本發(fā)明涉及三維建模應(yīng)用，特別是涉及一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、虛擬地形，是在己有空間認(rèn)知知識(shí)的指導(dǎo)下，根據(jù)有限信息刻畫(huà)出的虛構(gòu)地表形態(tài)。虛擬地形廣泛應(yīng)用于游戲和電影的虛擬場(chǎng)景中，是影響虛擬場(chǎng)景觀感和體驗(yàn)的重要因素?？λ固氐孛灿捎谄涞孛勃?dú)特，景觀價(jià)值高，是游戲和電影的虛擬場(chǎng)景中常用的地貌類型。

2、目前，在游戲、影視等虛擬地理場(chǎng)景的構(gòu)建中，主要通過(guò)分形指數(shù)控制虛擬地形的生成。使用分形參數(shù)構(gòu)建出的地形，雖然具有無(wú)限的細(xì)節(jié)，但是空間關(guān)系很難保證，不符合地學(xué)的視覺(jué)空間結(jié)構(gòu)。并且，喀斯特地貌地形較為復(fù)雜，通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)測(cè)方法采集地形數(shù)據(jù)會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力。?因此，需要提出一種能夠快速構(gòu)建真實(shí)度高、滿足地理規(guī)律的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，包括以下步驟：

2、s1、獲取喀斯特地貌的dem數(shù)據(jù)，對(duì)dem進(jìn)行洼地填充、流向計(jì)算以及匯流量計(jì)算，然后選擇流量閾值提取山谷線；

3、s2、使用高程最大值與原始dem相減得到反地形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行洼地填充、流向計(jì)算以及匯流量計(jì)算，然后選擇流量閾值提取山脊線；

4、s3、通過(guò)判斷山脊線和山谷線的交點(diǎn)提取鞍部點(diǎn)；

5、s4、使用最大值鄰域窗口分析法提取研究區(qū)域內(nèi)的山頂點(diǎn)；

6、s5、計(jì)算研究區(qū)內(nèi)dem地形的正、負(fù)開(kāi)度，將兩者相減，基于最佳分割閾值對(duì)差值結(jié)果進(jìn)行分割獲得二值圖像，提取其界線，即為坡腳線；

7、s6、將步驟s1至s5獲取的鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線數(shù)據(jù)重分類為0-1兩個(gè)數(shù)值，即背景值為0，前景值為1；

8、s7、對(duì)dem進(jìn)行歸一化處理，將dem灰度值轉(zhuǎn)化到0~255區(qū)間；

9、s8、將步驟s6中獲得的二值化鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線與上一步驟中獲得的dem進(jìn)行相乘，獲得被賦予了相對(duì)高程特征的三維地形特征要素，即灰度值在0~255區(qū)間內(nèi)的三維鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線；

10、s9、將上一步驟中獲得的三維鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線按照rgb三個(gè)波段進(jìn)行合成，得到研究區(qū)的三維地形特征要素，構(gòu)成三維地形特征訓(xùn)練集；

11、s10、將上一步驟中得到的三維地形特征訓(xùn)練集以及步驟s7中獲得的dem數(shù)據(jù)使用滑動(dòng)窗口進(jìn)行裁切，裁切為256×256大小的圖像；

12、s11、將上一步驟中獲得的三維地形特征要素和對(duì)應(yīng)位置的dem圖像進(jìn)行水平拼接，得到三維地形要素訓(xùn)練樣本集；

13、s12、利用上一步驟中獲得的三維地形要素訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練cgans網(wǎng)絡(luò)，讓cgans網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)喀斯特地貌特征及其與鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線的映射關(guān)系；

14、s13、根據(jù)實(shí)際開(kāi)發(fā)需要，手繪三維鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線，并按照rgb三個(gè)波段進(jìn)行合成；

15、s14、將手繪的鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)以及坡腳線輸入步驟s12中訓(xùn)練好的cgans網(wǎng)絡(luò)，生成所需的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景。

16、本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是：

17、進(jìn)一步的，步驟s1和s2中，采用d8單流向模型進(jìn)行流向計(jì)算。

18、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s1和s2中，流向計(jì)算得到的結(jié)果為累積流量，流量閾值設(shè)為2000。

