上技术方案的基础上，优选的，所述融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样具体包括：根据山地地形DEM数据的分辨率在河道正方形外包范围内构建单位正方形的标准网格；以河道正方形外包范围的一角为原点构建二维笛卡尔坐标系o
‑
xy；依次提取坐标系o
‑
xy的第m行第n列的单位正方形网格Q，若Q落在河道范围以外，直接获取山地地形DEM数据作为当前网格高程；若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程。
[0013]在以上技术方案的基础上，优选的，所述若Q落在河道范围以内，在Q点的邻域范围内搜索河道特征点，基于反距离权重插值计算当前Q点的地形高程具体包括：以Q点为中心，以基础半径为r，递增步长为进行搜索，直到搜索圆内的河道特征点个数E大于或等于预设特征点个数，设此时半径递增数为u，则搜索半径R为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流域地形3D打印方法，其特征在于，所述方法包括：获取目标流域的河道断面观测数据和周边山地地形数据；根据每个河道断面观测数据分别计算河谷点，基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线；沿着平行于河谷线方向对河床地形进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据；融合山地地形数据和河床地形数据，根据地形行列位置对河床地形数据进行标准网格重采样，生成山地河床一体化地形数据；根据山地河床一体化地形数据获取地形长度和宽度，设置相关参数进行3D打印，得到流域地形3D模型。2.根据权利要求1所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述基于带参数的四次Hermite样条曲线对各个河谷点进行平滑处理得到河谷线具体包括：设断面C
i
的河谷点T
i
对应的位置坐标为(x
i
, y
i
)，断面C
i+1
的河谷点T
i+1
对应的位置坐标为(x
i+1
, y
i+1
)，i∈[1,M]，M为原始断面总数，设T
i
和T
i+1
之间沿x轴以等步长进行均分成K段，第w个插值断面的河谷点T
i,w
的位置坐标为(x
i, w
, y
i, w
)，则T
i,w
的横坐标计算公式为：根据四次Hermite样条曲线算法计算得到T
i,w
的纵坐标为：其中和是河谷线在断面C
i
和C
i+1
的偏转角，系数计算公式为：其中，参数根据横坐标计算得到：参数为系数。3.根据权利要求1所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述沿着平行于河谷线方向对河床进行插值，分别计算插值点的位置和水深值，得到河床地形数据具体包括：以河谷点T
i
为起点，以步长d2沿着河谷线进行插值，基于四次Hermite样条曲线计算插值点的位置坐标，基于线性插值计算插值点的水深；设河谷点T
i
和T
i+1
的之间共有S个插值点，其中第s个插值点的水深h(s)计算公式为：
其中，表示向下取整，分别表示河谷点T
i
、T
i+1
的水深，L表示河谷点T
i
和T
i+1
的之间的长度；依次以断面C
i
上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程；基于各个河床插值点的位置坐标和地形高程构建河床地形数据。4.根据权利要求3所述的流域地形3D打印方法，其特征在于，所述依次以断面C
i
上的特征点为起点，分别沿平行于河谷线方向进行河床插值，计算河床插值点的位置坐标、水深，基于插值点的河面高程和插值点的水深计算河床插值点地形高程具体包括：将河谷线插值后的河道断面观测数据投影到平面上构建二维平面坐标系；依次以断面数据C
i
上的特征点为起点，以步长d2沿着平行于河谷...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红燕，张学全，罗云，
申请(专利权)人：武汉幻城经纬科技有限公司，
类型：发明
国别省市：