CN101364311A - 大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，该方法包括以下步骤：预处理阶段的图像质量改善；道路及建筑物轮廓的自动提取；道路及建筑物种子点的提取；道路及建筑物网络的生成；基于图像的三维城市模型创建；材质和纹理的应用；模型检验与优化。与现有技术相比，本发明建立的完善的供电系统仿真体系，可以为以后的突发事件应急预案设计、物流系统仿真、自然灾难模拟与仿真等提供前提条件。
Description
技术领域
本发明涉及建模的方法，尤其涉及大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法。
背景技术
在三维城市仿真模型的建立和应用过程中，需要涉及和利用大量的数据。近年来，遥感技术迅猛发展，遥感影像分辨率越来越高，可以达到1～2m甚至几十厘米。这些高分辨率的遥感影像为三维城市仿真模型的建模和数据更新提供了有利条件。然而人们对遥感信息的认识和利用程度要远远落后于通过空间和航空系统获取信息源的速度，至今还没有一套功能完善的系统能实现利用计算机从航空遥感数字影像中自动提取道路、建筑物等线性人工地物信息。与此同时，随着计算机软硬件技术的不断发展，大规模复杂场景的实时建模已经成为可能，这对模型的复杂度和真实感提出了新的要求，但构建稍显复杂的三维模型依旧是一件非常耗时费力的工作。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种高效实用的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)预处理阶段的图像质量改善；
(2)道路及建筑物轮廓的自动提取；
(3)道路及建筑物种子点的提取；
(4)道路及建筑物网络的生成；
(5)基于图像的三维城市模型创建；
(6)材质和纹理的应用；
(7)模型检验与优化。
所述的步骤(1)中预处理包括高分辨率遥感影像的校正处理、路面障碍物的去除、建筑物阴影的去除、保持边缘特征的局部区域滤波等。
所述的步骤(2)为基于高分辨率遥感影像中道路和建筑物面状区域几何-辐射特征的特殊性，对影像分割区域建立其拓扑关系，以提取准确的道路及建筑物轮廓信息。
所述的步骤(3)为提出利用几何-辐射特性结合区域形状分析提取地物典型区域片段的方法，并将这些典型片段作为匹配跟踪算法的种子点。
所述的步骤(4)为对道路延伸方向和建筑物种子点生长区域内的典型片段进行跟踪，排除虚假区域，形成道路和建筑物网络。
所述的步骤(5)中的模型包括地形模型、建筑模型、环境模型，所述的地形模型包括山地模型、平地模型，所述的建筑物模型包括重点模型、次重点模型，所述的环境模型包括树、花、草、路灯、湖、假山、亭子等。
所述的步骤(6)中的材质属性包括放射属性、反射属性，所述的放射属性决定了材质本身发光的程度，所述的反射属性决定了材质对光源的反射程度，所述的纹理数据可代替一些几何模型建模，减少模型数据量，提高实时渲染效率。
所述的步骤(7)包括：
a.的在模型创建完成后，将其放到实际的仿真程序中检验其性能并进行优化；
b.尽量减少多边形的数量来表现最真实的模型，可获得更好的效果；
c.检查所有的层次细节，确保层次细节之间的过渡平滑和所有数据不突然跳出视区范围之外；
d.调整多边形的纹理和材质的格式、大小和数量，采用合适的纹理有利于发挥系统的效率和提高仿真效果。
与现有技术相比，本发明建立的完善的供电系统仿真体系，可以为以后的突发事件应急预案设计、物流系统仿真、自然灾难模拟与仿真等提供前提条件。
具体实施方式
实施例1
本发明首先通过研究具体的图形图像处理算法，建立解决各种图象处理问题的数学模型，实现自动提取道路和建筑物轮廓；其次，通过对数学模型的理论分析，提出相应的集中式或分布式的建模算法，分析算法的收敛性，恢复物体的视觉外观、光照条件已经运动学特征等多种属性；最后，研究通过对城市建模进行仿真或对算法进行数值实验。验证和比较算法的效率。
具体步骤如下：
(1)预处理阶段的图像质量改善：预处理使得道路和建筑物的几何-辐射特征尽可能趋向于理想模型，这包括高分辨率遥感影像的校正处理、路面障碍物的去除、建筑物阴影的去除，保持边缘特征的局部区域滤波等；
(2)道路及建筑物轮廓的自动提取：基于高分辨率遥感影像中道路和建筑物面状区域几何-辐射特征的特殊性，对影像分割区域建立其拓扑关系，提取准确的地物边缘信息；
(3)道路及建筑物种子点的提取：提出利用几何-辐射特性结合区域形状分析提取地物典型区域片段的方法，并将这些典型片段作为匹配跟踪算法的种子点；
(4)道路及建筑物网络的生成：对道路延伸方向和建筑物种子点生长区域内的典型片段进行跟踪，排除虚假区域，形成道路和建筑物网络；
(5)基于图像的三维城市模型创建：将模型分为地形模型、建筑模型和环境模型分别进行创建。地形模型又可分为山地模型和平地模型。山地模型对于精度要求较低，可以利用航测数据，提取其高程值，生成山模型；平地模型对精度要求较高，则利用地形图，控制各点的高程值生成地面模型。建筑物模型也应根据实际情况分为重点模型和次重点模型，对于重点模型应该表现其全部并突出细节，对于次重点模型则只要求表现其基本形体结构。环境模型包括树、花、草、路灯及湖、假山、亭子等，它的一个重要特征就是相同类型的模型数量非常多，对于这类模型，可以采取以面模型代替体模型的方法；
(6)材质和纹理的应用：材质属性决定了物体表面如何反射光线，包括放射属性和反射属性。前者决定了材质本身发光的程度，后者决定了材质对光源的反射程度，即物体的颜色。材质是颜色、光泽度、透明度等属性的集合。纹理数据还可以代替一些几何模型建模，减少模型数据量，提高实时渲染效率；
