專利名稱：城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地圖測繪領(lǐng)域，具體是以攝影測量與遙感技術(shù)測繪各種比例尺地形圖，特別是城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法。
背景技術(shù)：
以攝影測量與遙感技術(shù)測繪各種比例尺地形圖是一種有著近百年的傳統(tǒng)技術(shù)方法，它在以等高線的方法表示自然景觀的高低起伏方面已得到公認并延用至今。隨著社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，城市建設(shè)急速擴大，傳統(tǒng)的等高線方法難以表達建筑物的高度狀況；另外以中心投影方法生成的城市景觀圖，雖然有立體視覺效果，但是建筑物的三維立體不具有量測性。所以社會經(jīng)濟進步迫切需要一種實用的立體可視和立體可量測的城區(qū)三維地形圖，以滿足建立數(shù)字城市的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法，采用下述步驟(1)數(shù)據(jù)采集通過矢量數(shù)字地圖數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)采集建筑物邊框三維坐標，采集每座建筑物比高H；(2)城市建筑物三維建模根據(jù)上述采集的建筑物的邊框和比高數(shù)據(jù)，以每座建筑物邊框(A)為建筑物底面沿Z軸向上移動比高H，形成建筑物頂部的外輪廓線和頂面，連接相應(yīng)點，形成側(cè)面，建立了描述建筑物的體、面、線、點之間的關(guān)系的三維數(shù)據(jù)鏈；(3)三維地圖整飾在圖幅內(nèi)方里網(wǎng)格網(wǎng)交點上按給定的視角α設(shè)立三維立體標尺和圖廓三維數(shù)據(jù)鏈，圖幅四角亦設(shè)立三維立體標尺并標注量測刻度三維數(shù)據(jù)鏈；
(4)等視角投影變換對上述建筑物三維模型按照給定的視角α將建筑物輪廓線從空間投影到平面上，建立建筑物的三維空間頂點與二維平面圖之間的映射關(guān)系，連接同名輪廓線拐點，形成既有立體感又可量測建筑物比高的視覺模型；(5)三維模型消隱處理①首先繪制所有建筑物模型的底面，②以所有建筑物的三維模型的側(cè)面到視點的距離為依據(jù)，由遠到近排序，分別繪制，③以所有建筑物模型的頂面比高為依據(jù)，由低到高排序，并按由低到高的次序分別繪制；(6)三維模型渲染處理根據(jù)城市三維模型和模擬光照，運用數(shù)學(xué)模擬的方法分別對模型中的每一個表面計算著色，生成城市三維模型圖像；(7)對生成立體效果圖進行平面整飾①將上述城市三維模型圖像、地表矢量圖層和正射影像圖層疊加，②對圖幅周邊增加三維比例尺和立體效果示例；(8)成圖輸出按照不同要求，輸出或存儲上述成果圖。
本發(fā)明采用傳統(tǒng)地形圖制作方法和原則基本不變，即新的城區(qū)三維地形圖是傳統(tǒng)地形圖的自然發(fā)展與延伸；城區(qū)三維地形圖立體可視，即憑視覺可觀察城區(qū)景觀和分辨建筑物的高低；城區(qū)建筑物的比高可量測，量測精度視成圖比例尺而定，如比例尺為1∶1000時，量測精度優(yōu)于±0.5米。本發(fā)明適用于制作各種比例尺(1∶50-1∶100000)、各種視角(0°-360°)的三維立體數(shù)字地形圖。


圖1為本發(fā)明流程示意圖。
圖2為建筑物三維模型示意圖。
圖3為建筑物三維模型投影示意圖。
圖4為本發(fā)明立體效果圖。
具體實施例方式
