CN109522903A - 基于双向滚动球变换的tin_ddm地形特征线提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，步骤如下：首先，设定滚动球半径并对各个采样点构建等距离球面；其次，对由各个等距离球面相交所形成的TIN_DDM矢量缓冲面按照规定的格网间距进行栅格化表达，确定出各个TIN_DDM缓冲面剖分单元的邻近关系；然后，将各个TIN_DDM缓冲面剖分单元及其邻近剖分单元对应的地形点所组成的范围看作一个局部范围，利用地形特征点局部极值的特性，对地形特征点进行识别；最后，根据TIN_DDM缓冲面剖分单元的邻近关系，对地形特征点进行连线整理，最终实现了TIN_DDM地形特征线的提取。本发明以滚动球半径作为地形尺度特征识别的控制变量，提取不同地形尺度下的TIN_DDM地形特征线，给出符合真实地形的、明确的关联信息。

Description

基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法
技术领域
本发明涉及海底地形信息挖掘和分析研究领域。
背景技术
虽然地形表面高低起伏，形态各式各样，但其可分解成一系列基本的地形点、地形线和地形面，这些地形形态要素构成地形的骨架，决定了地形的几何形态和基本走势。其中地形特征线网络(即山脊线和山谷线)在地形形态表达方面具有重要作用，它展示了地形的骨架结构，在地貌类型自动化分、制图综合、DEM数据生成与压缩等方面具有广泛应用。当前众多学者提出很多地形特征线提取算法，其大致可分为以下三类：①基于地形数据结构的不同，分为规则格网DEM地形特征线提取算法、不规则三角网TIN地形特征线提取算法和等高线DEM地形特征线提取算法；②基于算法原理不同，分为基于几何形态分析的地形特征线提取算法(解析法)和基于流水模拟分析的地形特征线提取算法(模拟法)；③基于算法获取地形信息的范围不同，分为局部算法和整体算法。而这些算法具有共同特点，地形特征线的提取过程均大致分为三个步骤，即地形特征点识别、地形特征点匹配连线和特征线整理。
由于地形表面的复杂性，数据结构的不一致性和多样性，再加上地形表面所具有的尺度特征以及对地形认知所存在的差异，当前所提算法均存在其固有的技术缺陷，主要体现在：①大部分算法依据曲率极值法识别地形特征点，为保证地形特征点匹配连线的连续性，均需要根据经验法在全区域确定某一固定阈值来判定所选点是否为地形特征点，阈值设定过大，易造成大量非地形特征点被误判为地形特征点，阈值设定过小，易造成大量地形特征点被遗漏；②所有算法均未考虑地形表面的尺度特征，所识别出的地形特征点只存在于某一地形尺度下，均未对各点被判定为地形特征点时的地形尺度范围进行界定，最终导致所提取的地形特征线无层次性；③当前地形特征线的匹配连接主要有基于知识推理的方法和特征函数匹配的方法，以及解析法和模拟法的混合方法，点与点和线与线之间只需符合地形特征线的特性即可连接，极易出现与真实地形不符的情况，均不能给出符合真实地形的、明确的关联信息。
发明内容
为了克服传统地形特征线提取方法所存在的上述问题，本发明提供了一种基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，包括以下步骤：
步骤一、设定滚动球半径r并对各个水深采样点构建半径为r的等距离球面；
步骤二、计算TIN_DDM中各采样点XOY平面内的最小间距dmin，以dmin作为格网间距并确定TIN_DDM在XOY平面内的各格网节点坐标(xm,yn)，m、n分别为格网的行列号；
步骤三、依次选取TIN_DDM中采样点Pi，i为所选取采样点的位置数，i＝1,2,3...，分别确定在各格网节点(xm,yn)的z轴方向上形成极值的等距离球面及该等距离球面所对应的球心采样点；
步骤四、统计各个TIN_DDM上或下缓冲面剖分单元范围内的格网节点(xm,yn)，并建立形成TIN_DDM上或下缓冲面剖分单元的球心采样点与上或下缓冲面剖分单元范围内的各格网节点(xm,yn)之间的对应关系，将形成TIN_DDM上缓冲面剖分单元的球心采样点存于点集Ω1中，将形成TIN_DDM下缓冲面剖分单元的的球心采样点存于点集Ω2中；
步骤五、依次选取点集Ω1中的球心采样点P'j，j为所选取球心采样点在点集Ω1中的位置数， j＝1,2,3...，按照步骤(4)所确定的对应关系找出球心采样点P'j所形成的上缓冲面剖分单元范围内的任意一个格网节点(xm,yn)，以该网格节点向外搜索由球心采样点P'j所形成的上缓冲面剖分单元的边界网格节点，按照逆时针顺序在TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'中依次存储边界网格节点所对应的球心采样点；
步骤六、依据所确定的TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'，依次提取球心采样点P'j及其邻近上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P'jk，k为邻近上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点逆时针存储的位置数，若任意相邻的两个上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P'jk和P'jk+1的z坐标值均大于P'j的z坐标值，则可判定球心采样点P'j为非山脊点，将其属性值设置为0，若否，则球心采样点P'j为山脊点，将其属性值设置为1；
