等高线树构建及高保真DEM构建

研究正负地貌等高线（含未闭合等高线）的空间关系。首先将未闭合等高线分为完全开放等高线和贴边等高线,分别进行自动闭合处理。然后使用多边形叠加分析的方法判断闭合等高线之间的关系,构建等高线树。通过对等高线树结构的遍历,获取格网点高程值的上下界,将上下界输入到高精度曲面建模区域优化控制方法进行约束优化控制模拟,能保证模拟结果的回放等高线与原始等高线的最大距离不超过一个栅格的宽度。最后对高斯合成曲面和扫描矢量化等高线两个实例进行论证。     

高精度曲面建模优化方案研究

目的：为了进一步提高高精度曲面建模（HASM）方法的模拟精度和计算速度,进而拓宽该模型的应用领域。方法：本研究采用新的差分格式计算HASM高斯方程中的一阶偏导数,以HASM预处理共轭梯度算法为例分析了改进的差分格式对HASM的优化效果。结果：数值试验表明：在计算耗时及内存需求不变的情况下,采用新的差分格式的HASM算法可以显著提高单次迭代的模拟精度,同时能够降低关键采样点缺失对模拟结果精度的影响。进一步研究发现,当HASM采用新差分格式与原始差分格式（中心差分）交替迭代时,能够快速降低模拟结果的误差。结论：本文基于HASM模型控制方程的离散差分改进格式,提出了新的HASM模型算法,新算法一方面当达到指定的精度条时能够显著减小计算耗时,另一方面还能降低关键采样点缺失对模拟结果的影响。     

高精度曲面建模方法的系统构建

高精度曲面建模方法（HASM）是一种基于微分几何学曲面理论的曲面建模方法。大量数值实验表明,HASM的模拟精度高于Kriging、IDW、Spline等经典的插值方法,并已成功应用于土壤属性曲面建模、气温要素、DEM构建及生态系统变化趋势等领域。由于目前的HASM程序大多是用Matlab、C++、Fortran等语言开发的,受开发工具的限制,尚没有便于使用的图形界面,阻碍了方法的推广应用。针对这个问题,利用C#语言,在Visual Studio中构建了基于windows窗体的HASM模型系统,并做了一定的数值测试实验,结果表明了该系统的有效性。     

GPU加速的高精度数字地面模型建模方法

以曲面轮为基础发展的高精度曲面建模方法（HASM）可以建立具有高精度的数字高程模型,但使用该方法需要求解偏微分方程离散产生的大规模线性方程组,计算量巨大,严重制约了对大规模数据的模拟应用;而现代GPU技术的发展使GPU越来越广泛地应用于通用计算加速。为了提高HASM方法的模拟速度,把高精度曲面模拟与GPU通用技术相结合,提出了GPU加速的高精度曲面建模方法。把HASM模拟过程中的有限差分离散、离散后的大规模线性系统求解分别使用GPU进行分解,使用共轭梯度（CG）和预处理共轭梯度方法（PCG）将求解任务分解为可以并行处理的独立的多任务,使得计算任务并行化,同时并行运行大规模线程,每个线程执行一个独立的任务,充分利用了现代GPU强大的通用计算能力,并行处理以获得加速。利用并行化加速的高精度曲面建模算法使用英伟达公司的统一计算开发架构（CUDA）编程实现,GPU采用该公司的Quadro 2000。分别应用该算法进行了数值实验和实际项目区数字高程模型（DEM）模拟实验。实验结果表明,充分利用GPU的并行处理能力加速后的HASM方法,在保证达到相同曲面模拟的精度条件下,和传统的CPU方法相比,算法可以获得超过一个数量级的加速。     

由离散点和特征线构建DEM的优化控制方法

基于拉普拉斯方程和优化控制(OC)理论,提出一种构建地形的OC方法.以极小化拉普拉斯方程左端项平方和为目标函数、采样离散点作为等式约束条件、河流线作为不等式约束条件、格网点附近的离散点集的高程范围为上下界约束条件,形成一个标准的OC问题,求解该问题即可获得融合原始数据中隐含信息的数字高程模型(DEM).通过调节OC的参数值,可以获得不同的DEM.实际案例表明,OC方法既能保证地形曲面的整体光滑性,又能保证DEM结果对于原始数据的忠实性,其模拟结果优于约束不规则三角网方法.     