19、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s4中，對(duì)dem進(jìn)行最大值鄰域窗口分析，設(shè)置窗口大小為11×11，步長(zhǎng)大小設(shè)置為1，統(tǒng)計(jì)類型為最大值，生成包含每個(gè)分析窗口內(nèi)最大值點(diǎn)的柵格數(shù)據(jù)；將生成的柵格數(shù)據(jù)與原始dem進(jìn)行差值運(yùn)算，提取差值結(jié)果為0的點(diǎn)為山頂點(diǎn)。

20、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s5中，研究區(qū)內(nèi)dem地形正、負(fù)開(kāi)度的計(jì)算方法具體為：由中心像元向0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°這八個(gè)方向作出八條射線，選取這八條射線上距離中心像元小于等于分析半徑的像元參與運(yùn)算；

21、通過(guò)計(jì)算各方向上分析半徑內(nèi)的正向最大高度角和負(fù)向最大高度角，得到各個(gè)方向分析半徑內(nèi)的最小天頂角和最小天底角，取八個(gè)方向最小天頂角的均值即為該位置的正開(kāi)度，取八個(gè)方向最小天底角的均值即為負(fù)開(kāi)度，具體公式如下：

22、

23、其中，表示該點(diǎn)的正開(kāi)度，表示該點(diǎn)的負(fù)開(kāi)度，、分別表示各個(gè)方向分析半徑內(nèi)的最小天頂角和最小天底角，其中n=0、45、90、135、180、225、270、315，且；表示在n方向上中心點(diǎn)與分析半徑內(nèi)灰度值最高像元連線與水平方向的夾角，表示在n方向上中心點(diǎn)與分析半徑內(nèi)灰度值最低像元連線與水平方向的夾角。

24、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s5中，對(duì)研究區(qū)內(nèi)dem地形正、負(fù)開(kāi)度進(jìn)行差值運(yùn)算，設(shè)置最佳分割閾值為9°，差值結(jié)果大于最佳分割閾值的為正地形，反之則為負(fù)地形；按照最佳分割閾值將地形正、負(fù)開(kāi)度差值結(jié)果重分類為二值化圖像，將正地形區(qū)域賦值為1，負(fù)地形區(qū)域賦值為0，隨后將正地形區(qū)域轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)提取正地形區(qū)域的邊界獲得坡腳線。

25、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s7中，對(duì)dem進(jìn)行歸一化處理，將dem灰度值轉(zhuǎn)化到0~255區(qū)間，歸一化處理的公式為：

26、

27、其中，o(i,j)表示輸出灰度值，i(i,j)表示dem圖像第i行第j列灰度值，imin表示dem圖像最小灰度值，imax表示dem圖像最大灰度值。

28、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s10中，滑動(dòng)窗口大小設(shè)置為256×256，步長(zhǎng)大小設(shè)置為64個(gè)像元大小，從dem圖像左上角沿水平方向開(kāi)始滑動(dòng)，水平遍歷一整行后，窗口沿垂直方向移動(dòng)一段步長(zhǎng)距離并返回至圖像最左側(cè)繼續(xù)遍歷，直到遍歷完整張圖像為止。

29、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s12中，cgans網(wǎng)絡(luò)的生成器采用u-net結(jié)構(gòu)，cgans網(wǎng)絡(luò)的生成器和判別器的卷積核大小采用4×4，步長(zhǎng)設(shè)置為2。

30、如前所述的一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，步驟s12中，cgans網(wǎng)絡(luò)使用adam優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0002，動(dòng)量為0.5。

31、本發(fā)明的有益效果是：

32、本發(fā)明中，首先使用已有5米高分辨率dem提取三維地形特征要素，制作深度學(xué)習(xí)樣本圖像對(duì)，訓(xùn)練條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)模型；之后，將手繪的三維地形特征要素輸入到訓(xùn)練好的高精度模型中，即可生成虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景，從而可以通過(guò)成本低、耗時(shí)少的方式快速構(gòu)建虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景，為游戲、影視等虛擬場(chǎng)景應(yīng)用領(lǐng)域提供真實(shí)度高、滿足地理規(guī)律的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景。

