三角网的生成与简化算法

在三维地理信息系统的开发与研究中，要求三角网模型的支持，而高效的三角网生成算法是三角网模型的基础。该文综述各类三角网的生成算法，对以往被人忽视但简明高效的算法－径向扫描算法进行阐释，并对它的实现进行改进；对地形数据的简化及建立地形层次对象模型是实现高效的三维地理信息系统的关键，而三角网的简化是地形数据简化的基石之一，文中提供三种简化三角网的的算法供同行讨论；并在微机上实现上述算法。     

三角网的生成与简化算法

在三维地理信息系统的开发与研究中 ,要求三角网模型的支持 ,而高效的三角网生成算法是三角网模型的基础。该文综述各类三角网的生成算法 ,对以往被人忽视但简明高效的算法———径向扫描算法进行阐释 ,并对它的实现进行改进 ;对地形数据的简化及建立地形层次对象模型是实现高效的三维地理信息系统的关键 ,而三角网的简化是地形数据简化的基石之一 ,文中提供三种简化三角网的算法供同行讨论 ;并在微机上实现上述算法。     

一种基于TIN的DEM表面插值模型

针对目前基于TIN的DEM存在的表面模型单一、表面不光滑、达不到更高的精度等问题,该文利用二元泰勒公式、顶点法向量、插值函数等,提出一种基于TIN的DEM表面插值模型,并利用数学曲面评估模型精度。结果表明,该模型具有较好的光滑效果和精度,扩展了基于TIN的DEM表达方式,为DEM的应用提供了更多的选择。     

二维Delaunay三角网的任意点删除算法研究

针对目前基于影响域多边形剖分的点删除算法缺陷,提出一种二维Delaunay三角网点删除算法。首先利用具有拓扑关系的三角网搜索影响多边形,并以三角形矢量面积为工具三角剖分影响域多边形,最后通过镶嵌优化后的剖分三角网完成点的删除,且满足Delaunay法则。通过测试证明了算法的可靠性和高效性。     

一种快速地形纹理生成和虚拟漫游方法

复杂场景的大范围、高分辨率纹理的快速漫游是虚拟现实、GIS、仿真等领域的关键技术与难点。DEM是对地形地貌的数字描述和模拟,利用DEM数据生成可视化地形,可以更好的描述特定区域的地形特征,通过对特定区域中模型的纹理生成和映射,配合光照、大气等区域内自然场景的建模技术,可生成较为逼真的真实场景。基于OpenGL编程进行DEM地形可视化是实现地形实时漫游的方法之一,利用层次细节模型降低场景复杂度以提高漫游帧速率是该类系统中的常用方法,由于场景复杂度问题,不同的系统在具体算法实现中采用的方法也不尽相同。本文以一个虚拟校园为例,针对DEM数据转换和LOD模型面临的问题,给出了特定场景的LOD模型数据处理思想和纹理快速纹理生成、匹配、映射算法。同时给出虚拟实时漫游中第一人称漫游和飞行漫游的一般方法,讨论了在Windows环境下使用OpenGL进行虚拟漫游的基本步骤。提出了一种新的根据场景特点快速生成和映射纹理途径。结果表明,该方法在保证真实感条件情况下达到了满意的实时漫游效果。     

基于四叉树索引构建TIN的高效合成算法

不规则三角网(TIN)可以逼真的模拟地形表面,因此被广泛应用于地学领域。Delaunay三角剖分算法是构建TIN网的最优算法,该文对传统Delaunay三角网构建算法进行分析,提出了一种针对大规模离散数据点生成TIN的高效合成算法。该算法首先根据离散点的分布位置和密度对其进行四叉树区域划分;然后以每个叶子节点的边界四边形为凸包,采用逐点插入法构建三角网;最后采用顶点合并法自底向上合并具有相同父节点的4个子节点,生成Delaunay三角网。实验结果表明,该算法时间复杂度较低,有效提高了TIN网的构建效率。     

基于SRTM DEM数据的全国地表面积计算研究

对山区表面积的估算方法为准确估算复杂地形条件下的陆地生态系统固碳特征提供了基础条件。投影面积与实际表面积在山区有相当大的差异,这些差异对于估算陆表覆被面积、碳水循环有较大的影响。该文通过地形特征点提取算法和不规则三角网构建算法,以省域为单位提取地形特征点,并在此基础上构建了不规则三角网,求算区域表面积。根据表面积与投影面积的比较,得出以下结论:1)不同分辨率的DEM数据对计算结果是有影响的,分辨率越大,表面积越大;2)在SRTM DEM尺度(90m)下,我国陆地范围的表面积为1 003.36万km2,比投影面积多出约43万km2。     

