CN103871102B - 一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，利用道路轮廓面中心线，将道路轮廓面分割为等步距的多个片段，分别模拟每个道路片段的三维形态，然后再组合成整个道路三维模型，从而使得能够较好地模拟道路面各个部分的三维变化情况，而且每个平分点的高程点搜索半径限制在道路面以内，避免了道路面外面高程的干扰，因此本发明能够较准确地去除非关联高程点，为道路面高程的准确计算做出了贡献。可见，本发明利用“整体分割”的思想，借助面片分割、高程异常点剔除、高程空间插值等手段，较为精确地建立道路面的三维模型，达到三维建模自动化的目的。实验结果表明，该方法无论是在建模形态效果、精度还是速度上均能较好地满足实际的需要。

Description

一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，属于地理空间三维建模技术领域。

背景技术

随着GIS技术、计算机技术和网络技术的发展，将现实空间数字化、虚拟化以建立数字地理空间已经成为世界各国把握高新技术潮流、推动经济发展的重要手段，以数字城市、数字地球等为代表的数字地理空间在土地利用监管、空间信息管理、城镇体系规划和管理上都有着重要作用。数字地理空间建立的基础是地理数据三维模型的建立。数字地理空间是一个以计算机为基础的虚拟现实系统，通过显示器、触摸屏、鼠标、键盘等计算机外设设备与用户交互仿真，使之产生身临其景的感觉，所以数字地理空间展现的不是二维的、静态的、局部的图像和数字，而是三维全景、可交互式的实时场景，其中的场景能随着用户视野的不同而实时改变，所以这就要求将地理空间中的所有地物全部数字三维模型化。测绘手段获取的地物空间数据基本属于2D或者2.5D结构，表现的只是平面信息，高程信息只是作为属性信息关联在其中，无法表现地物的三维结构。为了将实地采集的测量数据用于数字地理空间，传统的方法是借助AutoCAD或者3DS MAX等三维建模软件根据地理坐标人工建立三维模型，这种方法需要耗费大量的时间和人力成本，在小范围采用尚可，大规模建模往往是要耗费大量资源的，而且是不现实的，况且这些建模软件不是专业的地理信息系统软件，建立的模型还存在着与地理基面衔接的问题。

目前已经有研究者开始探索利用计算机自动大规模三维建模，并取得一定成果，其方法大致可以归结为以下两类:利用高程点划分泰森多边形建模和利用DEM高程建模，这些方法适用于不需要约束边界和不考虑内部平整的情况。但是道路面作为一种人工修筑的大面积地物，具有自身的特点，如道路面横向基本平整，纵向则可能有较大的高低起伏，各种不同属性的道路面，如机动车道和非机动车道之间，其内部可能各有各的高程变化，但是相互的边缘一定是衔接的，道路面三维模型大体应该由规则凸多边形组成，且包含的多边形面的数目不宜太多。现有的方法用于道路三维建模则存在诸多缺陷，无法满足实际应用的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服上述技术问题，提出一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，包括以下步骤:

第一步、将道路轮廓面的中心线按相同间距平分，记录每个平分点；

第二步、作每个平分点到道路面边线的垂线；

第三步、以平分点为中心，相应的最大垂线长度为半径画圆，搜索圆内的高程点，并对异常高程点进行剔除，利用剩下的高程点通过空间插值的方法得到平分点的高程；

第四步、在按道路方向连接平分点获得连接线，并计算连接线的坡度值，当相邻连接线的坡度值差异过大时，则对具有异常坡度值的平分点的高程进行修正，获得一组坡度变化较小的连接线；

第五步、按照坡度值变化，对该组连接线进行的平滑处理，将平分点调整至平滑后的连接线上，使平分点的高程变化平稳；

第六步、在每个平分点上作道路中心线的垂线作为切割线，用切割线水平切割道路轮廓面，计算每个切割面的三维形态，连接相邻三维切割面即获得构成整个道路面的三维精细模型。

本发明的创新点在于，利用道路轮廓面中心线，参照道路面宽度，将道路轮廓面分割为一定步距的多个片段，分别模拟每个道路片段的三维形态，然后再组合成整个道路三维模型，即整体到部分，再到整体的方式，从而使得能够较好地模拟道路面各个部分的三维变化情况，而且每个平分点的高程点搜索半径限制在道路面以内，避免了道路面外面高程的干扰，因此本发明能够较准确地去除非关联高程点，为道路面高程的准确计算做出了贡献。

在传统的三维建模方法中，无论是使用泰森多边形还是DEM，都难以顾及道路面边线的约束条件，容易引进外部高程点，对三维计算的精度造成干扰，使得生成模型的边缘通常不与道路面的边缘重合，这时就需要使用原有的二维的道路面去裁剪三维模型，使得运算量巨大、耗时长、而且需要人工进行修正。而且传统方法生成模型的面片形状往往不规则；在高程点数量多时，面片数量冗余，在高程点数量少时，面片数量又过少难以模拟道路的三维形态。