高精度曲面建模优化方案

目的 为了进一步提高高精度曲面建模（HASM）方法的模拟精度和计算速度,进而拓宽该模型的应用领域,提出了新的HASM模型算法。方法 采用新的差分格式计算HASM高斯方程中的一阶偏导数,以HASM预处理共轭梯度算法为例分析改进的差分格式对HASM的优化效果。结果 数值实验表明：在计算耗时及内存需求不变的情况下,采用新的差分格式的HASM算法可以显著提高单次迭代的模拟精度,同时能够降低关键采样点缺失对模拟结果精度的影响。进一步研究发现,当HASM采用新差分格式与原始差分格式（中心差分）交替迭代时,能够快速降低模拟结果的误差。结论 本文算法当达到指定的精度条时能够显著减小计算耗时,同时还能降低关键采样点缺失对模拟结果的影响。     

基于等高线建立的TIN中平坦区域的修正算法

在基于等高线建立的数字高程模型TIN中，由平坦三角形连接成的平坦区域不能真实地反映地表的真实形状，需要进行适当地修正。在不需要地形特征线的情况下，基于分裂内部平坦三角形，提出平坦区域的修正算法。该算法能保证修正了平坦区域后的TIN最大限度地虚拟现实地表的真实形状，并且能提高平坦区域的修正速度，算法的时间复杂度为O(n)。     

一种基于矢量方法的等高线自动标定与检验算法

等高线作为传统地图和现代地理信息系统（GIS）的重要要素，常用来表示各种地形变化的形态，基于自动方法的等高线高程标定和检验是地图自动化输入，数字高程模型（DEM）生成的重要手段。该文在基于光栅图像等高级自动标定研究成果的基础上，提出一种新的基于矢量等高线的高程自动标定与检验算法。该算法的核心是生成一种称为包含树的数据结构，然后利用这种数据结构转换成等高线自由树，从而实现对等高线高程的自动标定和检验。     

利用拓扑关系快速提取鞍部点

从鞍部点的形态特征出发,利用移动窗口法预提取出符合地形结构的鞍部特征点,对DEM（Digital Elevation Model,数字高程模型）数据进行等高距分层以模拟出等高线地图的地貌特性,从而考查特征点与周围区域的拓扑关系,剔除未处于鞍部地区的伪特征点。实验结果表明,算法快速简便,所获取的鞍部点符合地貌认知。     

大幅面地图的快速自动地形晕渲

在提出一个建立三维规则数据场的新算法的基础上,提出了一个可用于大幅度地图的快速实用的地形自动晕渲算法,与传统数据网格化的方法不同,本算法采用了用网格点相邻等高线的高程值插值计算出网格点高程值的新思想,并且提出了相应的网格点相邻等高线的识别方法,该方法充分利用等高线所具有的先验知识,得到的网格点高程值质量很高,另外,该规则数据场的建立方法经改进后,其时间复杂性与数据点数（ｍ）和网格点数（ｎ）成线性关     

利用VTK进行三维肠道重建算法的改进

肠道CT的三维重建是提高肠道疾病诊疗准确性的迫切需要。利用可视化工具包VTK并结合VC++,实现了肠道三维重建。经典三维重建Marching Cubes（简称MC）算法会产生二义性,针对常用的渐近线法消除二义性计算量大的问题,提出了一种改进的MC算法：采用线性插值法求出二义性面与等值面的交点,然后分别连接二义性面对边上的交点形成两条相交直线,最后通过判断直线交点的状态值,来唯一地确定等值线的连接方式,从而快速重建出三维肠道。实验结果表明,利用改进的MC算法比起传统MC算法,在三维重建的质量和效率上都得到了很大的提高。     

一种由轮廓线重建物体表面的方法

针对基于轮廓线拼接重建物体表面所出现的轮廓对应和分叉问题,提出了一种通过体数据转换由轮廓线实现重建物体表面的方法。在分析体数据构造中出现逼近精度问题的前提下,通过提高轮廓线上点的密度,生成精确度较高的体数据。该方法通过对相邻层轮廓线区域的集合运算,只对处于集合运算解中的像素点进行距离函数值的计算。采用MC（Marching Cubes）算法生成等值面,完成物体的表面重建。实验结果表明,该方法能顺利解决基于轮廓线拼接重建物体表面中出现的轮廓对应问题和分叉问题,既提高重建表面精确度,又加快整个表面的重建速度,是一种可行的方法。     

等高线形状变化规律的研究

为了准确地从地图上获取地形高程信息,在对等高线形状的变化规律进行深入研究的基础上,首先从理论上论述了等高线形状变化的相似性规律;然后根据该规律研究出了描述等高线相似性传递的2维整体内插模型;最后利用该模型分析了现有的图形内插算法,并提出了基于物理场概念的等高线相似性传递模型.为了验证该模型的应用效果,分别对一模拟数据和一实际等高线数据进行了实验,实验结果表明基于物理场概念的等高线相似性传递模型不受初始等高线形状限制,在初始等高线光滑性较差时也能够有效地获取描述3维地形高程起伏变化规律的等高线信息.     

