特征约束六面体网格生成的改进栅格法

目前,针对地学对象的非结构化六面体网格生成问题仍未得到很好的解决。为满足相关地学研究对六面体网格的需求,促进地学模拟及传统GIS空间分析的进一步发展,本文对传统栅格法进行扩展,提出了一种面向地学研究的六面体网格生成的改进栅格法。通过提取实体模型表面的几何特征,考虑内部孔、洞约束生成骨干网格,在此基础上构建一套特征约束模板来处理复杂的特征约束,使之既能保持地学研究对象的几何形态特征,又能实现加密区域与非加密区域的平滑过渡,从而满足地学分析与模拟的需求。     

复杂地质体离散化三维网格模型建模方法探讨——以面向FLAC~(3D)软件的建模为例

在地学相关的数值模拟工作中,因地质体的复杂和数值模拟软件的功能制约,使建立地质体的离散化网格模型成为一个难点。文章介绍了综合应用AutoCAD和ANSYS软件建立复杂地质体网格模型的方法,该网格模型用于在FLAC~(3D)软件中进行数值模拟计算。通过建模对比实验和分析认为,多段线具有较好的数据交互能力,面域对不同的线型兼容性好,以造面域的方法闭合岩性单元报错少,基于多段线面域的网格模型能很好地满足复杂地质体的建模需求,基于样条曲线面域的网格模型适用于形态简单的地质体建模。建模软件的综合运用,可建立复杂地质体网格模型,为成矿及工程地质领域的数值模拟提供有力的支持。     

面向地表上、下集成的二维/三维单纯形剖分算法实验

对地上实体、地形表面和地下实体的集成建模是国内外研究的热点。本文以单纯复形理论,提出了一种以约束Delaunay三角网为纽带,用边界表示模型-不规则三角网-四面体格网的集成空间数据模型,对地上实体、地表和地下空间对象进行无缝集成。用边界表示模型表达地面上复杂的对象,用不规则三角网表达地形,用四面体格网表示地质体对象。对传统的逐点插入法构建约束Delaunay三角网算法进行改进,生成约束Delaunay三角网,对地上实体和地表进行集成。其对不同的地层数据分别进行Delaunay三角剖分,构成四面体剖分的上下边界,构建上、下地层之间的侧边界,形成空腔,进而对空腔进行四面体剖分,形成分层表达的地质体对象。同时设计了一个原型系统,对算法进行验证,展示了其实验结果。     

带约束的体元属性插值方法与可视化表达

在地质体体元剖分、属性插值中如何实现属性模型和空间结构模型的一致性,体现地质知识的表达,是一个难点问题。融合边界表示法和角点网格模型,以B Rep表达地质体空间形态,以角点网格模型离散化地质体,建立地质体三维结构模型及其属性模型。充分考虑到地质原理和相关的地质约束条件,对位于断层面两边同一地层插值时,采用“距离环绕法”求点对距离参与插值计算。在地质体建模时引入“等时地层”的概念,纵向上采用分层插值的方式对属于同一等时地层的地质体属性数据进行求值,横向上采用分区域插值的方法,通过提取沉积相边界来添加控制线约束插值,很好地解决了地质体结构模型对地质体属性模型的插值约束问题。将理论与实践相结合,利用福州三维城市地质数据,将基于角点网格的体元模型和三维属性插值算法实际应用到三维城市地质系统的建模中。      

融合点、体素和对象特征的多基元点云分类

单一基元分类方法难以全面描述复杂的点云场景,采用多基元进行分类成为一种趋势,提出了一种融合点、体素和对象特征的点云分类方法。主要包括4个方面：① 分别确定各层面分类基元,点基元方面采用最优邻域方法,体素基元方面基于八叉树方法进行体素划分,对象基元方面使用改进的多要素分割方法进行点云分割;② 提取各基元分类特征,首先提取点基元分类特征并进行局部线性约束编码(Locality-constrained Linear Coding, LLC),然后以此为基础提取体素基元和对象基元的潜在狄利克雷分布特征(Latent Dirichlet Allocation, LDA)和最大池化特征(Max Pooling, MP);③ 降低分类特征维度,利用随机森林变量重要性算法对分类特征进行筛选与降维;④ 进行点云分类,使用随机森林算法实现点云分类。采用3种不同类型的点云数据进行试验,结果表明融合3种基元特征的分类精度相比于点基元分类分别提升了1.43%、7.02%和2.48%,分类特征降维可以有效降低特征冗余度,分类器分类时间减少约70%;通过与其他算法的对比,新算法分类精度更优,且适用于多种场景点云数据的分类。     

