顾及空间异质性的断裂地形区高精度制造技术

本发明专利技术公开了一种顾及空间异质性的断裂地形区高精度

【技术实现步骤摘要】
顾及空间异质性的断裂地形区高精度DEM建模方法


[0001]本专利技术涉及一种顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法
。

技术介绍

[0002]目前，高分辨率和高精度
DEM
已成为城市精细化管理
、
自然资源管理与灾情监测
、
实景三维中国建设等国家重大需求不可或缺的关键支撑
。DEM
主要借助空间插值方法对离散采样点插值获得
。
由于地球表面的复杂性和多态性，经典插值方法以曲面连续或光滑性为基本假设会受到陡坎
、
冲沟
、
梯田等断裂地形特征的影响，导致断裂线周围的高程被平滑，进而使得构建的
DEM
失真
。
因此，如何保持断裂地形特征是实现高质量
DEM
建模的关键
。
[0003]针对上述问题，国内外学者提出多种建模算法，大致可以归纳为两种
。
[0004]第一种是利用已知的断裂线作为约束条件辅助
DEM
内插
。
例如，曾有文献提出一种两步约束
Delaunay
三角网法，其思想是先生成无约束
Delaunay
三角网，然后再嵌入约束断裂线对三角网进行调整，进而构建高精度
DEM。
也有文献提出通过对方向导数的使用将断裂线结合到多分辨率薄板样条曲面拟合中，进而构造出具有断裂地形特征的高质量
DEM。
[0005]然而，由于目前仍缺乏有效的技术手段从原始数据中自动且准确地提取各种类型地形断裂线，因此，整个过程依赖较高的人工干预，导致此类方法实用性不高
。
[0006]第二种是在断裂线未知情况下充分考虑断裂地形空间分布特征，将原始地面点直接插值为
DEM。
此类方法的关键是更好地感知地形特征空间分布，减弱待插值点异侧采样点对计算结果的影响
。
曾有文献提出一种适用于
DEM
构建的点云特征保持降噪算法，通过判断断裂线两侧法向量的差异合理分配采样点的权重
。
该方法在保持山脊
、
山谷等折痕断裂地形方面表现出较好的能力，然而其在保持诸如断崖
、
梯田等跳跃式断裂地形方面效果不佳
。
还有文献提出一种顾及结构张量的加权径向基函数方法，通过将结构张量集成到径向基函数中，充分利用了断裂线附近采样点的梯度和方向信息，实现了各种地形特征的高质量
DEM
建模
。
然而该方法受法向量精度影响显著，而且容易丢失高程突变较大的断裂地形特征
。
[0007]综上，现有插值算法在诸如断裂线等不连续地形特征处存在插值精度不高的技术问题
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提出一种顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，该方法耦合了空间距离
、
高程差
、
法向量等三种地形信息，充分考虑了采样点和待插值点之间的空间相关性和地形特征异质性，以确保地形断裂区
DEM
高精度建模
。
[0009]本专利技术为了实现上述目的，采用如下技术方案：
[0010]顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，包括如下步骤：
[0011]步骤
1.
利用地面点云的最大最小坐标，构建分辨率为
r
的
DEM
网格；
[0012]步骤
2.
利用最近邻插值法计算每个待插值点的高程；
[0013]步骤
3.
计算每个待插值点与邻近采样点的空间距离
、
高程差以及法向量；
[0014]步骤
4.
根据空间距离
、
高程差和法向量夹角构建多元核函数，并将多元核函数代入径向基函数中计算每个待插值点的高程，进而实现曲面模拟得到
DEM
；
[0015]步骤
5.
判断本次与上次迭代结果获取的
DEM
差值的最大值是否小于预设阈值；若不是，则返回步骤3，并根据本次迭代结果中得到的待插值点的高程值，重新计算待插值点与邻近采样点的高程差以及每个待插值点与邻近采样点的法向量；否则输出最终的插值结果
。
[0016]本专利技术具有如下优点：
[0017]如上所述，本专利技术述及了一种顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，在本专利技术方法中涉及一种顾及空间异质性的多元径向基函数插值方法，相比传统插值算法，通过提出一种耦合距离
、
高程差
、
