淺談Delaunay三角網(wǎng)的并行構(gòu)建和更新論文
三角網(wǎng)是由一系列連續(xù)三角形構(gòu)成的網(wǎng)狀的平面控制圖形，是三角測(cè)量中布設(shè)連續(xù)三角形的兩種主要擴(kuò)展形式，同時(shí)向各方向擴(kuò)展而構(gòu)成網(wǎng)狀.適用于地勢(shì)起伏大，通視條件比較好的場(chǎng)地。以下是學(xué)習(xí)啦小編為大家精心準(zhǔn)備的：淺談Delaunay三角網(wǎng)的并行構(gòu)建和更新相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
淺談Delaunay三角網(wǎng)的并行構(gòu)建和更新全文如下：
隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和新型測(cè)量設(shè)備的出現(xiàn)，空間數(shù)據(jù)的獲取變得更加容易和快捷，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)量也呈爆炸性的增長(zhǎng)。如何利用這些海量的空間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字地面模型DTM 的高效構(gòu)建是當(dāng)前空間分析及應(yīng)用領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題之一。Delaunay 三角網(wǎng)以其唯一性、空?qǐng)A性、能以不同分辨率表達(dá)地形、適合各種分布的數(shù)據(jù)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于DTM 建模中。
長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Delaunay 三角網(wǎng)的構(gòu)建提出了多種算法。這些算法按實(shí)現(xiàn)過(guò)程大致可以分為三類：逐點(diǎn)插入法、分治法和掃描線法。陳楚江等提出了實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)局部更新的方法。陳少勤等提出利用多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)不規(guī)則三角網(wǎng)的動(dòng)態(tài)更新。但這些算法都是基于串行程序?qū)崿F(xiàn)，不支持點(diǎn)并行的插入和刪除。
隨著多核計(jì)算機(jī)的普及，并行為解決大數(shù)據(jù)量的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建和更新提供了新的思路。不少學(xué)者也對(duì)此做了研究，李堅(jiān)等提出將分治算法與流數(shù)據(jù)處理方法相結(jié)合，利用多核處理器平臺(tái)進(jìn)行并行運(yùn)算。張真[7]提出一種適用于并行計(jì)算的歸并構(gòu)網(wǎng)方法。這些算法滿足于Delaunay 三角網(wǎng)的并行構(gòu)建，但不適用于三角網(wǎng)的并行動(dòng)態(tài)更新。因?yàn)樵谶@些算法在開(kāi)始之前，點(diǎn)集必須是確定的，而三角網(wǎng)更新時(shí)，被插入(刪除)點(diǎn)是不確定的。
文章提出一種單機(jī)多核環(huán)境下Delaunay 三角網(wǎng)并行構(gòu)建算法，該算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)劃分，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊作為一個(gè)工作單元。同時(shí)為解決內(nèi)存共享帶來(lái)的問(wèn)題，可以為各工作單元分配獨(dú)立的內(nèi)存空間，工作單元之間相對(duì)獨(dú)立，因此可以很好的實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)的并行構(gòu)建和更新。
并行算法采用數(shù)據(jù)分塊[8]的思想，首先將點(diǎn)數(shù)據(jù)按給定閾值(實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)閾值選擇受實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響)進(jìn)行格網(wǎng)劃分，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊形成一個(gè)獨(dú)立的工作單元。每一個(gè)工作單元只負(fù)責(zé)所屬區(qū)域內(nèi)三角網(wǎng)的構(gòu)建更新。利用計(jì)算機(jī)單機(jī)多核的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)將多個(gè)工作單元分配給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。最后將相鄰的區(qū)域進(jìn)行合并，最終完成三角網(wǎng)的構(gòu)建。每一個(gè)工作單元所負(fù)責(zé)的工作主要有三方面：初始三角網(wǎng)的構(gòu)建、點(diǎn)的插入和刪除，下面將分別闡述。
1 初始三角網(wǎng)構(gòu)建
主線程對(duì)隊(duì)列中的所用點(diǎn)進(jìn)行掃描，如果點(diǎn)位于某一個(gè)工作單元負(fù)責(zé)的區(qū)域，則將點(diǎn)移動(dòng)到該工作單元的私有隊(duì)列中。工作單元根據(jù)負(fù)責(zé)區(qū)域的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)形成兩個(gè)初始三角形，然后從自己的私有隊(duì)列中取點(diǎn)進(jìn)行插入構(gòu)網(wǎng)。主要步驟如下：