步骤七、依据所确定的TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'，对属性值为1的球心采样点进行连线，若所连山脊线内的球心采样点点数小于3，则令该线内的球心采样点的属性值赋值为0，最终所连线为山脊线；
步骤八、山谷线提取同理参照步骤五至步骤七即可。
对于所述步骤二中，格网节点计算公式为：
式中，Xmin和Ymin分别表示TIN_DDM中各模型点x坐标和y坐标的最小值。
对于所述步骤三中，各等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上所形成交点的z坐标值的求解公式为：
式中，z'为各点等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上所形成的上侧交点的z坐标值， z”为各点等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上形成的下侧交点的z坐标值，r为滚动球半径，(x,y,z)为其余各采样点的坐标值。
对于所述步骤五中，对于以任意网格节点向外搜索缓冲面剖分单元的边界网格节点，可以所选网格节点为中心，逐行(列)向两侧搜索各行(列)两端的边界网格节点，最后的TIN_DDM缓冲面剖分单元邻近关系数据链的数据结构如图3所示(以上缓冲面为例)：图中，P'0～P'j为点集Ω1中的球心采样点，Q0～Qj分别为各采样点的属性值，k0～kj为各个采样点对应的缓冲面剖分单元周围邻近缓冲面剖分单元的个数，表示各个邻近缓冲面剖分单元所对应的球心采样点。
对于所述步骤八中，对于步骤(5)，依次选取点集Ω2中的球心采样点P”j，j为所选取球心采样点在点集Ω2中的位置数，j＝1,2,3...，按照步骤(4)所确定的对应关系找出球心采样点P”j所形成的下缓冲面剖分单元范围内的任意一个格网节点(xm,yn)，以该网格节点向外搜索由球心采样点P”j所形成的下缓冲面剖分单元的边界网格节点，按照逆时针顺序在 TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链T”中依次存储边界网格节点所对应的球心采样点；对于步骤六，需依据所确定的TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链T”，依次提取球心采样点P”j及其邻近下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P”jk，k为邻近下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点逆时针存储的位置数，若任意相邻的两个下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P”jk和P”jk+1的z坐标值均大于P”j的z坐标值，则可判定球心采样点P”j为非山谷点，将其属性值设置为0，若否，则球心采样点P”j为山谷点，将其属性值设置为-1；对于步骤七，需依据所确定的TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链 T”，对属性值为-1的球心采样点进行连线，若所连山谷线内的球心采样点点数小于3，则令该线内的球心采样点的属性值设置为0，最终所连线为山谷线。
本发明的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，以滚动球半径作为地形尺度特征识别的控制变量，提取不同地形尺度下的TIN_DDM地形特征线，给出符合真实地形的、明确的关联信息。
附图说明
图1是基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法流程示意图。
图2是TIN_DDM缓冲面剖分单元邻近关系格网划分示意图。
图3是TIN_DDM缓冲面剖分单元邻近关系数据链数据结构示意图。
图4是山脊点判定示意图。
具体实施方式
本发明的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，采用双向滚动球变换技术，以滚动球半径作为地形尺度特征的控制变量，首先，对各个采样点构建等距离球面；其次，对由各个等距离球面相交所形成的TIN_DDM矢量缓冲面按照规定的格网间距进行栅格化表达，确定出TIN_DDM剖分单元及其邻近关系；然后，将各个TIN_DDM缓冲面剖分单元及其邻近剖分单元对应的地形点所组成的范围看作一个局部范围，利用地形特征点局部极值的特性，对地形特征点进行识别；最后，根据TIN_DDM缓冲面剖分单元范围的邻近关系，对地形特征点进行连线整理，最终实现了TIN_DDM地形特征线的提取。该方法流程如图1所示，其具体步骤如下：
步骤一、设定滚动球半径r并对各个水深采样点构建半径为r的等距离球面；
步骤二、计算TIN_DDM中各采样点XOY平面内的最小间距dmin，以dmin作为格网间距并确定TIN_DDM在XOY平面内的各格网节点坐标(xm,yn)，m、n分别为格网的行列号，格网节点计算公式为：
式中，Xmin和Ymin分别表示TIN_DDM中各模型点x坐标和y坐标的最小值；
步骤三、依次选取TIN_DDM中采样点Pi，i为所选取采样点的位置数，i＝1,2,3...，分别确定在各格网节点(xm,yn)的z轴方向上形成极值的等距离球面及该等距离球面所对应的球心采样点，其中各等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上所形成交点的z坐标值的求解公式为：