法向量三种地形特征信息的多元核函数，有效地减弱了待插值点异侧的采样点对插值结果影响，因而，本专利技术述及的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，对山脊
、
山谷等折痕断裂地形以及断崖
、
梯田等跳跃断裂地形都具有较强的保持能力
。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例中顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法的示意图
。
[0019]图2为断裂地形处的点云分布示意图
。
[0020]图3为法向量估计对比示意图
。
[0021]图4为处理数据
s23
时各插值方法生成的
3D
山体阴影图
。
[0022]图5为处理地表断裂数据时不同点云密度下各种方法的
RMSE
对比示意图
。
[0023]图6为处理地表断裂数据时不同点云密度下各种方法的
MAE
对比示意图
。
[0024]图7为处理地表断裂数据时各插值方法生成的山体阴影图
。
具体实施方式
[0025]下面结合附图以及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明：
[0026]在数字高程模型
(Digital Elevation Model
，
DEM)
建模时，传统插值方法以地表光滑连续为基本假设且只考虑了采样点和待插值点之间的空间相关性，忽略了诸如断裂线等不连续地形特征带来的空间异质性影响，导致断裂线周围的高程被平滑，使得构建的
DEM
失真
。
[0027]针对上述技术问题，本实施例提出了一种顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，在本专利技术方法中提出了一种顾及空间异质性的多元径向基函数插值方法，通过耦合空间距离
、
高程差以及法向量等三种地形信息，充分考虑了采样点和待插值点之间的空间相关性和地形特征异质性，从而很好本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
顾及空间异质性的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤
1.
利用地面点云的最大最小坐标，构建分辨率为
r
的
DEM
网格；步骤
2.
利用最近邻插值法计算每个待插值点的高程；步骤
3.
计算每个待插值点与邻近采样点的空间距离
、
高程差以及法向量；步骤
4.
根据空间距离
、
高程差和法向量夹角构建多元核函数，并将多元核函数代入径向基函数中计算每个待插值点的高程，进而实现曲面模拟得到
DEM
；步骤
5.
判断本次与上次迭代结果获取的
DEM
差值的最大值是否小于预设阈值；若不是，则返回步骤3，并根据本次迭代结果中得到的待插值点的高程值，重新计算待插值点与邻近采样点的高程差以及每个待插值点与邻近采样点的法向量；否则输出最终的插值结果
。2.
根据权利要求1所述的断裂地形区高精度
DEM
建模方法，其特征在于，所述步骤3中，多元核函数
Φ
的构建过程如下：
Φ
＝
Φ
(d
ij
)
×
Φ
(h
ij
)
×
Φ
(n
ij
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
式中，
Φ
(d
ij
)、
Φ
(h
ij
)、
Φ
(n
ij
)
分别表示空间距离
、
高程差
、
法向量核函数；式中，
d
ij
为待插值点与邻近采样点的欧氏距离，
σ
d
为核函数核半径，用于调控基函数的平滑程度；式中，
h
i
为第
i
个待插值点的高程值，
h
j
为第
j
个邻近采样点的高程值，
σ
h
为核函数核半径，用于调控基函数的平滑程度；
n
i
·
n
j
＝
|n
i
|
×
|n
j
|
×
cos
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
式中，
n
i
为第
i
个待插值点的法向量，
n
j
为第
j
个邻近采样点的法向量，
θ
为待插值点与邻近采样点的法向量夹角，
0≤
θ
≤
π
，
σ
n
为核函数核半径，用于调控基函数的平滑程度；式中
k
为第
i
个待插值点邻近采样点的个数，
N(i)
为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈传法，王兴杰，安洁，
申请(专利权)人：济南市勘察测绘研究院，
类型：发明
国别省市：