CN101290222A - 通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，具体包括以下步骤：1)通过真正射影像提取建筑物顶面，得到平面矢量图形，同时得到矢量的平面坐标；2)对步骤1)中得到的平面矢量图形分别进行建筑顶面三角化处理和地面多边形三角化处理，并结合数字表面模型数据和数字高程模型数据生成建筑物模型和地面模型；3)将建筑物模型和地面模型组合生成三维场景模型；4)将三维建筑物模型与真正射影像进行纹理映射叠加，生成三维建筑物场景效果图。本方法加快了三维建筑场景的建模速度，减少了模型贴图的手工操作时间。利用本方法，可以对一特定区域进行一次整体的建模与纹理映射，得到真实有效的三维视觉效果，大大降低了场景建模的工作量。

Description

通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法

技术领域

本发明涉及一种构建三维场景的方法，更准确的，本发明涉及一种通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法。

背景技术

传统的摄影测量学方法一般使用航空影像来重建立体模型，观察立体效果要配带立体眼镜，不方便立体观测。

随着摄影测量技术的发展，现在常用的构建三维场景的方法有以下两种：

一、使用传统的正射影像和数字高程模型来构建三维场景

航空影像是经过中心投影形成的，而正射影像则是由航空影像经过纠正得到的一个接近垂直投影的影像。传统的正射影像有个缺点，就是忽略了建筑物，树木，桥梁等高耸物体的高度，没有对影像进行彻底的纠正，由于高程差，仍然存在像素位移，因而在传统的正射影像上能看到部分物体的侧面，如图1所示，传统正射影像与真正射影像相比较，传统正射影像上能看到部分物体的侧面，无法精确地进行物体的轮廓勾绘，但在真正射影像上看不到物体的侧面，可以精确地进行轮廓勾绘。

由于传统正射影像存在上述缺点，无法精确提取到高耸建筑物，树木，桥梁等物体的轮廓坐标，因而与数字高程模型结合后构建的三维场景模型图像不够精确真实，位置关系容易错移。

二、在数字表面模型上勾绘物体轮廓，进而构建三维场景

现在可以通过机载激光扫描系统的方法直接获取到数字表面模型，也可以使用航空摄影测量技术在影像匹配的基础上生成数字表面模型，然后使用数字表面模型规格化的方法来重建三维场景。但数字表面模型数据本身是没有颜色的，点集之间通过距离来区分，数据量大，在计算机上难以进行真实的纹理贴图，纹理坐标难以定位。

同时，数字表面模型规格化困难，精度不高。由于数字表面模型的精度没有航空影像的精度高，因而数字表面模型规格化不如直接在航空影像上提取轮廓更好。数字表面模型是三维表示的，由于数字表面模型是一片点集，在计算机上编辑难于确认三维物体的轮廓界线。

发明内容

本发明提供了一种构建三维建筑物场景的方法，通过获取航空影像，使用相关设备生成真正射影像(True Orthoimage)和数字表面模型(DSM)，通过坐标对应的方式使得建立的三维物体模型具有真实纹理，达到快速、高精度的重建三维地理场景的目的。

本发明的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，具体包括以下步骤：

1)通过真正射影像提取建筑物顶面，得到平面矢量图形，同时得到矢量的平面坐标；

2)对步骤1)中得到的平面矢量图形分别进行建筑物顶面多边形三角化处理和地面多边形三角化处理，并结合数字表面模型数据和数字高程模型数据进行高程读取，生成建筑物模型和地面模型；

3)将建筑物模型和地面模型组合生成三维场景模型；

4)将三维建筑物模型与真正射影像进行纹理映射叠加，生成三维建筑物场景效果图。

其中，提取建筑物顶面可以使用常用的矢量化制图工具勾绘建筑物轮廓线，得到一个不带高程Z值的平面矢量图形文件。

得到的平面矢量图形文件，是关于建筑物的平面位置信息，要正确地把建筑物三维表现出来，就要结合数字表面模型和数字高程模型来获取建筑物顶面高度和地面高度；该方法是把建筑物顶面多边形和地面多边形三角化，主要使用Delaunay三角剖分技术，而对于双层塔式屋顶面结构，则使用带洞多边形的Delaunay三角剖分技术。对于建筑物顶面为三角形的，先计算缩小的三角形，如果是平面则取三角形中点高度，如果是多个三角形则取平均值，如果是倾斜三角面，则求得平面方程，进一步求得原来各顶点的高程；结合数字表面模型数据和数字高程模型数据计算并确定建筑物顶面各点的三维坐标。

