TIN模型的構(gòu)建方法研究_圖文

1、河海大學(xué)碩士學(xué)位論文TIN模型的構(gòu)建方法研究姓名:茆德柱申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):攝影測(cè)量與遙感指導(dǎo)教師:許捍衛(wèi)20070601 可海大學(xué)碩士論文間位置關(guān)系,進(jìn)而可以獲得新加入點(diǎn)與有向凸殼邊的位置關(guān)系,如下:(2-5(3判斷點(diǎn)是否在凸殼邊的內(nèi)側(cè)在進(jìn)行判斷點(diǎn)與凸殼邊的位置關(guān)系前先要判斷點(diǎn)是否在凸殼邊的內(nèi)側(cè)。如下圖所示:16fPtI q Pt2圖2.8點(diǎn)與線段的關(guān)系.和pf2構(gòu)成直線的斜率:k=(pt2一ptl.y/(pt2一Ij(26I和pt2構(gòu)成直線方程為:Y=kx(x-ptl.x+ptl.y(27若存在垂足Q則點(diǎn)P到Q的直線方程為:Y=(一喲×(x-p1.x+P.Y(28由公式(2.

2、7和公式(2.8聯(lián)解可得到:jQ.x=(k2×ptlx+k×(pYptly+Px/(k2+1(2.9【Q.Y=k×(xptl.x+ptl.Y然后判斷垂足(Q.x,Q.y是否在ptl和pt2構(gòu)成的線段上:If(Min(ptlJ,pt2.xQJMax(ptl.v,pt2.xAndMin(ptl以pt2.ysQ.ysMax(ptl,y,pt2.y兩條件同時(shí)成立,則說(shuō)明垂足(Q.xQ.y點(diǎn)在ptl和pt2構(gòu)成的線段上所側(cè)側(cè)右:左的線的邊共邊勉蛾.觸凸殼凸針凸針時(shí)針時(shí)逆睜逆于逆于好馳好點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)入入入加加加新新新時(shí)時(shí)時(shí)OO<Il>MMM晚巍勛一一一兒兒雎當(dāng)當(dāng)當(dāng) 河海

3、大學(xué)碩論文圖3.1宜溧山地高程點(diǎn)數(shù)據(jù) 圖3.2反距離加權(quán)插值柵格結(jié)果 圖3.3樣條插值柵格結(jié)果第三章地性線的自動(dòng)提取 圖3.4克里金插值柵格結(jié)果 圖3.5自然鄰域插值結(jié)果在上面四幅插值結(jié)果圖中的四種插值方法中樣條插值法容易使地形變化較大不太符合實(shí)際地形情況特別在河流的河岸線附近;自然鄰域插值效果在地形變化較大區(qū)域插值效果也不太理想但插值速度較快。反距離加權(quán)插值法較好且插值速度快,因?yàn)椴捎梅淳嚯x加權(quán)插值法利用測(cè)量點(diǎn)之間的權(quán)重進(jìn)行插值,雖然有時(shí)會(huì)損失一些突變的地形。但就對(duì)于大范圍的地形趨勢(shì)而言,還是有較好的實(shí)際應(yīng)用意義。為了盡量減少突變地形的地形數(shù)據(jù)的損失,我們可以通過(guò)增加測(cè)量的密度。克里金(Kr

4、iging插值法的基本原理與反距離加權(quán)插值法相似,又同時(shí)考慮了采樣點(diǎn)的空間分布以及與待插值點(diǎn)的空間方位關(guān)系。其實(shí)質(zhì)是既考慮測(cè)量點(diǎn)表面的總體趨勢(shì)變化,同時(shí)又考慮測(cè)量表面特征的相關(guān)變化和隨機(jī)變化,是空間自協(xié)方差最佳內(nèi)插法,插值效果最佳。綜觀上述,結(jié)合離散點(diǎn)實(shí)際采樣情況的本文選用克里金插值法將離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值成規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)。 第三章地性線的自動(dòng)提取 圖3.6基于圖像處理提取的地性線(紅線為山脊線,藍(lán)線為山谷線如圖3.6所示,此方法沒(méi)有采用任何主觀閾值進(jìn)行區(qū)別地性線,但這種分類算法分類時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多孤立的點(diǎn)或錯(cuò)誤的特征點(diǎn),難以得到完整的特征線。雖然Band于1986年在這一算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),

