河網(wǎng)線(xiàn)要素與DEM綜合的三維Douglas-Peucker算法

竇世卿，趙學(xué)勝，劉成軍，林亞文，趙艷芹

1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083； 2. 黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 3. 北京地林偉業(yè)信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100036； 4. 黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022

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河網(wǎng)線(xiàn)要素與DEM綜合的三維Douglas-Peucker算法

竇世卿1,2，趙學(xué)勝1，劉成軍2，林亞文3，趙艷芹4

1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083； 2. 黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 3. 北京地林偉業(yè)信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100036； 4. 黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022

摘要：目前三維Douglas-Peucker(3D_DP)算法主要應(yīng)用于單一類(lèi)型的DEM綜合。本文引入“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)”來(lái)改進(jìn)3D_DP算法，提出了一種三維空間河網(wǎng)要素與DEM綜合的新方法，即將河網(wǎng)線(xiàn)矢量提取成三維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)集(增加高程屬性)，與DEM三維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)集合并，在河網(wǎng)層次化選取基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的3D_DP算法對(duì)合并數(shù)據(jù)集進(jìn)行綜合操作。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和分析表明，該方法通過(guò)彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)的調(diào)節(jié)使河流自身所具有的彎曲形態(tài)與地形的主要特征得以同時(shí)保留，試驗(yàn)效果良好，實(shí)現(xiàn)了三維空間河網(wǎng)要素與DEM數(shù)據(jù)在同一簡(jiǎn)化因子作用下的綜合，提升了地圖綜合的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)；三維 Douglas-Peucker算法；地圖綜合

Douglas-Peucker(DP)算法是目前最具代表意義的二維線(xiàn)狀要素化簡(jiǎn)算法[1-2]。目前，部分學(xué)者將其從二維推廣至三維，提出了三維Douglas-Peucker算法(3D_DP算法)，并應(yīng)用于DEM的綜合[3-5]；文獻(xiàn)[6]對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)。隨后，3D_DP算法在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如黃土高原的地貌綜合[7]、等高線(xiàn)間接綜合[8-9]、DEM地形特征的提取[10]、規(guī)則格網(wǎng)地形的LOD建模[11]及其海底多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的抽稀[12]等。這些研究證明該算法能夠保持制圖區(qū)域的主要地貌特征，刪除次要地貌，對(duì)隱含在DEM中的地貌結(jié)構(gòu)線(xiàn)并沒(méi)有破壞作用[3]。

河流與地貌在地理成因上存在著天然的耦合關(guān)系[13]，以往針對(duì)河網(wǎng)與DEM數(shù)據(jù)的綜合研究中，兩要素都是分開(kāi)獨(dú)立進(jìn)行的，即河網(wǎng)作為矢量要素是依據(jù)其空間幾何特征，而DEM則是根據(jù)其地形粗糙度，綜合標(biāo)準(zhǔn)的不一致可能會(huì)在分析操作中出現(xiàn)幾何或拓?fù)涿躘14]。本文利用3D_DP算法進(jìn)行河網(wǎng)線(xiàn)要素和DEM的綜合方法研究，使兩要素在同一簡(jiǎn)化因子的作用下進(jìn)行綜合操作。在使用3D_DP算法進(jìn)行兩要素綜合的過(guò)程中，河流在水平方向上自身所具有的彎曲形態(tài)將不能同時(shí)得以保留，尤其在局部平坦地區(qū)表現(xiàn)會(huì)更加突出，可能出現(xiàn)在某一閾值下，具有不同大小彎曲的河流要素點(diǎn)全部被綜合的情況。

為此，本文引入了“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)”來(lái)改進(jìn)3D_DP算法，提出一種三維空間河網(wǎng)要素和DEM綜合的方法。在該方法中，將河網(wǎng)線(xiàn)要素提取成三維離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集(增加高程屬性)與DEM三維離散數(shù)據(jù)點(diǎn)集合并，然后基于改進(jìn)的3D_DP算法進(jìn)行綜合操作，并利用河北保定及周邊地區(qū)的河網(wǎng)數(shù)據(jù)和DEM，對(duì)所提算法及應(yīng)用的正確性和有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和分析。