基于Qi(xi,yi)函数的约束Delaunay三角剖分算法

利用Qi算法的性质,提出了一种基于Qi(xi,yi)函数的约束Delaunay三角剖分算法。经过比较分析,本文提出的算法降低了时间复杂度,提高了执行效率。     

结合离散网格曲率和克里金的空间插值方法研究

提出了一种结合离散网格曲率和克里金的空间插值方法,根据钻孔点数据构建初始Delaunay三角网,迭代计算三角网格点的高斯曲率,根据曲率的大小动态选择待插值点的位置,新点的高程值用克里金插值生成,完成三角网插值。在三维地质建模中实践证明,本方法在保证插值点精度的情况下,提升了曲面模型的光滑性,以较少的三角面片准确表达曲面模型的特征信息。     

多值体素连通区域构建下的机载LIDAR数据三维平面提取

针对现有的面向机载LIDAR数据的三维平面提取算法存在的基于离散激光点设计导致算法设计困难、仅利用几何特征的一致性导致的在平面平滑过渡区域易产生错误提取的问题,本文提出了一种多值体素连通区域构建下的机载LIDAR三维平面提取方法。该算法基于体素结构设计且综合利用了机载LIDAR数据的几何、激光反射强度信息,将传统的平面特征点聚类转换为基于体素的连通区域构建及空间约束下的反射强度值统计,给出了机载LIDAR点云数据的多值体素结构构建方案及其在此基础上的平面提取方案,有助于基于多值体素模型理论的机载LIDAR点云数据处理及应用的发展。算法具体实现过程为：① 将机载LIDAR点云数据规则化为多值体素结构,其中,体素值为体素内激光点的平均激光反射强度、曲率及法向量;② 在体素结构DSM数据中,选取小曲率体素作为种子,并标记与其空间连通且法向及激光反射强度均一致的连通区域为平面;③ 在体素结构非DSM数据中,将位于连通区域轮廓缓冲区内的激光反射强度满足统计特性的体素标记为平面。本文采用ISPRS提供的机载LIDAR实测数据测试提出算法的精度。定量评价的结果表明本文提出方法的质量和Kappa系数分别可达92.5%和89.4%,与传统仅采用几何特征的区域生长算法相比质量及Kappa系数分别提高了9.68%和11.62%。     

机载LiDAR点云密度和插值方法对DEM及地表粗糙度精度影响分析

机载LiDAR点云是获取高质量数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)的主要数据源,而地表粗糙度作为DEM的主要派生产品,在地学研究中发挥了重要作用,但点云密度和插值方法对DEM及地表粗糙度精度影响程度并没有明确结论。为此,本文利用不同地形条件下的林区机载LiDAR点云为实验对象,将原始点云随机缩减为不同的采样密度,利用5种常用插值方法(克里金(Ordinary Kriging, OK),径向基函数(Radial Basis Function, RBF),不规则三角网(Triangulated Irregular Network, TIN),自然邻域(Natural Neighbor, NN)和反距离加权(Inverse Distance Weighting, IDW))构建各个测区不同采样密度条件下的DEM,并通过空间特征和统计特征两方面对DEM及其地表粗糙度精度分析。结果表明:(1) DEM插值算法的精度随点云密度缩减而降低,且数据量缩减至原始数据量的30%后,不同算法精度区别较为明显,其中,RBF和OK精度最优,IDW精度最低;(2) DEM误差与...     

多特征结合的倾斜无人机影像匹配方法

针对无人机倾斜影像存在匹配困难问题,提出融合多种特征优势的无人机影像匹配算法。首先,提取MSER(Maximally Stable Extremal Regions)局部特征稳定区域,并用SIFT(Scale Invariant Feature Transform)描述子对特征进行描述;其次,利用K-D树的搜索策略进行特征点的快速检索,采用NND算法获取初始的粗匹配点对,根据结果计算影像间的仿射变换关系;最后,对SIFT特征点进行约束NCC匹配,利用RANSAC算法剔除外点,完成最终的影像匹配。实验结果表明,该算法对存在较大倾斜角度的无人机影像效果较好,在匹配正确率和仿射不变性两方面都优于SIFT算法。     