而本发明正是通过“整体分割”的方式，以原有的道路轮廓面为基础，按照建模精度要求预先将道路面划分为特定形态和数量的面片，然后再用面片内的高程点调整其三维姿态，这样充分考虑了道路的边缘约束，三维模型在二维平面上的投影和原有道路面完全重合，而且三维模型的面片形状较为规则，面片的数量由建模精度决定，冗余量较小。整个建模过程不再涉及裁剪等复杂的空间运算，大大缩短了运算时间，而且最终获得的三维模型几乎不需要再进行人工修正。

此外本发明还提供了剔除异常高程点和修正高程值的方法，分别基于地统计和坡度值变化。

按照地统计的理论，一定范围内（搜索半径以内）地物是存在空间关联的关系的，地物之间的高程变化一般不会出现太大的突变，对于道路面这种变化平稳的地物，情况更是这样。搜索半径内的高程点的高程分布应该近似于高斯分布，高程点的高程与高程平均值相差数个标准差的情况是极小概率的事件，此时就认为该高程点是异常高程点，应该予以剔除，不参与后面的计算。

本发明第三步中，基于地统计的剔除异常高程点的方法是：针对每个平分点，分别计算搜索到的圆内高程点的高程平均值和标准差，若某个圆内高程点的高程值与高程平均值的差的绝对值大于M倍的标准差，就将该高程点剔除，M的取值范围为2-3。

当某一平分点的高程异常时，按道路方向连接平分点后，整条连线的坡度值变化在异常高程点处会出现先陡升，后陡降的情况。

本发明第四步中，平分点的高程修正方法是：分别计算连接线坡度值的平均值和标准差，从道路一段开始，若相邻两条连接线的坡度值与坡度平均值的差的绝对值均大于N倍的坡度标准差，N的取值范围为1-3，则将这两条连接线公共的平分点的高程用其前后平分点高程的平均值代替。

本发明利用“整体分割”的思想，提出了一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维建模方法。该方法借助面片分割、高程异常点剔除、高程空间插值等手段，较为精确地建立道路面的三维模型，达到三维建模自动化的目的。实验结果表明，该方法无论是在建模形态效果、精度还是速度上均能较好地满足实际的需要。

附图说明

下面结合附图对本发明的基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法作进一步说明。

图1是本发明按步距平分中心线，获得平分点示意图。

图2是本发明确定高程搜索半径的示意图。

图3是本发明使用地统计剔除异常高程点，利用空间插值计算平分点高程值示意图。

图4是本发明使用坡度值修正异常高程的示意图。

图5是本发明进行高程平滑的示意图。

图6是本发明计算面片三维形态，组合所有面片形成的道路三维精细模型图。

具体实施方式

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本实施例基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，包括以下步骤:

第一步、将道路轮廓面的中心线按相同间距平分，记录每个平分点（见图1）。

获取平分点是将道路面分割为面片的基础，平分点的选取决定了面片的大小和道路三维建模的精度，平分点愈多，分割的面片的数量愈多，三维模型的细节精度愈准确，但是面片数量过多会造成模型结构复杂和存储体积变大；反之，则会使面片的数量过少，难以充分表现道路面的三维形态，丧失细节精度。所以，平分点的选取不但需要考虑到建模精度，也要考虑到模型的复杂程度。

平分点的选取是根据规定的步距来进行的，在道路轮廓面的中心线上，从中心线的起点开始，每隔相同的步距就取一个点作为平分点，直至中心线的终点。步距是由三维建模要求的精度和路道的实际形状两方面来考虑的，一般来说，在相同的建模精度要求下，宽度较宽、走向笔直的道路的步距可以适当加长，而宽度较窄，走向弯曲的道路的步距则要求缩短，以保证建模细节的准确。

在平分点都选取后，按照道路轮廓面中心线的走向，依次给平分点编号，并存入链表。

第二步、作每个平分点到道路面边线的垂线，以长度最大的垂线作为相应平分点的高程点搜索半径，如图2所示。

在上一步得到的每个平分点上，分别作从平分点到道路两边的垂线，此时可以得到两条垂线，选取长度最长的垂线作为该平分点用于搜索高程点的高程点搜索半径。高程点搜索半径的确定其实划定了一个以平分点为中心的圆形区域，而选取长度最长的垂线作为圆的半径则可以保证该圆形区域的范围可以尽量覆盖以平分点为中心的道路面区域，而又不会引入道路面以外的高程点。

第三步、以平分点为中心，相应的最大垂线长度为半径画圆，搜索圆内的高程点，并对异常高程点进行剔除，利用剩下的高程点通过空间插值的方法得到平分点的高程（见图3）。

本步骤中，平分点利用高程搜索半径搜索到的高程点中，由于数据采集误差等原因，某些高程点的高程值会与实际值存在偏差，这些高程点就是异常高程点，所以在利用高程点插值平分点高程的时候需要移除所有的高程异常点。

剔除高程异常点的具体方法如下：针对每个平分点，分别计算搜索到的圆内高程点的高程平均值和标准差，若某个圆内高程点的高程值与高程平均值的差的绝对值大于M倍的标准差，就将该高程点剔除，本例中M的取值为2。倍数M决定了排除高程点的严格程度，M越小，移除的高程点愈多，按照地统计的理论，M取值一般在2-3。