5、采用Rosenfeld和Kak的細(xì)化算法將提取出來(lái)的山脊線和山谷線進(jìn)行細(xì)化成一個(gè)柵格的寬度。然后再將已生成的每條地性線的下游點(diǎn)沿著相鄰的最大下降點(diǎn)方向延伸,直到它與已有的山谷線相連接。這樣就形成地形特征線。盡管該算法最后生成的地性線較完整,但是由于在地勢(shì)平緩地區(qū)最大下降點(diǎn)可能是多個(gè),所以可能會(huì)產(chǎn)出與正確的地性線相交的多余的或錯(cuò)誤的地性線。3.2.2基于形態(tài)學(xué)提取基于地形表面幾何形態(tài)學(xué)分析原理的典型算法就是斷面極值法。其基本思想就是地形斷面曲線上高程的極大值點(diǎn)就是山脊點(diǎn)(分水點(diǎn),而高程的極小值點(diǎn)就是山谷點(diǎn)(匯水點(diǎn)。該方法的基本過(guò)程為:(1分別找出IEId柵格數(shù)據(jù)的縱向與橫向的兩個(gè)斷面上的極大、極

6、小值點(diǎn),作為地形特征線上的備選點(diǎn);(2根據(jù)一定的條件或準(zhǔn)則將這些備選點(diǎn)劃歸各自所屬的地形特征線。河海大學(xué)碩士論文 圖3.7基于形態(tài)學(xué)提取(紅線為山脊線,藍(lán)線為山谷線如圖3.7所示,基于形態(tài)學(xué)提取算法存在兩個(gè)主要缺陷:(1由于這種方法對(duì)地形特征線上的點(diǎn)的判別與其所屬的地形特征線的判別是分開(kāi)進(jìn)行的,在確定地形特征線時(shí),全區(qū)域采用一個(gè)相同的曲率閡值作為判別地形特征線上點(diǎn)的條件。因此它忽略了每條地形特征線必然存在的曲率變化現(xiàn)象。當(dāng)閾值選擇較大時(shí),會(huì)丟失許多地形特征線上的點(diǎn),導(dǎo)致后續(xù)跟蹤的地形特征線間斷且較短;如果選擇過(guò)小,會(huì)產(chǎn)生地形特征線上點(diǎn)的誤判,產(chǎn)生多余的噪聲點(diǎn),同時(shí)也給后續(xù)地形特征線的跟蹤帶來(lái)困

7、難,導(dǎo)致地形特征線連接錯(cuò)誤。(2由于該算法只選擇縱、橫兩個(gè)斷面來(lái)去確定高程變化的極值點(diǎn),因此它所確定的地形特征線具有一定的近似性,與實(shí)際的地形特征線有一定的差異,有時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)遺漏。3.2.3基于水文學(xué)提取利用水文學(xué)方法提取地形特征線,首先簡(jiǎn)要解釋幾個(gè)與水文學(xué)相關(guān)的概念:無(wú)洼地DEM:指通過(guò)一定的處理方法對(duì)原始DEM柵格數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充,得到的DEM。DEM的水流方向:指流水離開(kāi)每個(gè)DEM柵格時(shí)的指向。DEM的匯流累計(jì)量:指區(qū)域地形的DEM中每個(gè)柵格的流水累計(jì)量,在地表徑 第三章地性線的自動(dòng)提取 圖3.10基于水文學(xué)提取的地性線(紅線為山脊線,藍(lán)線為山谷線基于水文學(xué)的地性線算法采用了整體追

8、蹤分析的思路,分析結(jié)果具有系統(tǒng)性好,便于進(jìn)行相應(yīng)的徑流成因分析,但是,該方法也存在兩個(gè)明顯的缺陷(如圖3.10所示:(1由于該算法所計(jì)算的匯流累積量與高程有關(guān),計(jì)算的結(jié)果必然是高程值最大值的點(diǎn)匯水量小,高程值小的點(diǎn)匯水量大。因此,可能導(dǎo)致低處非地性線上的點(diǎn)的匯水量也較大而被誤識(shí)別為地性線上的點(diǎn);而位于高處的地性線上的點(diǎn)也會(huì)因?yàn)閰R水量少而被遺漏;這就造成該算法所確定的地性線的效果較差。(2由于該算法將匯水區(qū)域的公共邊界(即匯水量為零值看作分水線,因此它所確定的分水線均為閉合曲線,這與實(shí)際的分水線(山脊線不符。(3平坦區(qū)域,尤其是在水網(wǎng)密織低洼平原地區(qū)的地區(qū)匯水線很難提取,這也會(huì)造成地性線的實(shí)際提

