一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法技术

本发明专利技术提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，包括全球空间三维网格剖分与编码、地形数据水平范围映射与坐标转换、地形纵向标识位定位与写入、多分辨率地形网格聚合与修整、地形网格检索。本发明专利技术通过多层级三维空间剖分构成基础网格框架，并在不同层级的网格中存储数字地形数据，利用网格的多尺度特性以及上下级剖分从属关系表达多分辨率数字地形的重采样与地形综合结果；三维网格中使用简单的标识位表达地形关系，网格的纵向位置即为具体高程值；不同层级的网格反映不同分辨率的地形，可以实现多分辨率地形的一体化网格组织；三维网格使用八叉树编码作为唯一标识，同时可使用编码提高地形网格的检索效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法
本专利技术属于地理信息处理
，具体涉及一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法。
技术介绍
地形，也称为“地表形态”或“地貌形态”，是地理异质性的核心要素，也是人类生产生活区域差异性的决定性因素，在城市建设、土地规划、空间分析乃至军事行动中，地形数据都有着广泛的应用。地形可以用高程来描述，也可以用坡度、坡向等信息来描述。随着地理信息系统以及地理信息科学的迅猛发展，传统地理信息逐渐与计算机数据结构对接、融合，形成了一系列通用空间数据类型与数字地图格式，其中数字地形模型(DigitalTerrainModel,DTM)就是数字地图中具有代表性的数据模型，主要包括数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)、数字坡度模型、数字坡向模型等。数字高程的表达模型有数学曲面方程、等高线、规则格网与不规则三角网模型(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)等，这几种模型都可以对地表高程信息进行完整模拟，当前最常用的数字高程数据是以规则格网形式保存的高程值。基于上述地理数据模型，地理信息领域借助计算机技术的发展形成了众多的空间分析应用，地形分析就是其中的典型。根据数字地形数据计算坡度、坡向、坡形、起伏度，从而支撑上层的土地利用与规划、通视计算、军事设施部署等复杂应用。而这些应用对结果精确度、可视效果、计算效率的要求往往复杂多变，单一分辨率的地形数据无法满足用户端的多样化需求，所以有必要生产、组织不同分辨率的地形数据，也就衍生出地形多分辨率集成的概念。地图的按比例综合可以对矢量、栅格数据进行抽稀、简化，以形成分辨率较低的空间对象与影像，地形数据也可以采用类似的方法达到地形综合的效果。地形数据一般由专业的采集设备生成，但在理论上也可由高分辨率的地形进行重采样、抽稀等操作生成较低分辨率的地形。但组织多分辨率的地形数据始终未有一个成熟的解决方案。当前规则格网的地形表达模型本质上是用一个巨大的二维阵列保存每个采样点的高程值，这种方式对组织多分辨率地形数据十分不友好，一是存储分散，多分辨率地形数据需要用多个二维阵列保存，管理代价高；二是组织复杂，同一区域的不同分辨率的地形的对应关系需要单独维护，占据更大的空间且检索不便；三是结构不一致，不同地区的不同分辨率地形对接不连贯，取用接口不统一。地理网格系统又称为地球空间参考网格系统，在数字地球发展中一直起到基础框架性作用。地理网格对地球表面或近地空间进行剖分，形成形状近似、空间密接、尺度连续的多层次网格框架。通常还要对剖分网格进行有序的地理递归编码，形成结构一致、编码唯一、空间定位和地理特征一体的网格标识系统，使得大到地球尺度、小到厘米尺度的网格都有一个唯一的地理编码，网格剖分模型和网格编码方法共同构成了地理网格系统。现有网格标准大多是对地球表面的二维剖分。而三维剖分网格一般作为空间索引结构，加快场、矢量等数据的检索效率，现也可作为空间参考框架，提供空间数据组织的容器。三维网格一般在经度、纬度、高度三个维度上按照一定的间隔对立体空间进行剖分，形成涵盖地球表面及近地空间的网格框架。近年来三维立体网格的研究也取得了一定进展，为解决因地球球体形状引起的高纬度地区格网收缩和尺度变形问题，不同剖分方案提供了各自的修正方法，主要包括球体八叉树格网、Yin-Yang格网、Ballard格网、Cube-Sphere格网、GeoSOT格网等。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，以解决使用二维阵列形式组织多分辨率地形数据复杂度高且结构不统一的技术问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，该方法包括如下步骤：S1、全球空间三维网格剖分与编码对全球表面与近地空间形成的立方体进行八叉树网格剖分，形成覆盖全球的自顶向下的多层级网格框架，每个层级的网格对应固定长度编码，每个网格对应唯一性编码，上一层级较大的网格编码是下一层级剖分出的网格编码的前缀，最终形成一个节点分别为各层级网格的立体八叉树结构，作为空间剖分的框架和后续地形数据的容器；S2、地形数据水平范围映射与坐标转换根据地形源数据的文件头数据获取其覆盖地形的经纬度范围和