13D_DP算法原理

3D_DP算法實(shí)現(xiàn)步驟[3](如圖1)為：

(1) 確定原點(diǎn)和首基面：遍歷某指定三維離散點(diǎn)集中的所有離散點(diǎn)并兩兩求矢量積，確定矢量積絕對(duì)值最大的一對(duì)所確定的平面為首基面，并指定此最大矢量積的3個(gè)點(diǎn)分別為原點(diǎn)、初始錨點(diǎn)和初始漂浮點(diǎn)(分別對(duì)應(yīng)圖1中的O點(diǎn)、A點(diǎn)和B點(diǎn))。

(2) 點(diǎn)集有序化：按照空間臨近原則對(duì)無(wú)序的三維離散點(diǎn)進(jìn)行排序處理。即將初始錨點(diǎn)A作為點(diǎn)列首點(diǎn)，然后依次尋找三維距離最近的下一個(gè)新點(diǎn)，最后將初始漂浮點(diǎn)B作為點(diǎn)列的末點(diǎn)，原點(diǎn)O不參與排序。

(3) 特征點(diǎn)的選取：計(jì)算排序的每個(gè)離散點(diǎn)到首基面的點(diǎn)面距，若最大的點(diǎn)面距小于規(guī)定的閾值，則刪除所有的點(diǎn)；若最大的點(diǎn)面距大于規(guī)定的閾值，則將有序點(diǎn)集從該點(diǎn)分為兩段，重復(fù)上述過(guò)程[3]。

圖1　3D_DP算法中的首基面與點(diǎn)面距Fig.1　Initial base plane and point-plane distance of the 3D_DP algorithm

2利用彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)對(duì)3D_DP算法的改進(jìn)

本節(jié)引入“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)”，使其能夠區(qū)別反映出河流自身形態(tài)中的彎曲的大小，并用它來(lái)調(diào)節(jié)3D_DP算法中的點(diǎn)面距，從而得到偽點(diǎn)面距，然后使用偽點(diǎn)面距與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較來(lái)決定河流要素點(diǎn)的取舍，最終實(shí)現(xiàn)河流自身整體形態(tài)與地形主要特征的同時(shí)保留。

2.1河流彎曲大小的判定和比較

彎曲是線(xiàn)狀河流目標(biāo)形態(tài)綜合的基本操作單元，一條河流包含有很多大小不一的彎曲。在計(jì)算機(jī)環(huán)境下，需要對(duì)彎曲做出數(shù)學(xué)化的定義，從而能夠?qū)澢拇笮∵M(jìn)行合理的劃分和識(shí)別[15]。

彎曲判定的方法有多種，本文選用了基于拐點(diǎn)的彎曲定義[16]。彎曲由很多線(xiàn)段組成，而每相鄰的兩線(xiàn)段之間都有一個(gè)轉(zhuǎn)折角，或正或負(fù)，本文規(guī)定逆時(shí)針為“+”，順時(shí)針為“-”，當(dāng)沿著線(xiàn)段前進(jìn)，轉(zhuǎn)折的方向發(fā)生改變時(shí)，轉(zhuǎn)角的正負(fù)性會(huì)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)角發(fā)生改變的這個(gè)點(diǎn)稱(chēng)為曲線(xiàn)的拐點(diǎn)。在拐點(diǎn)處，曲線(xiàn)轉(zhuǎn)角發(fā)生改變其實(shí)就是彎曲發(fā)生改變的地方。如圖2所示，可以判定P2點(diǎn)、P3點(diǎn)為曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)，彎曲在拐點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)向，而P1P2段為逆時(shí)針彎曲，P2P3段則為順時(shí)針彎曲?；诠拯c(diǎn)的彎曲定義具有如下兩個(gè)特性：①正角彎曲和負(fù)角彎曲相間出現(xiàn)；②彎曲是相鄰的，涵蓋了曲線(xiàn)的所有點(diǎn)。