基于车载激光扫描的带状地物表面快速重建

根据带状地物空间形态特征以及车载激光扫描系统对带状地物数据采集的特点,提出对相邻两条扫描线数据构建三角网进而完成整个带状地物表面快速重建方法。该方法充分利用了每条扫描线获取带状地物横截面的特点,相邻两条扫描线构建的三角网能准确地反映其所覆盖的狭长条带区域的形态结构,把所有狭长条带连接起来便能准确地描述整个带状地物的形态结构。在网格构建过程中自动建立点、线、面间的拓扑关系或隐含拓扑关系,查询和动态更新操作都限制在非常狭小的范围内,便于快速重建。     

面向GTP的三维地质模型空间剖切方法与应用

广义三棱柱（GTP）是近年来提出并被广泛应用于三维地质建模领域的一种较为成熟的空间数据模型,可满足大多数地质钻孔数据的三维地质建模的要求。然而,现有针对GTP模型的三维空间剖切分析方法,仍无法适用于偏斜钻孔数据所建三维地质模型高效多次任意剖切、不能支持较为复杂的地质模型空间分析的问题。本文通过对GTP剖切算法改进研究,提出了采用动态四面体剖分法减小数据冗余;鉴于GTP形态较为复杂,可对剖切后保留多面体进行拓扑关系的重组,解决任意多次剖切问题;将多次“面-体”形式的单剖切运算组合为一次“体-体”形式的复合剖切运算的方法,可高效实现对三维地质模型空间分析。本文着重面向GTP体元的多重任意切剖平面的剖切问题,在分析了GTP体元特征的基础上,弥补了三维地质建模领域中对GTP体元任意、多重剖切方法研究的不足。应用实例表明,上述改进算法可以提高GTP剖切计算速度,并能够快速实现巷道掘进模拟,以及空间开挖模拟等复杂的空间分析功能。     

基于CityGML的明清古建筑三维语义模型扩展及转换研究

针对现有的大量古建筑三维模型缺乏语义信息,不利于精细化和智能化管理等问题,对城市地理标记语言（City Geography Markup Language, CityGML）定义的建筑物模型进行了语义扩展,提出了一种从古建筑几何模型自动识别语义对象并转化为CityGML扩展模型的方法。首先,总结我国明清古建筑构件的共有特征,并使用CityGML的应用领域扩展机制增加斗拱、梁、柱、台基等古建筑通用对象的几何和语义表达。其次,利用古建筑Mesh模型各面片的法向量、坐标范围等特征和自定义规则提出了一套古建筑屋顶、墙面、立柱、门窗等语义对象自动识别方法。最后,依据CityGML扩展模型设计规范,从识别对象自动构建出几何语义一体化表达的古建筑三维模型。采用2个不同风格的古建筑模型进行语义对象提取和CityGML模型生成实验,使用本文提出的Mesh模型到CityGML LoD3扩展语义模型转换方法能够自动提取屋顶、墙面、台基等9类语义对象,每个Mesh模型能转换并生成400多个包含语义信息的平面多边形,95%以上的面片能正确识别。结果表明本文设计的CityGML扩展模型能够有效支持古建筑模型典型构件的显式语义表达,并且识别规则和转换方法能够支持Mesh模型大多数平面对象的提取,有利于CityGML模型的自动化生成和精细化管理。     

结合网状描述符和单应约束的近景影像直线匹配

针对现有立体影像直线匹配方法中的线描述子只依赖局部灰度特征导致可靠性较弱的问题,本文提出了一种结合网状描述符和单应约束的直线匹配方法。① 利用线特征检测算法（Line Segment Detector, LSD）提取参考影像及搜索影像中的直线段;② 根据角度约束和核线约束确定候选直线,缩小直线搜索范围,并计算参考直线与候选直线的重叠部分以确保端点一致;③ 利用直线段固定邻域内的同名点对构建网状描述符,选择3组不同的同名点对分别计算直线相似值,取其中最大值作为直线段的最终相似度从而确定同名直线对;④ 将未搜索到同名点对的直线段利用单应性矩阵映射至搜索影像,并根据3个判别准则得到最终的匹配结果。为了验证算法的有效性及鲁棒性,本文选取国际公开的标准测试数据集中5组近景影像进行实验,并与现有3种具有代表性的算法进行对比。结果显示本文算法的准确度及有效性均优于对比的3种算法,在匹配准确率与运行效率上最高有16.1%与49倍的提升,对于不同条件下的影像均能取得良好的直线匹配结果。     

