本發(fā)明屬于電子地圖技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光雷達技術(shù)的智慧城市3d實景地圖系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電子地圖的發(fā)展為人們出行提供了非常多的便利，但目前我們廣泛使用的是二維地圖，而越來越多的人在使用二維地圖時都遇到這樣的問題，在去一個地方時，很容易通過二維地圖找到方位，但如果去不著名的地方，即使在周邊也不容易準確定位，在現(xiàn)代城市的多維立體結(jié)構(gòu)道路中，經(jīng)常因為高架橋或者岔口出現(xiàn)導(dǎo)航錯誤的情況，給完全需要導(dǎo)航的民眾出行帶來困擾。

隨著三維技術(shù)的發(fā)展，三維地圖技術(shù)也開始研究起來，但現(xiàn)有的三維電子地圖準確的說是2.5d的電子地圖，這種地圖不能進行多角度的定位和瀏覽，從視覺效果上來說體現(xiàn)的是類3d的效果，在實際應(yīng)用中，不能充分發(fā)揮三維地圖的優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于激光雷達技術(shù)的智慧城市3d實景地圖系統(tǒng)，克服現(xiàn)有三維地圖實際為2.5d電子地圖，無法進行多角度的精確定位和瀏覽的問題。

本發(fā)明提供的一種基于激光雷達技術(shù)的智慧城市3d實景地圖系統(tǒng)，

包括三維地圖底圖生成系統(tǒng)，用于生成3d底圖；

地圖數(shù)據(jù)與地圖投影系統(tǒng)，用于存儲3d實景地圖數(shù)據(jù)，完成3d底圖投影以及3d實景地圖投影；

三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于存儲所有3d地物的三維模型數(shù)據(jù)以及3d地物的外觀屬性信息供用戶查詢使用；

三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)，用于用戶調(diào)用3d實景地圖并展示3d實景地圖。

進一步的，所述3d底圖通過以下方法生成：通過激光雷達采集點云數(shù)據(jù)，并將經(jīng)過預(yù)處理的點云數(shù)據(jù)進行點云的相對坐標和地理位置坐標解算，解算后的點云經(jīng)去噪、去雜點，拼接，三維網(wǎng)格重建，紋理映射，場景整體拼接，小品整飾，最終生成3d底圖。

進一步的，所述3d實景地圖數(shù)據(jù)包括類別、名稱、三維模型數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)以及高程信息。

更進一步的，所述3d底圖投影通過平行投影方式完成，3d實景地圖投影通過多視角投影的方式完成。

進一步的，所述三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括二維地圖信息、二維屬性信息、三維高程信息、三維高程方向?qū)傩孕畔ⅰ⒎謱訑?shù)據(jù)信息、分塊存儲后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息以及三維模型數(shù)據(jù)信息。

進一步的，所述三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用二次數(shù)據(jù)分割與索引的方法對數(shù)據(jù)進行調(diào)用和存儲。

更進一步的，所述二次數(shù)據(jù)分割的方法為對3d實景地圖零高程的二維地圖進行切片和編號，對每一塊設(shè)置一個數(shù)據(jù)存儲容量，遍歷一次切割后的塊的數(shù)據(jù)量的大小，如果某一塊超出預(yù)設(shè)存儲容量，對該塊進行二次切片，遍歷所有塊后，直到最小塊的數(shù)據(jù)量不大于預(yù)設(shè)存儲量結(jié)束分割。

進一步的，所述索引的方法為按照數(shù)據(jù)量大小進行索引。

進一步的，所述三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)通過前臺顯示界面、后臺系統(tǒng)、三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、3d視窗進行3d實景地圖的調(diào)用和顯示。

更進一步的，通過識別3d視窗和地物的距離來判別調(diào)用數(shù)據(jù)的層級和數(shù)據(jù)類型，當(dāng)3d視窗和地物之間的距離超過固定閾值，所述三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)只調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)和最小包圍盒數(shù)據(jù)，當(dāng)3d視窗和地物之間的距離小于固定閾值，所述三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的有益效果：

在導(dǎo)航的過程中能帶給用戶更加真實的城市3d體驗，同時高程信息的增加增強了地圖表達現(xiàn)實世界的能力，三維地標的引入更加真實的表達地理環(huán)境和地物，如特色建筑、道路入口等。解決導(dǎo)航與實際環(huán)境不夠統(tǒng)一的最后一個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)導(dǎo)航中的所見即所得，提高導(dǎo)航的準確率和可靠性，從而提高地圖的效率和安全性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明3d實景地圖原理框圖，

圖2是像空間和像平面坐標坐標轉(zhuǎn)換示意圖，

圖3是三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，

圖4是數(shù)據(jù)分割原理示意圖，

圖5是數(shù)據(jù)索引原理示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，不能理解為對本發(fā)明具體保護范圍的限定。