本發(fā)明按照如下步驟實施1、數(shù)據(jù)采集采集某城區(qū)矢量數(shù)字地圖數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)以及正射影像圖數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)間距10*10米，量測每座建筑物比高，量測精度要求至0.1米。建筑物比高數(shù)據(jù)采集方法可有以下三種1)實地調(diào)繪與量測建筑物比高；2)立體攝影測量建筑物比高；3)激光雷達技術(shù)直接量測建筑物頂部的三維坐標。其中激光雷達技術(shù)自動化程度最高，精度最好，且作業(yè)效率最高。
2、建筑物三維建模建筑物三維建模是根據(jù)由矢量數(shù)字地圖數(shù)據(jù)提供建筑物頂部在地圖平面的投影X、Y和建筑物比高以及數(shù)字高程模型，在虛擬三維空間中進行的，根據(jù)上述采集的建筑物的邊框和比高數(shù)據(jù)，如圖2所示，以每座建筑物邊框數(shù)據(jù)構(gòu)成建筑物底面A，由面A沿Z軸向上移動比高h，形成建筑物頂部的外輪廓線和頂面，連接相應(yīng)點，形成側(cè)面，建立了描述建筑物的體、面、線、點之間的關(guān)系的三維數(shù)據(jù)鏈；以此方法可以建立圖幅內(nèi)的所有建筑物的三維模型。
3、立體標尺和圖廓的整飾參考現(xiàn)有地圖標準，在三維環(huán)境下對已有三維模型，進行地圖整飾，添加立體標尺和圖廓。在圖幅內(nèi)方里網(wǎng)格網(wǎng)交點上按給定的視角α設(shè)立立體標尺，其頂部與底部以十字絲表示；圖幅四角亦有立體標尺并有量測刻劃，以便于建筑物高度的量測。至此，在圖幅內(nèi)的虛擬三維空間所有建筑物及立體標尺已經(jīng)建立，并以相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)鏈表示。
4、等視角投影變換根據(jù)建筑物輪廓線的平面位置與其對應(yīng)的比高，在考慮到地表高程的條件下，按照給定的視角α將建筑物輪廓線從空間投影到平面上，如(1)式所示，連接同名輪廓線拐點，形成既有立體感又可量測建筑物比高的視覺模型。對已有的建筑物三維模型進行等視角投影，建立三維模型與平面圖之間的映射關(guān)系，使得在平面圖上的建筑物頂部的偏移量可以代表建筑物的高程。
如圖3所示，面A是數(shù)據(jù)采集過程得到的建筑物邊框，角α是相對于y軸正方向的視角，h是采集而得的建筑物比高，面B是面A投影變換后得到的。p′(m，n)是投影后得到的屋角的坐標，p(x，y)是x和y軸的交點，也是同p′(m，n)點相對應(yīng)的屋角的地面上的點。
投影變換算法過程
1)數(shù)據(jù)整理對采集而得的每個建筑物的模型判斷每一個面的屬性，區(qū)分開底面A、側(cè)面、頂面B。
2)投影計算對于面B的所有頂點p(x，y，z)投影變換到p′(m，n)。這里的z＝h(平頂房屋的比高)，對于不是平頂?shù)姆课荩蓓敻鱾€頂點有不同的比高。
m=x+z×cosan=y+z×sina---(1)]]>3)三維模型重組在原有三維點、線、面關(guān)系基礎(chǔ)上，由投影變換過的p′(m，n，z)坐標替換原來的坐標p(x，y，z)。
5、消隱處理根據(jù)觀察者的方向，按照前擋后的原則進行消隱處理，但原始正射位置的建筑物輪廓線仍予以保留，稍作弱化處理。根據(jù)城市三維模型中的面與面相互位置關(guān)系和視點所處的位置，通過對建筑物頂面、側(cè)面的壓蓋繪制來模擬現(xiàn)實世界中城市建筑的遮蓋。具體處理過程如下1)首先繪制所有建筑物模型的底面A；2)以所有建筑物的三維模型的側(cè)面到視點的距離為依據(jù)，有遠到近排序，分別繪制；3)以所有建筑物模型的頂面B比高h為依據(jù)，由低到高排序，并按由低到高的次序分別繪制；6、渲染處理為了使建筑立體效果圖立體感更好，根據(jù)城市三維模型和模擬光照，運用數(shù)學(xué)模擬的方法分別對建筑物模型中的每一個側(cè)表面計算著色，產(chǎn)生更加逼真的效果，生成城市三維模型圖像。
根據(jù)LAMBERT定律，落在物體表面上的光能是隨著光線入射角余弦而變化的。
I＝r×P×cosδ其中δ為光線入射角，r為反射系數(shù)，P為光源發(fā)光強度，I為落在表面上的光能.