(7)模型检验与优化：在模型创建完成后，将其放到实际的仿真程序中检验其性能并进行优化。可获得更好的效果，尽量减少多边形的数量来表现最真实的模型。并检查所有的层次细节，确保层次细节之间的过渡平滑和所有数据不突然跳出视区范围之外。最后调整多边形的纹理和材质的格式、大小和数量，采用合适的纹理有利于发挥系统的效率和提高仿真效果。
针对目前城市仿真建模过程中存在的问题，运用图形图像处理、计算机视觉、模式识别等理论和技术，在卫星图像、数码照片、GIS信息及原始地图等信息的基础上，对图像配准、去噪、重要人工地物信息自动提取和生成以及代表性区块自动填铺、自动拉伸等关键技术给出理论上的解决方案，并结合虚拟现实技术，设计和构建一个动态、实时、交互式自动生成的三维城市仿真模型。该项目的成果将应用于实际的工程项目“小洋山港区110kv电力系统故障仿真”中，对洋山深水港供电系统设施设备所经过或服务的区域进行整体建模并进行故障应急预案仿真。
主要技术指标：
对二维半建筑物轮廓能进行自动识别、自动处理并能自动生成建筑物形体，在高度方向采用人机交互的方式快速设定并自动重新生成。建筑物轮廓的自动识别率超过60％；
三维参数化数据库的建立，根据目前规范以及常用设计，参数化设计超过500个三维模型库，其中包括道路标准模型库、建筑物规范屋顶模型库、道路网格库、纹理库等；
对道路能进行自动识别与处理，自动生成道路的比率超过75％；
达到视觉认可的真实感效果，经过简单的纹理优化处理，满足真实感显示与表达的要求；
能实时进行虚拟漫游。在漫游速度不低于120迈的条件下能达到虚拟漫游环境的实时处理与显示，没有任何延时；
虚拟漫游软硬一体化系统的具体技术指标：
1.像素填充率：不小于1.9G像素/秒；
2.纹理处理能力支持专用内存；纹理支持2048×2048，支持Anisotropic纹理；
3.图像分辨率：1400 X 1050@85Hz；
4.支持的操作系统：Microsoft Windows操作系统，完全兼容OpenGL；
5.硬件支持：PCI总线、支持ScramNet+实时网，支持SBS实时网；
6.图像深度系数：大于3；
主要经济指标：
本发明研究成果首先要应用到上海洋山深水港近55KM的地面模型的建立，建立一个完善的供电系统仿真体系，同时为以后的突发事件应急预案设计、物流系统仿真、自然灾难模拟与仿真等提供前提条件。完成这些项目的直接经济效益将超过1000万元。
本发明的研究成果还将至少应用到一个中等城市的中心区域的数字模型及虚拟系统的建立(范围不少于30KM)，项目经济效益将超过600万元。随着示范效应与应用的进一步推广，经济效益将进一步扩大。
Claims (8)
1.大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)预处理阶段的图像质量改善；
(2)道路及建筑物轮廓的自动提取；
(3)道路及建筑物种子点的提取；
(4)道路及建筑物网络的生成；
(5)基于图像的三维城市模型创建；
(6)材质和纹理的应用；
(7)模型检验与优化。
2.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中预处理包括高分辨率遥感影像的校正处理、路面障碍物的去除、建筑物阴影的去除、保持边缘特征的局部区域滤波等。
3.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(2)为基于高分辨率遥感影像中道路和建筑物面状区域几何-辐射特征的特殊性，对影像分割区域建立其拓扑关系，以提取准确的道路及建筑物轮廓信息。
4.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(3)为提出利用几何-辐射特性结合区域形状分析提取地物典型区域片段的方法，并将这些典型片段作为匹配跟踪算法的种子点。
5.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(4)为对道路延伸方向和建筑物种子点生长区域内的典型片段进行跟踪，排除虚假区域，形成道路和建筑物网络。
6.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(5)中的模型包括地形模型、建筑模型、环境模型，所述的地形模型包括山地模型、平地模型，所述的建筑物模型包括重点模型、次重点模型，所述的环境模型包括树、花、草、路灯、湖、假山、亭子等。
7.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的材质属性包括放射属性、反射属性，所述的放射属性决定了材质本身发光的程度，所述的反射属性决定了材质对光源的反射程度，所述的纹理数据可代替一些几何模型建模，减少模型数据量，提高实时渲染效率。
8.根据权利要求1所述的大规模城市仿真中快速自动建立模型的方法，其特征在于，所述的步骤(7)包括：
a.的在模型创建完成后，将其放到实际的仿真程序中检验其性能并进行优化；
b.尽量减少多边形的数量来表现最真实的模型，可获得更好的效果；
c.检查所有的层次细节，确保层次细节之间的过渡平滑和所有数据不突然跳出视区范围之外；
d.调整多边形的纹理和材质的格式、大小和数量，采用合适的纹理有利于发挥系统的效率和提高仿真效果。
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| Publication Number | Publication Date |
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2008
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