建筑物的高程包括两部分：顶面高程和底面高程。建筑物模型的顶面多边形和底面多边形形状相同，其中顶面的高程值需要从DSM数据文件中读取到，底面的高程值直接从DEM数据文件中读取。

本发明所述的纹理映射技术是指将一个纹理图像用函数映射到三维物体表面来描述景物的表面细节，是真实感图形生成的有效途径。二维纹理定义在一平面区域内，它可以用数学函数解释地表示，亦可以用各种数字化图像来离散定义。该平面区域上的每一点处均定义有一灰度值或颜色值，称该平面区域为纹理空间。在图形绘制时，应用纹理映射方法可方便地确定景物表面上任一可见点在纹理空间中的对应位置；该对应位置所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面在所述点处的纹理属性，如表面法向量、漫反射系数等。

由于采用了上述技术方案，使得本发明具备如下技术效果：

(1)本发明的建筑物模型是在真正射影像上提取建立的，其是利用数字微分纠正技术，改正了原始航空影像的几何变形，经过影像重采样后的影像视角都被纠正为垂直视角，与传统的正射影像相比，在大比例尺影像图中，避免了高大建筑的倾斜对其它地面物体的遮挡，在拼接地区能够实现平滑自然的过渡；

(2)本发明的真正射影像与数字表面模型的坐标关系存在一个接近正直投影的对应关系，其三维坐标与数字表面模型同样存在一个直接的对应关系，同时本发明还对不同形状的建筑物顶面多边形和地面多边形进行了不同的三角化处理，从而使得到的三维场景模型更加精确真实；

(3)本发明将三维建筑物模型与真正射影像进行纹理映射叠加，由于得到的三维场景模型位置关系精确，容易确定纹理坐标，纹理映射叠加后生成的三维建筑物场景效果图也更加准确，色彩自然，轮廓清晰；

(4)本发明全部操作均有可由计算机完成，加快了三维建筑场景的建模速度，减少了模型贴图的手工操作时间；

(5)本发明是使用整个区域的真正射影像作为对象，不需要进行影像建筑物顶面的裁剪，各个建筑物顶面会根据坐标自动纹理映射。因而可以对一特定区域进行一次整体的建模与纹理映射，得到真实有效的三维视觉效果，大大降低了场景建模的工作量。

总之，通过本发明方法得到的三维建筑物场景几乎不存在位置上的错移，轮廓清晰自然，精度高，建模速度块，工作量小。

附图说明

图1是传统正射影像与真正射影像比较图，其中图1A是传统正射影像图，图1B是真正射影像图；

图2为本发明的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法流程图；

图3是提取矢量轮廓线示意图，其中图3A是真正射影像图，图3B是对3A提取矢量轮廓线的示意图；；

图4是从真正射影像上矢量化建筑顶面示意图；

图5是建筑物顶面矢量图形；

图6是数字表面模型文件格式示意图；

图7是获取高度信息示意图；

图8是三角化示意图，其中图8A是简单建筑顶面三角化示意图，图8B是双层塔式建筑顶面三角化示意图；

图9是将屋顶多边形三角化后缩小三角形示意图；

图10是建筑物模型结构示意图，其中图10A是顶面图，图10B是侧面展开图；

图11是地面模型结构示意图；

图12是单建筑的三角化处理示意图；

图13是单个建筑顶面纹理映射示意图；

图14是整个建筑物场景模型与真正射影像的对应关系图；

图15是真正射影像与三维建筑物模型纹理映射叠加图，其中图15A是三维矢量模型图，图15B是真正映射像图，图15C是纹理映射效果图；

图16是整个三维建筑物场景的效果图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，更详细地描述本发明的较佳实施例。