表明物體表面的亮度是隨著δ角(在0°到90°的范圍內(nèi))的增加而減小的，如果δ角超過90°則對光源而言，該表面為隱藏面。
7、疊加正射影像對生成立體效果圖進行平面整飾，以立體圖廓和正射影像進行配準，在地表疊加正射影像。
1)根據(jù)需要將立體效果圖、地表矢量圖層和正射影像圖層疊加。
2)對圖幅周邊增加三維比例尺和立體效果示例。
8、成圖輸出按照不同要求，輸出和存儲成果圖。
權(quán)利要求
1.一種城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法，其特征在于采用下述步驟(1)數(shù)據(jù)采集通過矢量數(shù)字地圖數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)采集建筑物邊框三維坐標，采集每座建筑物比高H；(2)城市建筑物三維建模根據(jù)上述采集的建筑物的邊框和比高數(shù)據(jù)，以每座建筑物邊框為建筑物底面沿Z軸向上移動比高H，形成建筑物頂部的外輪廓線和頂面，連接相應(yīng)點，形成側(cè)面，建立了描述建筑物的體、面、線、點之間的關(guān)系的三維數(shù)據(jù)鏈；(3)三維地圖整飾在圖幅內(nèi)方里網(wǎng)格網(wǎng)交點上按給定的視角α設(shè)立三維立體標尺和圖廓三維數(shù)據(jù)鏈，圖幅四角亦設(shè)立三維立體標尺并標注量測刻度三維數(shù)據(jù)鏈；(4)等視角投影變換對上述建筑物三維模型按照給定的視角α將建筑物輪廓線從空間投影到平面上，建立建筑物的三維空間頂點與二維平面圖之間的映射關(guān)系，連接同名輪廓線拐點，形成既有立體感又可量測建筑物比高的視覺模型；(5)三維模型消隱處理①首先繪制所有建筑物模型的底面，②以所有建筑物的三維模型的側(cè)面到視點的距離為依據(jù)，由遠到近排序，分別繪制，③以所有建筑物模型的頂面比高為依據(jù)，由低到高排序，并按由低到高的次序分別繪制；(6)三維模型渲染處理根據(jù)城市三維模型和模擬光照，運用數(shù)學(xué)模擬的方法分別對模型中的每一個表面計算著色，生成城市三維模型圖像；(7)對生成立體效果圖進行平面整飾①將上述城市三維模型圖像、地表矢量圖層和正射影像圖層疊加，②對圖幅周邊增加三維比例尺和立體效果示例；(8)成圖輸出按照不同要求，輸出或存儲上述成果圖。
2.如權(quán)利要求1所述的城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法，其特征在于等視角投影變換算法過程如下①數(shù)據(jù)整理對采集而得的每個建筑物的模型判斷每一個面的屬性，區(qū)分開底面A、側(cè)面、頂面B。②投影計算對于頂面B的所有頂點p(x，y，z)投影變換到p′(m，n)。這里的z＝h，對于不是平頂?shù)姆课?，屋頂各個頂點有不同的比高。m=x+z×cosan=y+z×sina---(1)]]>底面A是數(shù)據(jù)采集過程得到的建筑物邊框，角α是相對于y軸正方向的視角，h是采集而得的建筑物比高，面B是面A投影變換后得到的。p′(m，n)是投影后得到的屋角的坐標，p(x，y)是x和y軸的交點，也是同p′(m，n)點相對應(yīng)的屋角的地面上的點。③三維模型重組在原有三維點、線、面關(guān)系基礎(chǔ)上，由投影變換過的p′(m，n，z)坐標替換原來的坐標p(x，y，z)。
3.如權(quán)利要求1所述的城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法，其特征在于三維模型每一個表面模擬光照計算公式I＝r×P×cosδ其中δ為入射角，r為反射系數(shù)，P為光源發(fā)光強度，I為落在表面上的光能。
4.如權(quán)利要求1所述的城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法，其特征在于所述的視角α為0°～360°。
全文摘要
本發(fā)明涉及地圖測繪領(lǐng)域，具體是以攝影測量與遙感技術(shù)測繪各種比例尺地形圖，特別是城區(qū)三維可視與可量測立體地形圖制作方法。本發(fā)明通過如下步驟實現(xiàn)(1)數(shù)據(jù)采集；(2)城市建筑物三維建模；(3)三維地圖整飾；(4)等視角投影變換；(5)三維模型消隱處理；(6)三維模型渲染處理；(7)對生成立體效果圖進行平面整飾；(8)成圖輸出。由于本發(fā)明所依據(jù)的地形圖制作方法和原則基本不變，新的城區(qū)三維地形圖也是傳統(tǒng)地形圖的自然發(fā)展與延伸；城區(qū)三維地形圖立體可視，即憑視覺可觀察城區(qū)景觀和分辨建筑物的高低；城區(qū)建筑物的比高可量測，量測精度視成圖比例尺而定。本發(fā)明適用于制作各種比例尺、各種視角的三維立體數(shù)字地形圖。
文檔編號G09B29/00GK1664884SQ200510041
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者高原, 常本義, 陳光裕, 戴益強, 李倩, 張文波, 高力, 李勁濤, 李姜宏, 王武仕, 許斌, 宋宏偉, 亢三煥 申請人:西安四維航測遙感中心