實施例

參照圖1，所述基于激光雷達技術(shù)的智慧城市3d實景地圖系統(tǒng)，

包括三維地圖底圖生成系統(tǒng)，用于生成3d底圖；

地圖數(shù)據(jù)與地圖投影系統(tǒng)，用于存儲3d實景地圖數(shù)據(jù)，完成3d底圖投影以及3d實景地圖投影；

三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用于存儲所有3d地物的三維模型數(shù)據(jù)以及3d地物的外觀屬性信息供用戶查詢使用；

三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)，用于用戶調(diào)用3d實景地圖并展示3d實景地圖。

3d實景地圖數(shù)據(jù)是由含地理坐標的點云數(shù)據(jù)生成的，含有地理坐標數(shù)據(jù)，不僅在平面方向有精確可測量的地理數(shù)據(jù)，在高程方向同樣含有任意位置的高程數(shù)據(jù)，在實景地圖尤其是定位建筑物中，有豐富的地物特性。所述3d底圖通過以下方法生成：通過激光雷達采集點云數(shù)據(jù)，并將經(jīng)過預(yù)處理的點云數(shù)據(jù)進行點云的相對坐標和地理位置坐標解算，解算后的點云經(jīng)去噪、去雜點，拼接，三維網(wǎng)格重建，紋理映射，場景整體拼接，小品整飾，最終生成3d底圖。所述激光雷達可以使用車載激光雷達與地面激光雷達、機載激光雷達相結(jié)合。上述基于激光雷達的三維重建大大提高了地圖制作的效率，有效降低了制作成本。

所述3d實景地圖數(shù)據(jù)包括類別、名稱、三維模型數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)以及高程信息。

地圖投影是指用數(shù)學(xué)方法將地球中的地理信息投影到平面中的方法，是地理坐標的表達。在本實施例中，考慮到城市3d實景地圖是一種新技術(shù)，我們采用二次投影的疊加方式實現(xiàn)地圖投影。所述3d底圖投影通過平行投影方式完成，3d實景地圖投影通過多視角投影的方式完成。具體的，第一次投影是3d底圖部分投影，3d實景地圖中的底圖是為了明確建筑物的地理坐標的，因此，3d底圖投影的目的是變形不能太大，以便獲取更精確的地理信息數(shù)據(jù)。我們采用平行投影的方式完成，這種投影方式采用平行光投影，能最低限度的降低物體的變形，精確度更高。第二次投影是3d實景地圖的投影，實景地圖是三維立體的，因此要采用的方式就是多視角投影的方式，三維投影完成的是三維物體到三維空間坐標系的投影，三維空間坐標系到像平面的投影兩個投影過程，多視角投影的過程如下：

確定了底圖的投影后，就要對3d實景地圖進行多視角投影，3d實景地圖的多視角投影要解決的是物體的坐標(x,y,z)與像平面坐標(x,y)之間的坐標關(guān)系。首先建立物體的坐標(x,y,z)到像空間(xv,yv,zv)的坐標轉(zhuǎn)換，其次再將像空間坐標轉(zhuǎn)換到像平面(x,y)坐標系中。

物體三維坐標是經(jīng)過物體按照(z,x,y)三個坐標軸進行旋轉(zhuǎn)獲得的，其中旋轉(zhuǎn)角度分別為(α,β,γ)，則轉(zhuǎn)移矩陣為：

根據(jù)矩陣的旋轉(zhuǎn)角度計算，矩陣中各參數(shù)如下：

物體的坐標(x,y,z)和像空間(xv,yv,zv)的換算關(guān)系如下：

像空間和像平面之間的關(guān)系如圖2所示，因此可以推導(dǎo)像空間和像平面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

從以上公式(4)中就可以得到地物的坐標(x,y,z)與像平面坐標(x,y)之間的坐標關(guān)系。

參照圖3，所述三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括二維地圖信息、二維屬性信息、三維高程信息、三維高程方向?qū)傩孕畔ⅰ⒎謱訑?shù)據(jù)信息、分塊存儲后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息以及三維模型數(shù)據(jù)信息。3d實景地圖將地圖分層為兩類進行存儲，二維地圖層和三維地圖層，二維地圖和三維地圖的屬性表達不一致，將兩者進行剖分疊加處理，信息在查找和定位過程中不會出現(xiàn)以一對多的混亂問題。

三維地圖層級中，三維地圖數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量跟二維地圖不同，它會根據(jù)3d地物的分布和3d地物的高度和復(fù)雜度等情況呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的不同分布。同時，根據(jù)模型數(shù)據(jù)量的限制，我們在3d實景地圖中將模型劃分為精模和簡模。精模要求顯示出目標3d地物的細節(jié)程度，紋理可見度高，簡模要求簡單的poly和貼圖即可，在城市3d實景地圖中，數(shù)據(jù)量是非常重要的因素。三維場景與二維場景相比，三維場景數(shù)據(jù)量更大，在不同的區(qū)域內(nèi)，三維數(shù)據(jù)還有著密度不同的特點，比如城市與郊區(qū)，二維數(shù)據(jù)記錄的地圖的數(shù)據(jù)量，在一般區(qū)域和復(fù)雜區(qū)域數(shù)據(jù)量相差不會很大。但三維數(shù)據(jù)就是幾何級別的增長，因此，在該發(fā)明中，三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用二次數(shù)據(jù)分割與索引的方法對數(shù)據(jù)進行調(diào)用和存儲，以提高數(shù)據(jù)調(diào)用的速度。