根据本发明的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，具体包括以下步骤：

1)通过真正射影像提取建筑物顶面，得到平面矢量图形，同时得到矢量的平面坐标

使用法国的像素工厂(Pixel Factory)系统设备处理航空影像，生成真正射影像、数字表面模型和数字高程模型，三者是各自独立的产品，同时它们之间存在关联。

然后使用ESRI公司的ArcGIS软件对真正射影像进行矢量化，即用直线连接角点，得到一个不带高程Z值的平面矢量图形文件。

如图3所示为提取矢量轮廓线示意图。其中图3A为真正射影像，图3B在图3A基础上勾绘建筑物轮廓线，即用直线连结角点，从图3A可以清晰看出建筑物的角点轮廓，图3B将各角点连结，勾绘完成后得到一个不带高程Z值的平面矢量图形文件。

2)对步骤1)中得到的平面矢量图形分别进行建筑顶面三角化处理和地面多边形三角化处理，并结合数字表面模型数据和数字高程模型数据生成建筑物模型和地面模型

矢量化结束后最终得到的是关于建筑物的平面位置信息，要正确地把建筑物三维表现出来，就要结合数字表面模型和数字高程模型来获取表面高度和地面高度。数字表面模型和数字高程模型的数据存储格式采用国际标准的ASCII格式。先计算高程点的平面坐标，再求取高程点的高度值。高程点平面坐标确定公式如下：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\end{array}\right]+\mathrm{cellsize}\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{column}\\ \mathrm{row}\end{array}\right]$

X₀，Y₀为数字表面模型或数字高程模型块左下角起点平面坐标，cellsize为数字表面模型或数字高程模型分辨率间距，column和row分别表示数据所在的行列数。图6所示为数字表面模型文件格式示意图；xllcenter，yllcenter指示了左下角起点平面坐标值497246，3139213。例如左上角平面坐标由公式计算为(497246，3139879)，数字表面模型高度值为75.0。

根据建筑物顶面的角点平面坐标来获取高度信息是不可靠的，因为边界是高度变化的地方，无法确保获得的是屋顶的高度或地面的高度。更好的办法是把屋顶多边形三角化处理，计算缩小的三角形，如果屋顶是水平面则以三角形中点高度来代替顶面高度，如果是多个三角形则取平均值，但是有些屋顶并非是水平面的，如屋顶由倾斜三角面组成在国内外都很常见，可靠的方法是求得平面方程，再根据原多边形各顶点的平面坐标计算高程坐标。

对于带建筑顶面的地面多边形各顶点的高程坐标可以直接从数字表面模型和数字高程模型中读取得到。建筑物的高程包括两部分：顶面高程和底面高程。建筑物模型的顶面多边形和底面多边形形状相同，其中顶面的高程值需要从DSM数据文件中读取到，底面的高程值需要从DEM数据文件中读取到。

三角化技术主要使用Delaunay三角剖分技术，对于双层塔式屋顶面结构，本方法使用了带洞多边形的Delaunay三角剖分算法，洞是指外多边形内部还含有多边形。

图8是三角化示意图，其中图8A是简单建筑顶面三角化示意图，图8B是双层塔式建筑顶面三角化示意图；

如图9所示为将屋顶多边形三角化后缩小三角形示意图，将各个三角形按一定比例缩小，缩小系数可设为0.8。

如下公式1用于求取DSM和DEM高度，直接从数据文件中读取；公式2用于平面拟合；公式3求取三角形中点坐标，再用公式1即可读取到DSM和DEM高度。运用此三公式即可计算出建筑物角点的高度值，这种计算方法是可靠的，缩小的三角形保证了顶点位于建筑物屋顶面上，因而得到的是屋顶面的高程。

Z＝f(X，Y)       (公式1)

AX+BY+CZ+D＝0    (公式2)

$\stackrel{\‾}{X}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i,\stackrel{\‾}{Y}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i$ (公式3)