基于拓扑追踪的不规则三角网裁剪算法

针对地质建模中常见的空间曲线(如断层线、断层多边形、等值线等)提出一种较为通用的空间曲线裁剪三角网算法,并给出合理的空间裁剪曲线定义。利用依附于三角网上的空间曲线,沿着三角网进行拓扑追踪,并沿追踪轨迹进行分离,最终实现三角网的裁剪。该算法对开曲面、闭曲面、复杂地质曲面裁剪效果都很好,算法复杂度低,易于编程,适用于绝大多数的地质曲线对不规则三角网的裁剪。     

基于地形坝体一体化三维场景的水库洪水淹没模拟

提出一种无缝融合地形三角网与坝体虚拟现实模型、构建一体化水库库区三维场景的方法。基于真实连续的下垫面环境进行确定水位的淹没模拟,其中地形部分以迭代实现邻接扩展的淹没算法,坝体部分通过高程比较与体元轴对齐包围盒相交判断确定迎水面受淹形态。通过计算广义三棱柱及其变体的离散水体体积,求得水位对应库容,并构建二分查找判定树,以快速获取接受净入库洪量后的库区洪水淹没结果,并在三维场景中渲染表达。实验结果表明,基于地形坝体一体化三维场景的计算模拟方法,相比传统库容曲线与洪水风险图能够在展现库区洪灾影响范围的同时,兼顾坝体局部的淹没细节。     

基于DEM的地形单元多样性指数及其算法

在阐述地形信息表达研究进展的基础上,提出基于DEM地形单元多样性指数的概念和算法。地形单元多样性指数综合了高程、坡度、坡位、坡向、汇流量和水域信息等要素。其算法集成地形位置指数和地形湿度指数算法,采用图层叠加分析,设定分类、分级指标,进行重分类组合,划分地形单元类型,利用窗口分析法计算地形单元多样性指数。以四川省为试验区,利用精度为100 m的DEM数据和水域分布数据进行模拟计算,地形单元划分为13种典型类型,统计窗口半径设为900 m,计算出的多样性指数值小于0.5的区域仅占总面积的11%,大于0.75的区域达57%,符合实验区地形特征,并对算法进行了可行性分析和验证。结果表明,该算法提取的地形单元多样性指数可以有效反映地表形态的多样性特征及其变化。该研究结果为进一步探讨基于DEM地表形态信息的概念体系,以及从微观到宏观的地形信息空间分析研究创造了条件。     

基于Hash函数的TIN拓扑关系重建

STL模型是CAD、景观造型器等图形处理软件中常用的三角形网络文件格式,该文件由于不带有三角形的拓扑关系,使其不便与GIS中的地形模型(如TIN)进行叠置分析等操作。提出一种基于Hash函数的STL模型的三角形拓扑重建算法,讨论Hash函数设计和评价,给出基于Hash函数的TIN拓扑重建算法和拓扑检查方法,并通过实例对该算法进行验证。     

地形复杂度对坡度坡向的影响

采用三阶不带权差分算法，研究了地形复杂度与坡度坡向的关系，澄清了目前关于坡度坡向误差空间分布的矛盾观点，并分别在凹向椭球和高斯合成曲面数学模型曲面DEM上对其进行验证。通过研究得出：①坡度、坡向误差与坡度值正相关；②坡度坡向误差主要分布在平坦地区；③坡向误差较坡度误差对DEM高程数据误差敏感，较小的DEM误差引起较大的坡向误差。     

Emplacement mechanism of gravity flows inferred from high resolution Lidar data: The 1944 Somma–Vesuvius lava flow (Italy)

A Digital Terrain Model derived from high resolution Lidar data allows the determination of the morphometric and physical parameters of a lava flow erupted from the Somma–Vesuvius volcano in 1944. The downstream variation of morphometric parameters including slope, aspect, relative relief, thickness, width, and cross sectional area is analyzed, and the changes in viscosity, velocity and flow rate are estimated. The aims of the analyses are to recognize different flow surfaces, to reconstruct the flow kinematics, and to obtain information on the mechanism of emplacement. The results indicate that the 1944 lava flow can be divided in three sectors: a near vent sector (NVS) characterized by a toe-like surface, an intermediate sector (IS) with an ‘a’ātype brittle surface, and a distal sector (DS) with a sheet-like ductile surface. Lateral leveés and channels do not occur in NVS, whereas they are well developed in IS. In DS, leveés increase with an increasing distance from the vent. Fold-like surfaces occur in NVS and DS, reflecting local shortening processes due to a decrease in the slope of the substratum and overflows from the main channel. IS and DS emplaced between March 18 and 21, 1944, whereas NVS emplaced on March 19 and partly covered IS. The morphometric and physical parameters indicate that IS moved in a ‘tube’-like regime, whereas DS emplaced in a 'mobile crust' regime. The IS to DS transition is marked by an increase in velocity and the flow rate, and by a decrease in thickness, width, cross sectional area, and viscosity. This transition is due to an abrupt increase in the slope of the substratum. The estimated velocity values are in good agreement with the measurements during the 1944 eruption. The analysis used here may be extended to other lava flows. Some gravity flows (debris/mud flows, floods, and avalanches) have rheological properties and shapes similar to those of lavas, and the same process-form relationships may apply to these flows. The approach used here may be therefore useful for evaluating hazards from various gravity currents.     