這里借助彎曲的寬度w、彎曲的長(zhǎng)度l、彎曲的面積s、面積系數(shù)e和彎曲度f(wàn)來(lái)描述彎曲所具有的特征：①?gòu)澢膶挾葁，即彎曲的口徑，如圖2中的P2P3直線(xiàn)段；②彎曲的長(zhǎng)度l，P2P3之間弧段的總長(zhǎng)度；③彎曲的面積s，彎曲的長(zhǎng)度l與寬度w所圍的面積；④面積系數(shù)e，e=s/s0，s0為與彎曲周長(zhǎng)等長(zhǎng)的圓面積，e表示彎曲的凹凸程度；⑤彎曲度f(wàn)，彎曲的長(zhǎng)度l與寬度w的比值稱(chēng)為彎曲度，即f=l/w。彎曲度的最小值是1，值越大，說(shuō)明彎曲程度越大。

圖2　基于拐點(diǎn)的彎曲Fig.2　The bending based on the turning point

2.2彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)

為了合理的表示并比較出曲線(xiàn)上每個(gè)彎曲的大小，充分體現(xiàn)彎曲長(zhǎng)度和彎曲面積的大小對(duì)曲線(xiàn)彎曲的影響程度，并讓其具有唯一值，本文使用面積系數(shù)e、彎曲度f(wàn)、彎曲長(zhǎng)度比及彎曲面積比等幾個(gè)要素組合構(gòu)成彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)(bending adjustment index)B，即

(i=1,2，…，n,為彎曲的序號(hào))

(1)

假定dk為3D_DP算法中點(diǎn)Pk到基面的點(diǎn)面距，C為彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)，則具有彎曲的河流點(diǎn)的偽點(diǎn)面距為

Dk=dk×(C×Bi+1)

(2)

本文在綜合時(shí)以基本的彎曲作為保留或刪除的單元，因此同一彎曲上的所有點(diǎn)使用相同的“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)Bi”，這樣可以在綜合后從視覺(jué)上保持河流彎曲的連續(xù)性，并保留彎曲本身的特性不發(fā)生變化。

通過(guò)式(2)可以看出，若想讓彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)不起作用，可以令彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)C取值為0，這時(shí)偽點(diǎn)面距就等于實(shí)際的點(diǎn)面距；C的取值也不能過(guò)大，如果太大，會(huì)使河流點(diǎn)的數(shù)量保留過(guò)多，影響數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化效果。因此，對(duì)于C的取值，需要根據(jù)具體的地貌形態(tài)并通過(guò)試驗(yàn)方可確定。

2.3地形地貌的劃分

采用彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)面距，是為了避免尤其是平坦地區(qū)的河流在與DEM綜合時(shí)被過(guò)度綜合。彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)調(diào)節(jié)程度的大小與地形地貌的類(lèi)別有很大關(guān)系，通常來(lái)說(shuō)，地勢(shì)平坦的地區(qū)，調(diào)節(jié)程度大，而地勢(shì)陡峭的地區(qū)，調(diào)節(jié)程度小，因此，需要進(jìn)行地形地貌類(lèi)型的劃分，以區(qū)分彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)在不同地形類(lèi)別上對(duì)河流段的不同調(diào)節(jié)作用。

我國(guó)地域廣闊，各個(gè)地區(qū)的地形地貌的類(lèi)別劃分有很大不同，本文將試驗(yàn)區(qū)選在了河北省保定地區(qū)及周邊，結(jié)合國(guó)家習(xí)慣上對(duì)平原、山地的劃分標(biāo)準(zhǔn)[17]，對(duì)本文試驗(yàn)區(qū)制定了地形類(lèi)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)表1。針對(duì)各類(lèi)地形狀況通過(guò)試驗(yàn)確定C值的大小。