式中，z'为各点等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上所形成的上侧交点的z坐标值， z”为各点等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上形成的下侧交点的z坐标值，r为滚动球半径，(x,y,z)为其余各采样点的坐标值；
步骤四、统计各个TIN_DDM上(下)缓冲面剖分单元范围内的格网节点(xm,yn)，并建立形成TIN_DDM上(下)缓冲面剖分单元的球心采样点与上(下)缓冲面剖分单元范围内的各格网节点(xm,yn)之间的对应关系，将形成TIN_DDM上缓冲面剖分单元的球心采样点存于点集Ω1中，将形成TIN_DDM下缓冲面剖分单元的的球心采样点存于点集Ω2中；
步骤五、依次选取点集Ω1中的球心采样点P'j，j为所选取球心采样点在点集Ω1中的位置数，j＝1,2,3...，按照步骤(4)所确定的对应关系找出球心采样点P'j所形成的上缓冲面剖分单元范围内的任意一个格网节点(xm,yn)。如图2所示，红色球面表示TIN_DDM矢量缓冲面上的一个剖分单元，以其为研究对象，浅墨绿色实线的交叉点为网格节点，以红色TIN_DDM矢量缓冲面剖分单元内的任意一个网格节点(xm,yn)为中心，逐行(列)向两侧搜索各行(列)两端的边界网格节点，确定出由球心采样点P'j所形成的TIN_DDM上缓冲面剖分单元的边界网格节点，即图2中的红色节点，判断各个红色节点所对应的TIN_DDM 上缓冲面剖分单元及其对应球心采样点，按照逆时针顺序在TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'中依次存储边界网格节点所对应的球心采样点，TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'的数据结构如图3所示；
步骤六、如图4所示，依据所确定的TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'，依次提取球心采样点P'j及其邻近上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P'jk，k为邻近上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点的位置数，根据地形特征点局部极值的特性，若任意相邻的两个缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P'jk和P'jk+1的z坐标值均大于P'j的z坐标值，则可判定球心采样点P'j为非山脊点，将其属性值赋值为0，若否，则球心采样点P'j为山脊点，将其属性值赋值为1；
步骤七、依据所确定的TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'，对属性值为1的球心采样点进行连线，若所连山脊线内的滚动球球心点数小于3，则令该线内的滚动球球心采样点的属性值赋值为0，最终所连线为山脊线；
步骤八、山谷线提取只需参照步骤(5)到步骤(7)即可。其中，对于步骤(5)，依次选取点集Ω2中的球心采样点P”j，j为所选取球心采样点在点集Ω2中的位置数， j＝1,2,3...，按照步骤(4)所确定的对应关系找出球心采样点P”j所形成的下缓冲面剖分单元范围内的任意一个格网节点(xm,yn)，以该网格节点向外搜索由球心采样点P”j所形成的下缓冲面剖分单元的边界网格节点，按照逆时针顺序在TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链T”中依次存储边界网格节点所对应的球心采样点；对于步骤六，需依据所确定的 TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链T”，依次提取球心采样点P”j及其邻近下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P”jk，k为邻近下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点逆时针存储的位置数，若任意相邻的两个下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P”jk和P”jk+1的 z坐标值均大于P”j的z坐标值，则可判定球心采样点P”j为非山谷点，将其属性值设置为0，若否，则球心采样点P”j为山谷点，将其属性值设置为-1；对于步骤七，需依据所确定的 TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链T”，对属性值为-1的球心采样点进行连线，若所连山谷线内的球心采样点点数小于3，则令该线内的球心采样点的属性值设置为0，最终所连线为山谷线。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、设定滚动球半径r并对各个水深采样点构建半径为r的等距离球面；
步骤二、计算TIN_DDM中各采样点XOY平面内的最小间距(dmin)，以最小间距(dmin)作为格网间距并确定TIN_DDM在XOY平面内的各格网节点坐标(xm,yn)，m、n分别为格网的行列号；
步骤三、依次选取TIN_DDM中采样点(Pi)，i为所选取采样点的位置数，i＝1,2,3...，分别确定在各格网节点(xm,yn)的z轴方向上形成极值的等距离球面及该等距离球面所对应的球心采样点；
步骤四、统计各个TIN_DDM上或下缓冲面剖分单元范围内的格网节点(xm,yn)，并建立形成TIN_DDM上或下缓冲面剖分单元的球心采样点与上或下缓冲面剖分单元范围内的各格网节点(xm,yn)之间的对应关系，将形成TIN_DDM上缓冲面剖分单元的球心采样点存于点集Ω1中，将形成TIN_DDM下缓冲面剖分单元的的球心采样点存于点集Ω2中；
