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        基于QTM的球面Voronoi圖生成算法與應(yīng)用

        2018-03-29 12:44:44
        測(cè)繪學(xué)報(bào) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:利用優(yōu)化

        王 磊

        1. 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454000; 2. 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

        隨著全球生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)一體化的不斷深入,研究區(qū)域逐漸從局部區(qū)域擴(kuò)大到整個(gè)地球,而攝影測(cè)量、遙感、全球定位系統(tǒng)等現(xiàn)代對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,使得全球大范圍、多尺度、多時(shí)相數(shù)據(jù)的獲取成為可能。為了在全球范圍內(nèi)有效地管理和分析空間數(shù)據(jù),需要構(gòu)建一個(gè)全球的、連續(xù)的、多尺度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型。球面Voronoi圖(簡(jiǎn)稱V圖),具有自然鄰近、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)良特性,已成為全球空間信息管理與分析最有潛力的解決方案之一。針對(duì)現(xiàn)有的球面V圖生成算法在精度和效率方面存在的諸多問(wèn)題,本文從球面V圖的生成算法、動(dòng)態(tài)維護(hù)及其應(yīng)用方面進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下:

        (1) 提出了基于QTM的球面V圖確定歸屬生成算法。本文將球面四元三角格網(wǎng)(quaternary triangular mesh, QTM)單元視作平面柵格算法中的像素(最小單元),計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)單元到所有種子點(diǎn)的距離,并通過(guò)比較得到最近的種子點(diǎn)作為相應(yīng)QTM格網(wǎng)單元的歸屬,從而生成基于QTM的球面V圖。試驗(yàn)結(jié)果表明,該算法能夠?qū)⑸汕蛎鎂圖的誤差控制在兩個(gè)格網(wǎng)以內(nèi),初步解決了現(xiàn)有球面V圖柵格生成算法的精度問(wèn)題。

        (2) 利用GPU對(duì)確定歸屬算法進(jìn)行了優(yōu)化(硬件優(yōu)化)。確定歸屬算法具有計(jì)算密集性、指令一致性和相互獨(dú)立性的特點(diǎn),非常適合于GPU單指令多數(shù)據(jù)流的計(jì)算模型。本文采用GPU統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)(CUDA)對(duì)算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn),并從GPU全局內(nèi)存、共享內(nèi)存、常量?jī)?nèi)存、寄存器等內(nèi)存的使用及訪問(wèn)方式等方面對(duì)確定歸屬算法進(jìn)行了優(yōu)化,以從整體上提高算法的效率。試驗(yàn)結(jié)果表明,利用GPU并行計(jì)算對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化后,效率可提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

        (3) 利用雙向掃描方法對(duì)確定歸屬算法進(jìn)行改進(jìn)(算法優(yōu)化)。將球面按QTM的方式剖分后,依次按從左到右、從上到下和從右到左、從下到上的順序?qū)η蛎嫒切螁卧M(jìn)行掃描,并在掃描過(guò)程中通過(guò)計(jì)算和比較格網(wǎng)到其鄰近格網(wǎng)的最近種子點(diǎn)的距離,得到當(dāng)前格網(wǎng)的最近種子點(diǎn),進(jìn)而得到球面V圖。試驗(yàn)結(jié)果表明,該改進(jìn)算法大大減少了確定歸屬算法中不必要的計(jì)算,在同一層次下,球面V圖生成時(shí)間基本恒定(與種子點(diǎn)數(shù)無(wú)關(guān))。

        (4) 利用QTM格網(wǎng)的層次性對(duì)確定歸屬算法進(jìn)行改進(jìn)(尺度優(yōu)化)。首先利用低層次的格網(wǎng)生成球面V圖,并根據(jù)QTM格網(wǎng)及其三鄰近格網(wǎng)的歸屬信息提取構(gòu)成Voronoi區(qū)域邊界的QTM格網(wǎng);然后對(duì)邊界格網(wǎng)進(jìn)行再次剖分,利用確定歸屬算法確定邊界格網(wǎng)子格網(wǎng)的歸屬,以此得到更高層次的球面V圖,重復(fù)該步驟直至達(dá)到相應(yīng)層次。試驗(yàn)結(jié)果表明,算法效率相對(duì)于確定歸屬算法有較大提高,且能夠生成更高層次的球面V圖。

        (5) 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用。設(shè)計(jì)開發(fā)了基于QTM的球面Voronoi圖算法與應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng),利用不同類型的數(shù)據(jù),從效率、精度等方面對(duì)各算法進(jìn)行了驗(yàn)證;同時(shí),還給出了球面Voronoi圖的動(dòng)態(tài)維護(hù)操作方法和基于柵格Voronoi圖的球面自然鄰近插值方法,并對(duì)基于質(zhì)心Voronoi圖的全球地形自適應(yīng)建模方法進(jìn)行了初步的探索與試驗(yàn)。

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