表1地形地貌類(lèi)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)C值的命名

Tab.1StandardsforthedivisionofgeomorphologyandthecorrespondingCvalue

地形類(lèi)別劃分平原丘陵低山區(qū)高山區(qū)海拔高度/m0～500500～10001000～3000彎曲調(diào)整常數(shù)命名C1C2C3

3河網(wǎng)要素和DEM數(shù)據(jù)綜合算法

關(guān)于河流的綜合，一般情況是先執(zhí)行選取操作，然后再對(duì)保留的河流進(jìn)行化簡(jiǎn)處理。本文也遵循了地圖綜合的這一規(guī)則，并選擇了最具形狀代表意義的樹(shù)狀河流進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1層次化的河網(wǎng)綜合選取

河流的選取是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，目前也有很多經(jīng)典的河流選取方法。文獻(xiàn)[18]以河流長(zhǎng)度為主要標(biāo)準(zhǔn)，輔以河網(wǎng)密度和河流所處層次等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組合，從而進(jìn)行河流的綜合指數(shù)的計(jì)算。本文引用了這一方法，即

綜合指數(shù)=長(zhǎng)度×等級(jí)α×(最大層次-層次+1)β

(3)

式中，河流密度以等級(jí)表示；層次值取決于河系樹(shù)結(jié)構(gòu)，主流所在層次為1，由主流到支流再到次級(jí)支流其層次值逐漸增大；α、β為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。綜合指數(shù)能夠保證長(zhǎng)度大、所處層次高、支流密度大的河流被優(yōu)先選取。本文選取了文獻(xiàn)[18]中試驗(yàn)確定的數(shù)值α=0.3、β=0.7，結(jié)果較為滿(mǎn)意。按照式(3)計(jì)算出每條河流的綜合指數(shù)，并按綜合指數(shù)由大到小的順序?qū)恿鬟M(jìn)行排序，然后根據(jù)需要進(jìn)行河流的合理選取，河網(wǎng)的層次化分級(jí)部分結(jié)果如圖3所示。

圖3　河網(wǎng)層次化選取后各級(jí)效果圖Fig.3　The effect of levels after river network selection

3.2河網(wǎng)要素和DEM的綜合

本文所采用的三維空間河網(wǎng)線(xiàn)要素與DEM綜合算法的基本思想是依據(jù)河網(wǎng)對(duì)地形的高度依附性，將河網(wǎng)數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)均提取為三維離散點(diǎn)數(shù)據(jù)集，合并成同一數(shù)據(jù)集，然后使用改進(jìn)后的3D_DP算法進(jìn)行綜合操作。具體綜合過(guò)程如圖4所示。

河網(wǎng)數(shù)據(jù)通常均為二維矢量數(shù)據(jù)，首先將河網(wǎng)數(shù)據(jù)按照3.1節(jié)所述方法進(jìn)行層次化分級(jí)后，提取為離散點(diǎn)集，然后與DEM數(shù)據(jù)疊加增加其高程屬性，成為三維離散點(diǎn)集。

使用改進(jìn)后的3D_DP算法對(duì)合并數(shù)據(jù)集進(jìn)行綜合時(shí)，其對(duì)DEM點(diǎn)集的綜合能夠直接根據(jù)3D_DP算法的簡(jiǎn)化閾值的大小自動(dòng)保留主要地貌特征，刪除次要地貌。對(duì)河網(wǎng)點(diǎn)集的綜合操作，則有如下說(shuō)明：

(1) 需要加入相應(yīng)的河流綜合規(guī)則，即河網(wǎng)完成層次化選取后，已經(jīng)得以保留的河流不應(yīng)該在綜合時(shí)再由于閾值的偏大等原因而被全部簡(jiǎn)化掉，因此制定以下規(guī)則：①在某一層次進(jìn)行綜合操作時(shí)，所有河系的主流、支流的起點(diǎn)和終點(diǎn)必須保留；②所有主流和支流的交點(diǎn)也必須保留。