技術(shù)特征：

1.一種基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s1和s2中，采用d8單流向模型進(jìn)行流向計(jì)算。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s1和s2中，流向計(jì)算得到的結(jié)果為累積流量，流量閾值設(shè)為2000。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s4中，對(duì)dem進(jìn)行最大值鄰域窗口分析，設(shè)置窗口大小為11×11，步長(zhǎng)大小設(shè)置為1，統(tǒng)計(jì)類型為最大值，生成包含每個(gè)分析窗口內(nèi)最大值點(diǎn)的柵格數(shù)據(jù)；將生成的柵格數(shù)據(jù)與原始dem進(jìn)行差值運(yùn)算，提取差值結(jié)果為0的點(diǎn)為山頂點(diǎn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s5中，研究區(qū)內(nèi)dem地形正、負(fù)開(kāi)度的計(jì)算方法具體為：由中心像元向0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°這八個(gè)方向作出八條射線，選取這八條射線上距離中心像元小于等于分析半徑的像元參與運(yùn)算；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s5中，對(duì)研究區(qū)內(nèi)dem地形正、負(fù)開(kāi)度進(jìn)行差值運(yùn)算，設(shè)置最佳分割閾值為9°，差值結(jié)果大于最佳分割閾值的為正地形，反之則為負(fù)地形；按照最佳分割閾值將地形正、負(fù)開(kāi)度差值結(jié)果重分類為二值化圖像，將正地形區(qū)域賦值為1，負(fù)地形區(qū)域賦值為0，隨后將正地形區(qū)域轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)提取正地形區(qū)域的邊界獲得坡腳線。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s7中，對(duì)dem進(jìn)行歸一化處理，將dem灰度值轉(zhuǎn)化到0~255區(qū)間，歸一化處理的公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s10中，滑動(dòng)窗口大小設(shè)置為256×256，步長(zhǎng)大小設(shè)置為64個(gè)像元大小，從dem圖像左上角沿水平方向開(kāi)始滑動(dòng)，水平遍歷一整行后，窗口沿垂直方向移動(dòng)一段步長(zhǎng)距離并返回至圖像最左側(cè)繼續(xù)遍歷，直到遍歷完整張圖像為止。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s12中，cgans網(wǎng)絡(luò)的生成器采用u-net結(jié)構(gòu)，cgans網(wǎng)絡(luò)的生成器和判別器的卷積核大小采用4×4，步長(zhǎng)設(shè)置為2。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于dem和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，其特征在于：所述步驟s12中，cgans網(wǎng)絡(luò)使用adam優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0002，動(dòng)量為0.5。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于DEM和深度學(xué)習(xí)的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景構(gòu)建方法，首先提取喀斯特地貌DEM的鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)、坡腳線；之后將地形特征要素轉(zhuǎn)化為0~255灰度值范圍的三維地形特征要素，將上述特征要素合并為RGB三波段圖像，裁剪為256×256大小的地形特征樣本，并與對(duì)應(yīng)位置的歸一化DEM進(jìn)行拼接生成訓(xùn)練樣本集；然后使用訓(xùn)練樣本集訓(xùn)練CGANs網(wǎng)絡(luò)；最后根據(jù)開(kāi)發(fā)需要手繪三維鞍部點(diǎn)、山頂點(diǎn)和坡腳線，合成為三維地形特征要素，并輸入到訓(xùn)練好的喀斯特地貌構(gòu)建模型中，構(gòu)建虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景，具有成本低、耗時(shí)少的優(yōu)點(diǎn)，為游戲、影視等虛擬場(chǎng)景應(yīng)用領(lǐng)域提供真實(shí)度高、滿足地理規(guī)律的虛擬喀斯特地貌場(chǎng)景。

技術(shù)研發(fā)人員：師樂(lè)巖,代文,王波,梁于韓冰,夏進(jìn)宇,李錦洲,王子馨
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9