运用DEM剖析土地利用类型的分布及时空变化--以北京延庆县为例

以北京延庆县为例，从土地利用类型分布频率的角度，结合地形因子分析区域土地利用类型分布及变化规律。由于坡向影响着日照时数和土壤水分的再分布，而这对农业用地和园地等土地利用类型来说具有研究意义，因此，在前人的综合海拔和坡度两个地形因子的分布指数的基础上，提出坡向分布指数，即分别从海拔、坡度和坡向三个角度，对延庆县1996年和2001年土地利用现状数据进行比较分析，得出其耕地、园地和林地三种土地利用类型的分布及变化规律：耕地主要集中分布于低的地形等级上，园地则趋于高地形等级方向发展，并且阴坡上的分布频率有所增加，林地分布变化不明显。作者认为，人为干扰因素对园地分布格局的变化起到了一定的作用，而对耕地和林地的作用不明显，这为该区未来发展规划提供了参考。     

基于SPIHT小波的DEM自适应压缩方法研究

海量地形数据给其存储、分发和实时渲染带来了极大的挑战,因此迫切需要适合网络环境下地形可视化的数据压缩方法。该文探讨地形复杂度与DEM压缩方法的关系,研究可视化中地形复杂度的计算方法,并提出一种改进的SPIHT小波压缩方法:采用小波分解后的系数对DEM的地形复杂度进行评估,并针对地形复杂度对编码算法进行自适应调节。实验证明,这种改进的SPIHT小波压缩方法采用合适的压缩比进行DEM数据压缩,能够在满足地形可视化需要的同时提高压缩效率。     

基于空间索引的规则格网DTM内插算法研究

从离散点内插规则格网数字地形模型(DTM)方法的关键是如何提高待插点周围数据的搜索效率。该文针对离散点的空间分布特性,给出了基于网格分块和KD-Tree两种空间索引技术的规则格网内插方法。实验表明,这两种索引方法能显著提高搜索速度,算法内插效率较高。最后,在算法效率分析的基础上,对两种索引方法所适应的条件进行了讨论。     

On the application of SAR interferometry to geomorphological studies: estimation of landform attributes and mass movements

This paper presents two examples of application of Synthetic Aperture Radar (SAR) interferometry (InSAR) to typical geomorphological problems. The principles of InSAR are introduced, taking care to clarify the limits and the potential of this technique for geomorphological studies. The application of InSAR to the quantification of landform attributes such as the slope and to the estimation of landform variations is investigated. Two case studies are presented. A first case study focuses on the problem of measuring landform attributes by interferometric SAR data. The interferometric result is compared with the corresponding one obtained by a Digital Elevation Model (DEM). In the second case study, the use of InSAR for the estimation of landform variations caused by a landslide is detailed.     

基于球面DQG的矢量与地形数据无缝集成

现有的全球大规模空间数据可视化系统主要侧重于影像和地形数据的综合表达,针对矢量与地形的集成可视化能力相对较弱。该文以球面退化四叉树格网(Degenerate Quad-tree Grids,DQG)为基础,通过DQG格网的三角化过程构建了地表DEM模型,并提出了从矢量线对象到地形格网表面的映射方法。采用GTOPO30数据集和国界矢量数据进行了相关实验,结果表明:该方法能实现矢量数据与多分辨率DEM的无缝集成,并能有效地避免矢量对象"悬浮"和"入地"等现象。     

Uncertainty modeling and analysis of surface area calculation based on a regular grid digital elevation model (DEM)

In the field of digital terrain analysis (DTA), the principle and method of uncertainty in surface area calculation (SAC) have not been deeply developed and need to be further studied. This paper considers the uncertainty of data sources from the digital elevation model (DEM) and SAC in DTA to perform the following investigations: (a) truncation error (TE) modeling and analysis, (b) modeling and analysis of SAC propagation error (PE) by using Monte-Carlo simulation techniques and spatial autocorrelation error to simulate DEM uncertainty. The simulation experiments show that (a) without the introduction of the DEM error, higher DEM resolution and lower terrain complexity lead to smaller TE and absolute error (AE); (b) with the introduction of the DEM error, the DEM resolution and terrain complexity influence the AE and standard deviation (SD) of the SAC, but the trends by which the two values change may be not consistent; and (c) the spatial distribution of the introduced random error determines the size and degree of the deviation between the calculated result and the true value of the surface area. This study provides insights regarding the principle and method of uncertainty in SACs in geographic information science (GIScience) and provides guidance to quantify SAC uncertainty.