基于可靠匹配点约束的遥感影像密集匹配

针对现有由稀到密的加密匹配算法中,初始匹配点可靠性低将导致迭代匹配拓展过程存在较多误匹配的问题,提出一种基于可靠匹配点约束的遥感影像密集匹配算法。首先,利用SIFT匹配点约束直线匹配获得的同名直线构建虚拟匹配点集,结合虚拟匹配点集和SIFT匹配点集建立初始匹配点集;然后,依次采用局部影像信息和局部几何约束对初始匹配点集进行检核剔除错误匹配,主要体现在利用指纹信息和梯度信息构建匹配点局部区域约束剔除较为明显的误匹配点,利用匹配三角网构建局部几何约束剔除由相似纹理产生的误匹配点,得到优化后的可靠匹配点;最后,基于可靠匹配点构建的Delaunay三角网,以三角形重心为加密匹配基元,结合核线约束和仿射变换对其进行迭代匹配拓展,得到最终匹配点集。选取4组资源三号卫星前视数据和后视数据进行实验,结果表明：利用局部纹理特征和局部几何双重约束模型可有效剔除误匹配点得到可靠匹配点,通过可靠匹配点进行迭代匹配拓展得到的密集匹配结果相较于对比算法具有更高匹配精度,在4组数据上其平均匹配精度为95%,具有较好的匹配稳定性。     

一种新的轮廓线三维地质表面重建方法

在三维地质建模中,由于地质剖面与医学CT有本质上的相似性,因此,轮廓线的三维表面重建技术有广泛的应用。目前,较为成熟的算法并没有考虑地质数据的特殊性,由于地质体形态复杂多变,地质剖面稀疏、数据来源多样等特点,将普适的算法应用到地质建模中,只是解决了重建曲面的合理性,并没有关注曲面的几何质量,导致曲面无法达到地质建模对于模型质量的要求。本文针对地质数据的特点,提出了一种新的轮廓线表面重构方法。在不改变轮廓线连接的合理性与正确性的情况下,通过生成过渡剖面轮廓线,克服传统方法生成曲面过于粗糙的缺点,以提高建模质量。在Creatar三维地质基础平台上,对多种情况的剖面数据实验结果表明,在数据稀疏的情况下达到了良好的建模效果。该方法的扩展模型满足了地质剖面轮廓线建模中复杂地质情况,以及交叉剖面数据的曲面重建,且算法复杂度低,实现简单,有较强的实用性。     

面向D-TIN并行构建的动态条带数据划分方法与实验分析

 数据划分是并行算法设计的重要步骤,其结果的均衡性与高效性是提高并行算法性能的重要前提。对于集聚分布的点集数据,传统的D-TIN(Delaunay Triangulation)并行算法尚未给出划分结果均衡、划分效率高效的理想解决方案。针对上述问题,本文在传统D-TIN并行算法规则条带划分方法的基础上,提出采用动态条带实现针对集聚分布点集数据的均衡、高效划分方法。首先,获取点集的最小外接矩形,并使用规则矩形条带按照同一方向进行点集粗分,然后,按顺序进行相邻条带的合并,必要时需动态调整合并区域边界以达到满足负载均衡的要求。为了提高划分效率,尽量减少边界移动次数,采用了对半移动的规则进行边界的动态调整。为了验证动态条带划分方法的适用性,本文使用人工模拟点集数据,进行加速比测试,使用实验区域真实数据进行D-TIN并行构建效率的统计,实验证明,采用该数据划分方法可以获得更高、更稳定的并行加速比,并且数据分布形态和数据规模对加速比的影响较小,进行D-TIN构建可以获得更好的执行效率,并且加速效果更加明显。     

全六面体有限元网格数据结构及其API技术

针对全六面体有限元网格的特点 ,提出了其数据结构的基本要求。在此基础上 ,采用双向链表的数据结构 ,分析了网格要素总的逻辑关系和引用关系 ,形成了清晰的网格要素关系图。运用C ++,以DLL的形式 ,开发了一套相容的、一致的API系统。实例表明 :该网格数据结构及其API技术的研究与应用为实现实体全六面体有限元网格生成算法起到事半功倍的效果。