(2) 要獲得令人較滿(mǎn)意的河網(wǎng)綜合結(jié)果，需要多次通過(guò)試驗(yàn)效果的對(duì)比來(lái)確定3D_DP算法的簡(jiǎn)化閾值和彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)C的取值。

圖4　河網(wǎng)要素與DEM綜合方法流程圖Fig.4　Flowchart of generalization between rivers network and DEM

合并數(shù)據(jù)集在綜合操作完成以后，按照點(diǎn)集的屬性重新分離為“綜合后河網(wǎng)點(diǎn)集”和“綜合后DEM點(diǎn)集”，然后進(jìn)行河流和DEM的重建。DEM的重建采用Delaunay構(gòu)三角網(wǎng)的方法進(jìn)行，實(shí)際上重構(gòu)三角網(wǎng)的過(guò)程由于在空間拓?fù)潢P(guān)系上與河流并沒(méi)有直接的關(guān)系，若重建時(shí)不加考慮則不可避免的會(huì)出現(xiàn)“河流爬坡”的空間沖突現(xiàn)象，見(jiàn)圖5(a)。因?yàn)楹恿饕话懔鹘?jīng)谷底，可以認(rèn)為是山地隱性的山谷線(xiàn)的一部分，故本文利用綜合后的河流線(xiàn)段作為重構(gòu)三角網(wǎng)的約束邊，采用約束Delaunay構(gòu)三角網(wǎng)的方法[19-20]，使得“河流爬坡”的空間沖突現(xiàn)象得以消除，具體消除情況見(jiàn)圖5(b)。

圖5　采用約束Delaunay構(gòu)三角網(wǎng)法消除空間沖突現(xiàn)象Fig.5　The spatial conflict phenomenon is eliminated by constraint Delaunay method

4試驗(yàn)及分析

4.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理

本研究采用C#編程實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的3D_DP算法、河系樹(shù)的自動(dòng)構(gòu)建、河流綜合指數(shù)的計(jì)算和河網(wǎng)與DEM數(shù)據(jù)的綜合算法等，并使用OpenGL渲染顯示綜合前后的河網(wǎng)與地形效果圖。試驗(yàn)區(qū)域和數(shù)據(jù)選擇了河北省保定地區(qū)及周邊約50 000 km2區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)和同一地區(qū)的河流矢量數(shù)據(jù)。該區(qū)域地勢(shì)由西北向東南傾斜。地貌分山區(qū)和平原兩大類(lèi)。西北部分以山區(qū)為主，東南部分以平原為主，高程分布為8～2893 m；本文對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的微小河流段進(jìn)行了刪除處理，保留了5條完整的樹(shù)狀河系，共有各級(jí)河流131條，如圖6所示。

按照試驗(yàn)要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，可以通過(guò)開(kāi)方根公式確定綜合時(shí)某一層次河流被保留的條數(shù)。將試驗(yàn)區(qū)按照地形地貌分為3類(lèi)：平原、低山區(qū)和高山區(qū)，高程劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

4.2試驗(yàn)研究與分析

針對(duì)本試驗(yàn)區(qū)，根據(jù)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化百分比和試驗(yàn)預(yù)期要求，本文采用3D_DP算法的3個(gè)簡(jiǎn)化閾值200 m、500 m和800 m以及3種地貌分區(qū)的彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)C1、C2、C3分別對(duì)應(yīng)不同的取值進(jìn)行了多次試驗(yàn)和結(jié)果對(duì)比，并選取了彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)在綜合過(guò)程中的調(diào)節(jié)作用發(fā)揮較好的3組進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。限于文章篇幅，本節(jié)選用閾值為800 m，彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)取值C1=2、C2=C3=0.75調(diào)節(jié)的試驗(yàn)效果圖進(jìn)行展示對(duì)比(圖7)。圖中線(xiàn)型表示試驗(yàn)區(qū)部分河流，紅色為河流原始形狀，藍(lán)色為未使用彎曲指數(shù)調(diào)節(jié)的綜合結(jié)果，黑色為使用彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)后的綜合結(jié)果。