3)将建筑物模型和地面模型组合生成三维场景模型

建筑物模型表面可简单地分为顶面、侧面、底面，一般来说，底面与地面重叠，无需描述底面，因而模型数据结构的存放顺序一般为{顶面+侧面}；三角化后地面模型将生成Delaunay三角网，将两个模型组合起来就能得到三维建筑物场景模型。

图10是建筑物模型结构示意图，建筑物顶面和侧面采用三角形条带方式来存储，即顶点顺序走Z字形。顶面顶点存储顺序为{v₂，v₁，v₃，v₅，v₄}，侧面上方顶点为v₁-v₅，下方顶点为V′₁-V′₅，因为是侧面闭合的，两边界顶点相同，存储顺序为{V′₁，v₁，V′₂，v₂，V′₃，v₃，V′₄，v₄，V′₅，v₅，V′₁，v₁}，这里的顶点均是带三维坐标的。

图12是单建筑的三角化处理示意图，建筑物模型顶面和侧面经过三角化处理后由多个三角面相连接构成。

图11是地面模型结构示意图，地面模型采用三角形集合的方式来存储，如示意图，实际地面情况要复杂得多，每个三角形用三个顶点来表示，图中仅标示了编号为1，2，3的三角形，三角形集合为{{V₁，V₆，V₇}，{V₁，V₇，V₆}，{V₂，V₇，V₈}，...，}。

4)将三维建筑物模型与真正射影像进行纹理映射叠加，生成三维建筑物场景效果图

在图形绘制时，应用纹理映射方法可方便地确定景物表面上任一可见点P在纹理空间中的对应位置(u，v)，而(u，v)处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面在P点处的某种纹理属性，如表面法向量、漫反射系数等。如图13所示为单个建筑顶面纹理映射示意图；

若集合A表示某区域D上各点三维坐标向量的集合

A＝{(X，Y，Z)|(X，Y，Z)∈D}

集合B为二维影像各像素坐标与其灰度(颜色)的集合

B＝{(x，y，g)|(x，y)∈d}

其中d为与D相对应的影像区域。

真正射影像与数字表面模型的坐标关系存在一个接近正直投影的对应关系。建筑物模型是从真正射影像上提取建立的，其三维坐标与数字表面模型同样存在一个直接的对应关系，可以对要表达的三维场景模型区域进行一次总体的顶面纹理映射，图14是整个建筑物场景模型与真正映射像的对应关系图。

将真正射影像与三维建筑物模型进行纹理映射叠加即得到纹理映射效果图如图15所示，其中图15A是三维矢量模型图，图15B是真正映射像图，图15C是纹理映射效果图。图16是整个三维建筑物场景的效果图。

尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于较佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，具体包括以下步骤：

1)通过真正射影像提取建筑物顶面，得到平面矢量图形，同时得到矢量的平面坐标；

2)对步骤1)中得到的平面矢量图形分别进行建筑物顶面多边形三角化处理和地面多边形三角化处理，并结合数字表面模型数据和数字高程模型数据进行高程读取，生成建筑物模型和地面模型；

3)将建筑物模型和地面模型组合生成三维场景模型；

4)将三维建筑物模型与真正射影像进行纹理映射叠加，生成三维建筑物场景效果图。

2.根据权利要求1所述的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，其特征在于，所述提取建筑物顶面使用矢量化制图工具勾绘建筑物轮廓线。

3.根据权利要求1所述的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，其特征在于，所述建筑物顶面多边形三角化处理和地面多边形三角化处理，使用Delaunay三角剖分技术或带洞多边形的Delaunay三角剖分技术。

4.根据权利要求3所述的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，其特征在于，所述建筑物顶面三角化处理后，先进行缩小三角形处理，然后结合数字表面模型数据和数字高程模型数据，对建筑物顶面是水平面的取三角形中点高度；多个三角形取平均值；对建筑物顶面是倾斜三角面的，求取平面方程，计算并确定建筑物顶面各点的三维坐标，根据三维坐标生成建筑物模型。

5.根据权利要求3所述的通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，其特征在于，所述地面多边形三角化处理后，结合数字高程模型数据生成地面模型。

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