參照圖4，所述二次數(shù)據(jù)分割的方法為對3d實景地圖零高程的二維地圖進行切片和編號，例如圖中第一次切片分成了六塊，對每一塊設(shè)置一個數(shù)據(jù)存儲容量，遍歷一次切片后的塊的數(shù)據(jù)量的大小，如果某一塊超出預(yù)設(shè)存儲容量，對該塊進行二次切片，比如第一排第二塊數(shù)據(jù)量就超出了預(yù)設(shè)存儲容量，進行二次分割以及三次分割，遍歷所有塊后，直到最小塊的數(shù)據(jù)量不大于預(yù)設(shè)存儲量結(jié)束分割，分割的同時也對每一塊區(qū)域進行編號，本實施例要求按照2的冪次方進行地圖切片，而且為了不浪費存儲空間，將實景某一區(qū)域內(nèi)所有模型以及貼圖存儲到某一個塊中，根據(jù)編號建立單獨唯一的索引。

3d實景地圖中的高程信息，與3d模型的最小包圍盒數(shù)據(jù)一起存儲在數(shù)據(jù)庫中，這樣能精準的識別地物的高程信息。在高程方向，屬性信息是不唯一的，這是3d實景地圖區(qū)別于二維地圖的地方。在三維模型的高程方向，屬性信息是不一致的，即相同地理坐標下，有不同的屬性信息，因此，在數(shù)據(jù)庫中，添加兩層坐標數(shù)據(jù)，地理坐標層和和高程層，對應(yīng)屬性信息。

3d實景地圖制圖中的層次分類，包含：建筑、地形、道路、綠化、小品等，分層分類的目的一是在3d實景地圖制作過程中更加規(guī)整有針對性，二是分類分層可以讓數(shù)據(jù)庫存儲更合理，后期查詢調(diào)度更快速。名稱主要存儲在數(shù)據(jù)庫中，3d實景地圖中的名稱包含更多樣化的信息，如一個建筑物的入駐單位，樓層號等信息都包含在內(nèi)，每個高程信息都對應(yīng)真實屬性信息；三維模型是3d實景地圖重要的表達內(nèi)容，三維模型具有立體三維的特征，三維模型數(shù)據(jù)具有分布不均衡的特點，因此，在進行數(shù)據(jù)分割的同時，在數(shù)據(jù)索引時，我們按照數(shù)據(jù)量大小對數(shù)據(jù)進行索引。

如圖5(a)所示，在數(shù)據(jù)量同樣大的情況下，對3d實景地圖零高程的二維地圖區(qū)域劃分，每個區(qū)域的面積大小可能不同，這就需要對索引方法按照數(shù)據(jù)量大小進行索引。

參見圖5(b)，第一步：取出整個區(qū)域最大的部分

即：level(1)area(a)＝max(areas)；

然后將剩下的區(qū)域暫時合為一個區(qū)

即：level(2)area(b)＝1–area(a)；

參見圖5(c)、(d)，剩下的再進行二級排序劃分

level(3):area(c)＝area(b)–max(area(b))；

以此類推，用這種方法不斷進行索引排序，最終完成所有的區(qū)域，最后就會產(chǎn)生根據(jù)區(qū)域和數(shù)據(jù)量大小產(chǎn)生分層索引。

所述三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)通過前臺顯示界面、后臺系統(tǒng)、三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、3d視窗進行3d實景地圖的調(diào)用和顯示。前臺顯示界面負責(zé)接收、傳達指令，進行3d實景地圖顯示，后臺系統(tǒng)負責(zé)接收前臺顯示界面?zhèn)鬟_的指令，經(jīng)數(shù)據(jù)處理將結(jié)果傳遞給前臺顯示界面進行顯示表達，三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)負責(zé)對建筑、地形、屬性、高程等信息進行分類、分塊、分區(qū)存儲，3d視窗是3d實景地圖的顯示窗口。

基于http5繪制顯示界面，讀取3d視窗口中的輸入信息，通過三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)調(diào)用區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，包含模型，貼圖，屬性等信息，最終繪制在計算機視圖中。

三維地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲二維地圖信息，三維高程信息，屬性信息等，在3d實景地圖中，三維模型信息尤其是紋理貼圖數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常龐大，本實施例通過識別3d視窗和地物的距離來判別調(diào)用數(shù)據(jù)的層級和數(shù)據(jù)類型，當(dāng)3d視窗和地物之間的距離超過固定閾值，所述三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)只調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)和最小包圍盒數(shù)據(jù)，當(dāng)3d視窗和地物之間的距離小于固定閾值，所述三維地圖顯示與瀏覽系統(tǒng)調(diào)用三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。