圖6　試驗(yàn)區(qū)DEM與河網(wǎng)原圖Fig.6　The original image of rivers and DEM in experimental area

圖7　閾值為800 m時(shí)河網(wǎng)和DEM綜合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.7　Contrast among the simultaneous simplified results of rivers and DEM when the threshold for 800 m

通過(guò)以上對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論:

(1) 本文提出的基于改進(jìn)的3D_DP算法的河網(wǎng)要素與DEM綜合新方法是可行并有效的。該方法中，通過(guò)“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)”的調(diào)節(jié)，河網(wǎng)自身的彎曲形態(tài)與DEM的地形特征得以同時(shí)保留，實(shí)現(xiàn)了三維空間河網(wǎng)要素與DEM在同一簡(jiǎn)化因子作用下的綜合，效果良好。本方法提高了地圖綜合的質(zhì)量，拓寬了3D_DP算法應(yīng)用范圍，為進(jìn)一步擴(kuò)充矢量數(shù)據(jù)要素類(lèi)型與DEM進(jìn)行綜合研究提供了新方法和新思路。

(2) 通過(guò)彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)的調(diào)節(jié)，河流數(shù)據(jù)點(diǎn)的保留點(diǎn)數(shù)會(huì)增加，通過(guò)犧牲一點(diǎn)簡(jiǎn)化率來(lái)提高地圖綜合整體的質(zhì)量是可行的。同時(shí)由于保留的河流數(shù)據(jù)點(diǎn)參與3D_DP算法過(guò)程中的基面選擇，因此DEM數(shù)據(jù)的保留點(diǎn)數(shù)也會(huì)有微小的變化，但對(duì)整體的綜合結(jié)果不會(huì)造成影響。

(3) 彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)C的取值與多方面因素有關(guān)，如3D_DP算法所取簡(jiǎn)化閾值的大小、試驗(yàn)區(qū)的地形地貌類(lèi)別以及地勢(shì)的相對(duì)起伏程度等。因此，對(duì)于具體地區(qū)應(yīng)用時(shí)，需要通過(guò)試驗(yàn)確定其取值。隨著3D_DP算法的簡(jiǎn)化閾值的增大，即數(shù)據(jù)保留率的降低，彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)的調(diào)節(jié)作用就越趨明顯，彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)C的取值也趨于增大；通過(guò)統(tǒng)計(jì)河流點(diǎn)數(shù)在調(diào)節(jié)前后的保留率差值并根據(jù)制圖綜合實(shí)際需要，可以適度調(diào)整彎曲調(diào)節(jié)常數(shù)C的取值。

表2　綜合算法試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5結(jié)論

本文引入“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)”改進(jìn)了傳統(tǒng)3D_DP算法，提出了一種三維空間河網(wǎng)要素和DEM綜合的新方法，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論：①通過(guò)“彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)”的調(diào)節(jié)，使河網(wǎng)自身的彎曲形態(tài)與DEM的地形特征得以同時(shí)保留，初步實(shí)現(xiàn)了兩種要素在同一簡(jiǎn)化因子作用下的同步綜合操作，提高了地圖綜合的質(zhì)量；②應(yīng)用彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)，使河流和DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)的保留點(diǎn)數(shù)會(huì)有少許增加，但對(duì)整體的綜合結(jié)果不會(huì)造成影響；③河網(wǎng)要素和DEM在同一簡(jiǎn)化因子下的漸進(jìn)離散點(diǎn)選取過(guò)程，有利于多要素的多層次動(dòng)態(tài)式綜合，可為他們建立LOD(細(xì)節(jié)層次)模型提供不同精度要求的綜合數(shù)據(jù)。