步骤五、依次选取点集Ω1中的球心采样点P'j，j为所选取球心采样点在点集Ω1中的位置数，j＝1,2,3...，按照步骤(4)所确定的对应关系找出球心采样点P'j所形成的上缓冲面剖分单元范围内的任意一个格网节点(xm,yn)，以该网格节点向外搜索由球心采样点P'j所形成的上缓冲面剖分单元的边界网格节点，按照逆时针顺序在TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'中依次存储边界网格节点所对应的球心采样点；
步骤六、依据所确定的TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'，依次提取球心采样点P'j及其邻近上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P'jk，k为邻近上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点逆时针存储的位置数，若任意相邻的两个上缓冲面剖分单元所对应的球心采样点P'jk和P'jk+1的z坐标值均大于P'j的z坐标值，则可判定球心采样点P'j为非山脊点，将其属性值设置为0，若否，则球心采样点P'j为山脊点，将其属性值设置为1；
步骤七、依据所确定的TIN_DDM上缓冲面剖分单元邻近关系数据链T'，对属性值为1的球心采样点进行连线，若所连山脊线内的球心采样点点数小于3，则令该线内的球心采样点的属性值赋值为0，最终所连线为山脊线；
步骤八、山谷线提取同理参照步骤五至步骤七即可。
2.根据权利要求1所述的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：所述步骤二中，以TIN_DDM中各采样点之间的最小水平间距(dmin)作为格网间距。
3.根据权利要求1所述的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：所述步骤二中，格网节点计算公式为：
式中，Xmin和Ymin分别表示TIN_DDM中各模型点x坐标和y坐标的最小值。
4.根据权利要求1所述的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：所述步骤三中各等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上所形成交点的z坐标值的求解公式为：
式中，z'为各点等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上所形成的上侧交点的z坐标值，z”为各点等距离球面在格网节点(xm,yn)的z轴方向上形成的下侧交点的z坐标值，r为滚动球半径，(x,y,z)为其余各采样点的坐标值。
5.根据权利要求1所述的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：所述步骤五中，对于以任意网格节点向外搜索缓冲面剖分单元的边界网格节点，选网格节点为中心，逐行或列向两侧搜索各行或列两端的边界网格节点。
6.根据权利要求1所述的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：所述步骤五中，TIN_DDM缓冲面剖分单元邻近关系数据链的数据结构如图3所示：图中P'0～P'j为点集Ω1中的球心采样点，Q0～Qj分别为各采样点的属性值，k0～kj为各个采样点对应的缓冲面剖分单元周围的邻近缓冲面剖分单元的个数，表示各个邻近缓冲面剖分单元所对应的球心采样点。
7.根据权利要求1所述的基于双向滚动球变换的TIN_DDM地形特征线提取方法，其特征在于：所述步骤八中，对于步骤(5)，依次选取点集(Ω2)中的球心采样点P”j，j为所选取球心采样点在点集Ω2中的位置数，j＝1,2,3...，按照步骤(4)所确定的对应关系找出球心采样点P”j所形成的下缓冲面剖分单元范围内的任意一个格网节点(xm,yn)，以该网格节点向外搜索由球心采样点P”j所形成的下缓冲面剖分单元的边界网格节点，按照逆时针顺序在TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链(T”)中依次存储边界网格节点所对应的球心采样点；对于步骤六，需依据所确定的TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链(T”)，依次提取球心采样点(P”j)及其邻近下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点(P”jk)，k为邻近下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点逆时针存储的位置数，若任意相邻的两个下缓冲面剖分单元所对应的球心采样点(P”jk)和(P”jk+1)的z坐标值均大于(P”j)的z坐标值，则可判定球心采样点(P”j)为非山谷点，将其属性值设置为0，若否，则球心采样点(P”j)为山谷点，将其属性值设置为-1；对于步骤七，需依据所确定的TIN_DDM下缓冲面剖分单元邻近关系数据链(T”)，对属性值为-1的球心采样点进行连线，若所连山谷线内的球心采样点点数小于3，则令该线内的球心采样点的属性值设置为0，最终所连线为山谷线。
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