水平分辨率；在换算到统一量纲的基础上，根据地形源数据的水平分辨率计算其对应的网格剖分层级level_terrain，计算公式如下：对地形经纬度的边界值在网格剖分层级分别进行空间八叉树编码，得到经纬两个方向上地形覆盖的地表网格区间，并采用如下公式计算出该层级的网格尺寸cube_size_terrain；cube_size_terrain＝360/2level_num在原地形数据的二维阵列中，通过空间八叉树编码方法得到地形坐标(x,y)对应网格在经纬水平方向的编码；S3、地形纵向标识位定位与写入从地形源数据中读取当前位置的海拔值进行垂直方向的编码，得到地表位置对应的编码；遍历当前经纬度位置的垂直网格序列，根据与地表的高度关系对网格地形标识位进行赋值，完成当前位置的地形集成；对地形数据覆盖的全部网格区域的网格进行相同操作，完成地形原始分辨率的网格集成；S4、多分辨率地形网格聚合与修整利用空间八叉树网格自有的剖分从属关系，从下级网格集成的地形生成上级网格的地形；网格集成后，对于同一经纬度垂直方向上的网格仅保留海拔最高的地表网格；S5、地形网格检索利用八叉树编码作为网格唯一标识，配合地形标识作为地形检索依据，筛选出指定的分辨率的地表或某一高程范围的网格。进一步地，步骤S1中，八叉树网格剖分的具体剖分过程为：使用墨卡托投影方式将全球360*180度的空间映射为正方形范围，再向上扩展360度形成一个三维立方体空间，基于此立方体进行八叉树迭代剖分，形成以全立方体为根节点、最底层小立方体为叶子节点的八叉树结构，每一层级的立方体的边长为上一层级的一半。进一步地，步骤S1中，各层级网格尺寸cube_size与剖分层级level_num存在如下关系：cube_size＝360/2level_num。进一步地，采用三维Geohash、GeoSOT网格剖分及编码方式替换八叉树网格剖分及编码方式，基本步骤不变。(三)有益效果本专利技术提出一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，包括全球空间三维网格剖分与编码、地形数据水平范围映射与坐标转换、地形纵向标识位定位与写入、多分辨率地形网格聚合与修整、地形网格检索。本专利技术通过多层级三维空间剖分构成基础网格框架，并在不同层级的网格中存储数字地形数据，利用网格的多尺度特性以及上下级剖分从属关系表达多分辨率数字地形的重采样与地形综合结果，形成结构一致、逻辑连贯的地形网格架构；三维网格中使用简单的标识位表达地形的地下、地表、地上关系，网格的纵向位置即为具体高程值；不同层级的网格反映不同分辨率的地形，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/nS1、全球空间三维网格剖分与编码/n对全球表面与近地空间形成的立方体进行八叉树网格剖分，形成覆盖全球的自顶向下的多层级网格框架，每个层级的网格对应固定长度编码，每个网格对应唯一性编码，上一层级较大的网格编码是下一层级剖分出的网格编码的前缀，最终形成一个节点分别为各层级网格的立体八叉树结构，作为空间剖分的框架和后续地形数据的容器；/nS2、地形数据水平范围映射与坐标转换/n根据地形源数据的文件头数据获取其覆盖地形的经纬度范围和水平分辨率；在换算到统一量纲的基础上，根据地形源数据的水平分辨率计算其对应的网格剖分层级level_terrain，计算公式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三维剖分网格的多分辨率数字地形集成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、全球空间三维网格剖分与编码
对全球表面与近地空间形成的立方体进行八叉树网格剖分，形成覆盖全球的自顶向下的多层级网格框架，每个层级的网格对应固定长度编码，每个网格对应唯一性编码，上一层级较大的网格编码是下一层级剖分出的网格编码的前缀，最终形成一个节点分别为各层级网格的立体八叉树结构，作为空间剖分的框架和后续地形数据的容器；
S2、地形数据水平范围映射与坐标转换
根据地形源数据的文件头数据获取其覆盖地形的经纬度范围和水平分辨率；在换算到统一量纲的基础上，根据地形源数据的水平分辨率计算其对应的网格剖分层级level_terrain，计算公式如下：



对地形经纬度的边界值在网格剖分层级分别进行空间八叉树编码，得到经纬两个方向上地形覆盖的地表网格区间，并采用如下公式计算出该层级的网格尺寸cube_size_terrain；
cube_size_terrain＝360/2level_num
在原地形数据的二维阵列中，通过空间八叉树编码方法得到地形坐标(x,y)对应网格在经纬水平方向的编码；
S3、地形纵向标识位定位与写入
从地形源数据中读取当前位置的海拔值进行垂直方向的编码，得到地表位置对应的编码；遍历当前经纬度位置的垂直网格序列，根据与地表的高度关系对网格地形标识位进行赋值，完成...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐新海，郭宁，张帅，徐颖，孙曼晖，杨伟龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院战争研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11