目前在試驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)正角彎曲和負(fù)角彎曲連續(xù)交替出現(xiàn)形成“復(fù)合彎曲”時(shí)會(huì)出現(xiàn)個(gè)別過(guò)度綜合現(xiàn)象，針對(duì)“復(fù)合彎曲”的嚴(yán)密數(shù)學(xué)定義、表達(dá)及如何進(jìn)一步完善彎曲調(diào)節(jié)指數(shù)，將是下一步研究工作中首先要解決的問(wèn)題。另外，對(duì)于綜合試驗(yàn)結(jié)果好壞的判定只能通過(guò)視覺(jué)觀察確定，存在一定的主觀性，需要發(fā)展嚴(yán)密的數(shù)學(xué)方法和模型對(duì)其進(jìn)行定量的描述和評(píng)價(jià)，且對(duì)空間多種地理要素與DEM之間的綜合算法的研究還有待于進(jìn)一步完善與發(fā)展，如將更為廣泛的其他線(xiàn)狀地物如道路、電力線(xiàn)、行政邊界線(xiàn)等納入到綜合方法的范疇之中，將有助于此算法的進(jìn)一步發(fā)展和多要素?cái)?shù)據(jù)綜合理論的進(jìn)步，這些問(wèn)題將在以后的工作中進(jìn)行更深入的研究和探討。

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(責(zé)任編輯：張艷玲)

修回日期： 2015-12-16

First author： DOU Shiqing(1977—)，female，PhD，associate professor，majors in the generalization and modeling for 3D GIS.

E-mail： 37929972@qq.com

E-mail： zxs@cumtb.edu.cn

The Three Dimensional Douglas-Peucker Algorithm for Generalization between River Network Line Element and DEM

DOU Shiqing1, 2,ZHAO Xuesheng1,LIU Chengjun2,LIN Yawen3,ZHAO Yanqin4

1. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining &Technology (Beijing), Beijing 100083, China； 2. College of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China； 3. Beijing Forestry Information Technology CO., LTD, Beijing 100036, China； 4. College of Computer and Information Engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022, China

Abstract：At present, the three dimensional Douglas-Peucker (3D_DP) algorithm is mainly used on generalization of a single type of DEM. This paper introduces the “bending adjustment index” to improve the 3D_DP algorithm, and puts forward a new method for generalizing river network and DEM in three-dimensional space. In this method, river network line vector data are extracted into 3D discrete point data sets which are added elevation attributes, and then they are merged with the 3D discrete point data sets of DEM. The generalization operations are made by the improved 3D_DP algorithm after the hierarchical selection of river networks. Through the contrast and analysis of the experimental results, the well experiment results have been achieved. Under the role of bending adjustment index, the overall distribution form of the rivers and the main terrain features can be reserved reasonably on the generalization. The river network and DEM data were generalized under the same simplified factor in this method. It improves the quality of the cartography generalization.

Key words：bending adjustment Index； 3D Douglas-Peucker algorithm； cartography generalization

Corresponding author：ZHAO Xuesheng

通信作者：趙學(xué)勝

第一作者簡(jiǎn)介：竇世卿(1977—)，女，博士，副教授，研究方向?yàn)槿SGIS綜合與建模。

收稿日期：2014-11-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41171306)；黑龍江省自然科學(xué)基金(F201436)

中圖分類(lèi)號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)04-0450-08

Foundation support： The National Natural Science Foundation of China (No.41171306 )；Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (No.F201436)

引文格式：竇世卿，趙學(xué)勝，劉成軍,等.河網(wǎng)線(xiàn)要素與DEM綜合的三維Douglas-Peucker算法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(4)：450-457. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20140584.

DOU Shiqing,ZHAO Xuesheng,LIU Chengjun,et al.The Three Dimensional Douglas-Peucker Algorithm for Generalization between River Network Line Element and DEM[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(4):450-457. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20140584.