9、取效果較差。3.2.4平面曲率與坡形組合法提取利用平面曲率與坡形組合法方法提取地形特征線,首先簡(jiǎn)要解釋幾個(gè)與提取算法相關(guān)的概念:I町海大學(xué)碩士論文圖3.1l地表單元坡度坡向示意圖(1坡度(slope:指過(guò)地表上一點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角。坡度表示地表面在該點(diǎn)處的傾斜程度,在數(shù)值上等于過(guò)該點(diǎn)的地表微分單元的法量”與z軸的夾角如圖3.1l所示?？?arc文赫當(dāng)具體進(jìn)行坡度提取時(shí),常采用簡(jiǎn)化差分公式:jlop歸arctan廂(3-4(3-5式中t六為X軸方向上的高程變化率;L為Y軸方向上的高程變化率在ARCGIS軟件的基于柵格DEM的坡度提取采用二次曲面擬合法。即在3×3的DEM柵格分析

10、模板中(如圖3.12進(jìn)行,每個(gè)柵格中心為一個(gè)高程值,分析窗口在DEM數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動(dòng)完成整個(gè)區(qū)域的計(jì)算工作常用的計(jì)算f、L的方法是三階反距離平方權(quán),其計(jì)算方法如下:式中,g為柵格的格網(wǎng)間距.(3-6=正 河海大學(xué)碩士論文利用公式(317,可求解出沒(méi)有誤差的DE8的坡向變率。由圖3.4克里金插值結(jié)果通過(guò)計(jì)算得到如圖3.16所示的SOA: 圖3.16DEM的坡肉變化率(SOA3.計(jì)算正負(fù)地形分布區(qū)域?qū)υ糄EM(圖3.5柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格鄰域分析,鄰域模板大小采用11×I1對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行均值分析,則得到一個(gè)鄰域?yàn)?l×I I的矩形的平均值柵格數(shù)據(jù)層,記為占。然后通過(guò)公式(OE

11、M一口,計(jì)算得到原始DEM的正負(fù)地形分布區(qū)域C。需要注意的是:在鄰域分析過(guò)程中,隨著分析模板半徑的變化,分析區(qū)域內(nèi)高程極值的范圍往往也會(huì)發(fā)生變化,這會(huì)影響正負(fù)區(qū)域的提取的效果。故需采用合適的分析模板半徑,使得在宏觀范圍內(nèi)求取的正負(fù)地形能夠較準(zhǔn)確的反映地面的真實(shí)起伏情況咐.如圖3.17所示:第三章地性線的自動(dòng)提取 圖3.17DEM的正負(fù)地形分布區(qū)域4.山脊線的提取根據(jù)地形特性我們可以采用公式shanji=C>O&SOA>80,可提取出山脊線。需要注意的是:在提取的過(guò)程中,為了控制提取的山脊線柵格的寬度可以調(diào)節(jié)坡向變率￥OA的大小。5.山谷線的提取同理根據(jù)地形特性我們可以采用公式shangu;C<0&SOA>80,可提取出山谷線。需要注意的是:在提取的過(guò)程中,為了控制提取的山谷線柵格的寬度可以調(diào)節(jié)坡向變率￥OA的大小。6.地性線柵格數(shù)據(jù)矢量化從柵格數(shù)據(jù)中提取出來(lái)的地性線為柵格數(shù)據(jù)在下章TIN模型構(gòu)建中使用,需要將柵格化數(shù)據(jù)的地性線進(jìn)行矢量化,也就是把地性線轉(zhuǎn)化為Ployline(多義線矢量數(shù)據(jù)格式。其具體步驟為;(1沿柵格數(shù)據(jù)從左到右,從上至下搜索點(diǎn)