在剔除高程异常点后，使用剩下的高程点，利用空间插值计算平分点的高程值，本例使用较为常用的插值方式——反距离权重插值，该方法为每个高程点分配计算权重，权重是一个距离函数，离平分点越远越小，最后所计算的加权平均值就是平分点的高程。

第四步、所有平分点的高程值都获取后，在按道路方向连接平分点获得连接线，并计算连接线的坡度值，当相邻连接线的坡度值差异过大时，则对具有异常坡度值的平分点的高程进行修正，获得一组坡度变化较小的连接线（见图4）。

本步骤中，平分点的高程修正方法是：分别计算连接线坡度值的平均值和标准差，从道路一段开始，若相邻两条连接线的坡度值与坡度平均值的差的绝对值均大于N倍的坡度标准差，本例中N取1.5，N取值范围一般在1-3，此时该平分点的坡度变化就会呈现出先突升后突降，或先突降后突升（如图4所示）的情况，说明平分点的高程值存在异常情况，出现这种情况的原因包括异常高程点没有排除完全、进行空间插值的高程点数量过少等原因，此时将这两条连接线公共的平分点的高程用其前后平分点高程的平均值代替。

使用上述方法可以在第三步的基础上进一步修正高程异常，而且还能修正高程点过少带来的空间插值偏差的问题。

第五步、按照坡度值变化，对该组连接线进行的平滑处理（如图5所示），将平分点调整至平滑后的连接线上，使平分点的高程变化平稳。

本步骤中使用抽稀算法进行高程变化上的平滑。

考虑到本发明中的平分点是按照等间距的步距选取的，其数量一定，但是在较平整的道路面，平分点的高程相对一致或者变化平稳，道路面的高程变化可以用较少的平分点表示，这样可以减少分割的面片数量，简化道路三维模型结构。这里可以采用抽稀算法进行平分点数量的简化，其思想是在保证高程变化特征不变的情况下，最大限度地减少平分点个数。

本例使用较为成熟的Douglas-Peuker算法，规定高程变化限差Δ，对于高程变化大于Δ的平分点认为是高程变化特征点，予以保留，反之则去除。经过抽稀后的平分点代表了精度要求下道路面高程变化特征，而平分点之间的区域则是高程变化平缓的区域，将建模为单一的多边形面片。

第六步、在每个平分点上作道路中心线的垂线作为切割线，用切割线水平切割道路轮廓面，切割线上每个点的高程值都与对应的平分点的高程值一样，计算每个切割面的三维形态，连接相邻三维切割面即获得构成整个道路面的三维精细模型（见图6）。

本步骤中，切割线水平切割道路轮廓面，高程值和对应平分点相同的直线，切割线将道路轮廓面分割为若干多边形面片，前后面片的相邻边就是切割线，面片的三维形态根据将其切割的两条切割线形成的三维平面决定，即面片落在两条切割线决定的三维面之中。每个面片的三维形态计算完毕后，将其在相邻边相连，最终形成完整的三维道路模型。

经过上述处理，可以得到最终的三维道路模型。图1-图6为运用本方法，对一段道路平面进行建模处理得到的各步骤效果图。可以看到，各步骤处理过程都很好地围绕道路面三维建模展开，没有出现明显偏离。因此，最终得到结果符合道路实际情况，能够表现道路变化特征，模型结构合理，面片形态和数量合适，符合道路三维建模的要求。

本发明的基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，包括以下步骤:

第一步、将道路轮廓面的中心线按相同间距平分，记录每个平分点；

第二步、作每个平分点到道路面边线的垂线；

第三步、以平分点为中心，相应的最大垂线长度为半径画圆，搜索圆内的高程点，并对异常高程点进行剔除，利用剩下的高程点通过空间插值的方法得到平分点的高程；

第四步、按道路方向连接平分点获得连接线，并计算连接线的坡度值，当相邻连接线的坡度值差异过大时，则对具有异常坡度值的平分点的高程进行修正，获得一组坡度变化较小的连接线；

第五步、按照坡度值变化，对该组连接线进行平滑处理，对具有异常坡度值的平分点的高程进行修正后的平分点调整至平滑后的连接线上，使平分点的高程变化平稳；

第六步、每个平分点上作道路中心线的垂线作为切割线，用切割线水平切割道路轮廓面，计算每个切割面的三维形态，连接相邻三维切割面即获得构成整个道路面的三维精细模型。

2.根据权利要求1所述的基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，其特征在于，第三步中，剔除异常高程点的方法是：针对每个平分点，分别计算搜索到的圆内高程点的高程平均值和标准差，若某个圆内高程点的高程值与高程平均值的差的绝对值大于M倍的标准差，就将该高程点剔除，M的取值范围为2-3。

3.根据权利要求1所述的基于高程点和道路轮廓面的道路三维精细建模方法，其特征在于，第四步中，还分别计算连接线坡度值的平均值和标准差，从道路一段开始，若相邻两条连接线的坡度值与坡度平均值的差的绝对值均大于N倍的坡度标准差，N的取值范围为1-3，则将这两条连接线公共的平分点的高程用其前后平分点高程的平均值代替。