全局和局部拟合的活动轮廓模型

在现有的活动轮廓模型中,PC模型和RSF模型是两个著名的基于区域的模型。PC模型对活动轮廓的初始化和噪声不敏感,但不能分割灰度不均一图像。RSF模型能够分割灰度不均一图像,但对活动轮廓的初始化和噪声较为敏感。基于PC和RSF模型,提出一个以偏微分方程形式表达的基于区域的活动轮廓模型。实验表明该模型能够分割灰度不均一图像,对初始轮廓的大小和位置不敏感,抗噪性也较强。     

基于扫描激光测距数据的建筑物三维重建

建筑物的三维信息是重要的基础地理信息,可以应用于城市的规划、管理等方面,而机载激光扫描测距系统在城市建筑物的三维重建方面具有重要的应用价值。针对我国自行研制的机载激光扫描测距数据提出了一套利用稀疏激光测距数据自动提取建筑物三维信息的方法。首先根据测量的激光距离和相应的姿态、位置信息计算出激光采样点的三维位置,进而可以生成城市的数字表面模型(DSM)和城市的数字地面模型(DTM),依据它们能准确地提取出建筑物的轮廓信息,最后根据建筑物具有规则的形状这个特点来对建筑物的轮廓线进行规则化处理而最终恢复建筑物的三维信息。通过对北京城市北部地区的实际处理,说明了该方法的可行性。     

基于等高线的三角网建模及真实感地形重建

三维地形是自然环境模拟中不可缺少的重要组成部分,具有广泛的应用价值.文中提出了一种基于等高线的三角网建模算法.该算法利用等高线固有的特性及其比邻拓扑关系,将等高线作为特征线并适当增加特征点,改进三角网生长算法,构建带约束条件的狄洛尼三角网.实验采用我国东北某山区的真实等高线数据运用该算法模拟地形.结果表明,该算法具有较高的构网效率,保留了等高线所包含的丰富的地形特征,较好地实现了三维真实感地形重建.     

基于闭合等深线端点法提取河流深泓线方法的研究

利用闭合等深线法提取深泓线时需通过等深线的高程建立等深线树,但由于等深线中存在地形要素的交叉和覆盖及获得等深线高程值时的误差等原因,使得原本闭合的等深线形成了断开、合并、孤立的对象及高程信息的丢失,根据这种对象建立的等深线拓扑关系连接得出的深泓线无法正确反应实际深泓点的拓扑关系。针对存在断开、合并、孤立的等深线时的情况,提出了利用加权邻接矩阵法建立等深线多叉树的方法。实践证明使用此方法保证了利用闭合等深线法提取出的深泓点之间拓扑关系的正确连接。     

Stereo by incremental matching of contours

Contours made of sequences of adjacent edge points are used as primitives in stereo pair matching. Matching contour segments, rather than the traditional epipolar edge points, can greatly reduce possible ambiguity. This is done by reformulating point-matching constraints to apply to contour matching, and by introducing a unique incremental matching scheme. Best-matched contours are paired first, constraining through neighborhood support their neighboring contours. Examples of the proposed stereo matching scheme are shown, with very few errors, for aerial images of natural terrain     

Contour matching using epipolar geometry

Matching features computed in images is an important process in multiview image analysis. When the motion between two images is large, the matching problem becomes very difficult. In this paper, we propose a contour matching algorithm based on geometric constraints. With the assumption that the contours are obtained from images taken from a moving camera with static scenes, we apply the epipolar constraint between two sets of contours and compute the corresponding points on the contours. From the initial epipolar constraints obtained from corner point matching, candidate contours are selected according to the epipolar geometry, contour end point constraints, and contour distance measures. In order to reduce the possibility of false matches, the number of match points on a contour is also used as a selection measure. The initial epipolar constraint is refined from the matched sets of contours. The algorithm can be applied to a pair or two pairs of images. All of the processes are fully automatic and successfully implemented and tested with various real images