(1)先找到包含點(diǎn)集中所有點(diǎn)的初始三角形，即將數(shù)據(jù)塊的邊界線向外擴(kuò)大某個(gè)值d，然后連接任意一條對(duì)角線，形成兩個(gè)超三角形，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào);
(2)取點(diǎn)集中的任意一點(diǎn)v，查找v 點(diǎn)所在的三角形，如果v 在三角形內(nèi)則連接v 和三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，如果點(diǎn)v 在三角形邊上，則連接該邊相對(duì)的一個(gè)或兩個(gè)頂點(diǎn)，如果該點(diǎn)與三角形頂點(diǎn)重合則放棄該點(diǎn);
(3)調(diào)用Lop 優(yōu)化算法，判斷點(diǎn)的影響區(qū)域，對(duì)局部三角網(wǎng)進(jìn)行更新;
(4)重復(fù)(2)到(3)步，直到所有點(diǎn)插入三角網(wǎng);
(5)刪除包含超三角形頂點(diǎn)的所有三角形，算法結(jié)束。
2 點(diǎn)的插入或刪除
對(duì)生成的初始三角網(wǎng)進(jìn)行更新，主要是通過(guò)插入和刪除點(diǎn)來(lái)完成。對(duì)于需要插入的點(diǎn)集P，主線程首先對(duì)其進(jìn)行掃描，將點(diǎn)分配到所屬區(qū)域的私有隊(duì)列P1、P2、P3…中。然后將工作單元分配到各個(gè)處理器上進(jìn)行執(zhí)行。單點(diǎn)插入過(guò)程主要步驟如下：(1)找到包含插入點(diǎn)v 的三角形t;(2)檢索所有與t 關(guān)聯(lián)的三角形，找到外接圓中包含點(diǎn)v 的三角形集D (v);(3)D (v)的外邊界相連形成一個(gè)多邊形P(v);(4)將P(v)內(nèi)的三角形邊刪除;(5)連接P(v)的頂點(diǎn)和v 形成新的Delaunay 三角網(wǎng)D (v);(6)用D (v)取代D (v)形成新的Delaunay 三角網(wǎng)，完成一點(diǎn)插入。刪除點(diǎn)時(shí)只需要找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，然后將與之關(guān)聯(lián)的點(diǎn)重新構(gòu)造三角網(wǎng)即可。
3 內(nèi)存管理
在多線程程序中，多個(gè)線程同時(shí)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行訪問(wèn)，在創(chuàng)建(刪除)三角形或點(diǎn)時(shí)，每一個(gè)線程都需要調(diào)用內(nèi)核進(jìn)行內(nèi)存的分配(釋放)。這時(shí)會(huì)因?yàn)榇嬖诖罅康逆i競(jìng)爭(zhēng)而花費(fèi)很高比例的時(shí)間，這對(duì)于追求高效率的并行目的是不符的。為了避免這種情況的發(fā)生，可以為每一個(gè)線程分配獨(dú)立的內(nèi)存空間，線程在其中創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊，如果數(shù)據(jù)被刪除，則把它還給自己的內(nèi)存池。當(dāng)內(nèi)存池中空間不足時(shí)，線程才會(huì)調(diào)用內(nèi)核申請(qǐng)新的內(nèi)存塊。
4 實(shí)驗(yàn)和分析
由于點(diǎn)集中數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布狀態(tài)對(duì)一個(gè)算法的速度和精度都有很大的影響，所以我們采用三種典型的數(shù)據(jù)分布對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試，分別為：線性分布、標(biāo)準(zhǔn)分布和均勻分布。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境為6 核12 線程Intel Core i7 4930k CUP(3.4GHz)、16G 內(nèi)存。分別將15M 不同分布狀態(tài)的點(diǎn)數(shù)據(jù)在多個(gè)線程上運(yùn)行。用加速比來(lái)衡量并行程序的性能和效果。
結(jié)果表明并行算法能很大的提高構(gòu)網(wǎng)的速度，且并行數(shù)越多，速度越快。分布狀態(tài)不同的數(shù)據(jù)對(duì)于串行算法執(zhí)行時(shí)間影響更大，而對(duì)于并行算法，隨著并行數(shù)增加，這種影響就越小。這也說(shuō)明并行算法對(duì)于復(fù)雜地形的數(shù)據(jù)有很好的適應(yīng)性。
5 結(jié)束語(yǔ)
Delaunay 三角網(wǎng)對(duì)DTM 模型建立和分析的一種重要手段。文章針對(duì)海量數(shù)據(jù)并行構(gòu)建三角網(wǎng)的要求，提出一種基于數(shù)據(jù)分塊的并行構(gòu)網(wǎng)方法。該方法構(gòu)網(wǎng)前不需要對(duì)元數(shù)據(jù)進(jìn)行刪重、排序等預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的并行插入和刪除，而且對(duì)不同分布狀態(tài)的數(shù)據(jù)有很好的適應(yīng)性。由于算法可以動(dòng)態(tài)的對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行更新，因此可以方便的對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯，并用于工程計(jì)算和分析，如土石方量計(jì)算、建立DTM 模型、等高線繪制等。
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