CN102254350A

CN102254350A - 一种三维模型的匹配方法

Info

Publication number: CN102254350A
Application number: CN2011101870018A
Authority: CN
Inventors: 李成名; 马照亭; 殷勇; 赵占杰; 王继周; 印洁; 沈涛; 孙伟; 焦孟凯; 路文娟; 方驰宇; 张成成; 孙隆祥; 洪志远; 赵园春
Original assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Current assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明提供了一种三维模型的匹配方法，包括步骤：判断地物模型的几何形态：当地物模型的几何形态为点状，则相对地形模型对地物模型进行空间位置配准；当地物模型的几何形态为面状或带状，则将地物模型与地形模型进行匹配。以实现地物模型与地形模型数据层次的融合匹配，从而解决在目视比例尺条件下出现地物模型飘在空中或钻入地下等失真现象的问题。

Description

一种三维模型的匹配方法

技术领域

本发明涉及三维模型技术领域，特别是指一种三维模型的匹配方法。

背景技术

虚拟三维地图是以现实地理信息为基础，基于WEB GIS和虚拟现实技术所实现。可以通过任何方式(诸如采用人工拍照方式采集)获得实际三维的地理信息。将获得的地理信息进行加工拼接，通过建模(地形模型和地物模型)的方式加以整理，最后以虚拟现实的方式呈现。其中，地物模型依托地形模型而存在，为达到较好的视觉效果，二者之间必须无缝匹配。

目前，基于中小比例尺地图的虚拟地形环境的构建方案通常是在DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)上映射包括地形、地物在内的地表的二维纹理，偶尔对重要地物使用简单模型表示，虽然能够满足视觉感受到要求，但实现精度较低。而基于大比例尺地图的虚拟地形环境的构建方案，由于观察视点的接近以及应用中对各种查询和分析的需要，所以要求构建的环境既能准确地表现地形特征又能使地物与地形精确融合，准确地查询出地物的属性，以满足目视及精确定位的要求。而在实际的开发过程中，由于地物、地形模型往往是通过不同的建模软件生成的，双方的数据结构和组织方式有很大差别等原因，导致地物模型往往与地形模型不能匹配，从而导致在目视比例尺条件下出现地物模型飘在空中或钻入地下等失真现象。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三维模型的匹配方法，以实现地物模型与地形模型数据层次的融合匹配，从而解决在目视比例尺条件下出现地物模型飘在空中或钻入地下等失真现象的问题。

本发明提供的一种三维模型的匹配方法，包括步骤：

判断地物模型的几何形态：

当地物模型的几何形态为点状，则相对地形模型对地物模型进行空间位置配准；

当地物模型的几何形态为面状或带状，则将地物模型与地形模型进行匹配。

由上可以看出，通过地物模型与地形模型之间的相互匹配，解决了在目视比例尺条件下出现地物模型飘在空中或钻入地下等失真现象的问题。

在上述方法中，相对地形模型对地物模型进行的所述空间位置配准为采用线性配准或多项式配准修正地物模型的坐标。

由上可以看出，相对地形模型对地物模型进行的所述空间位置配准相对简单，且容易实现。

在上述方法中，将地物模型与地形模型进行匹配包括：根据地物模型对地形模型进行改造以及根据改造后的地形模型对地物模型进行改造。

由上可以看出，通过地物模型与地形模型之间的相互改造，可使地物模型与地形模型之间最大程度地融合、匹配。

在上述方法中，所述根据地物模型对地形模型进行改造包括以下步骤：

A、判断面状地物模型是否存在二维底座多边形；若存在，则进入下一步；否则，根据面状地物模型的三维模型求取位于其底座基准面上的散乱点，并求出所述散乱点的凸包；

B、根据面状地物模型的二维底座多边形或凸包的范围确定所述面状地物模型所覆盖的地形模型表面的范围，即由代表地形模型走势的不规则三角网组成的多边形区域；

C、判断出所述不规则三角网中落在所述底座多边形或凸包内的点；

D、删除这些点，同时删除与此点相关联的所有三角形；

E、判断所述面状地物模型的底座基准高度是否存在；若是，则将底座多边形或凸包边界点的高程统一赋值为所述面状地物模型的底座基准高度；否则，根据底座多边形或凸包的中心点向地形模型表面做投影后求取所述面状地物模型中心点的高程，最后将底座多边形或凸包边界点的高程统一修改为所述面状地物模型中心点的高程；

F、重新剖分所述面状地物模型底座多边形或凸包的边界点，并将由此生成的新三角形加入到所述不规则三角网中。

由上可以看出，根据地物模型底部特征将地物模型底部(底座多边形或凸包)范围内的地形模型重新构网，可以使地形模型与坐落于其上的地物模型较好的匹配。

在上述方法中，在根据地物模型对地形模型进行改造之前对粒度庞大的面状地物模型进行打散处理。

在上述方法中，在完成所述的根据地物模型对地形模型进行改造之后，对被打散的面状地物模型进行聚合处理。

由上可以看出，通过打散粒度庞大的面状地物模型，可以避免地物模型凸包之间的交叉，从而解决由于凸包相互交叉而影响地物模型与地形模型匹配效果的问题。并且在完成所述改造后，通过聚合上述地物模型以保持所述地物模型的原貌。

a、获取带状地物模型的中心线；

b、判断所述中心线上各个定位点是否存在高程：若是，则进入下一步；否则，分别以所述中心线上的各个定位点向地形模型表面作投影，然后在地形的不规则三角网中求取所述中心线上的各个定位点的高程，之后进入下一步；

c、沿所述中心线左右构造给定宽度的平行线，其中，所述平行线的高程值与所述带状地物模型中心线上各个定位点的高程值相等，即对带状地物模型进行了双线化处理，获取了所述带状地物模型轮廓多边形；

d、根据所述带状地物模型轮廓多边形的范围确定其覆盖的地形表面的范围，即由代表地形走势的不规则三角网组成的多边形区域；

e、判断出所述不规则三角网中落在所述带状地物模型轮廓多边形中的点；

f、删除这些点，同时删除与这些点相关联的所有三角形；

g、重新剖分所述带状地物模型轮廓多边形的边界点和所述带状地物模型的地形影响边界点后，将由此生成的新三角形加入到所述不规则三角网中。

由上可以看出，根据带状地物模型中心中截面轴线随地形起伏的特点，对所述带状地物模型周围的地形模型进行填挖处理(即带状地物模型位于地形模型以下则挖，反之则填)，以实现带状地物模型与地形模型之间的无缝连接。

在上述方法中，所述根据改造后的地形模型对地物模型进行改造包括：

抬高或降低地物模型中心点，使地物模型底座面与改造后的地形模型完全融合。

由上可以看出，通过抬高或降低地物模型中心点使地物模型底座面与改造后的地形模型完全融合，增加了地物模型与地形模型之间的匹配精度。

在上述方法中，在进行三维模型的匹配之前，采用四叉树数据结构建立地形模型的空间索引；采用R树数据结构建立地物模型的空间索引。

由上可以看出，通过对地物模型和地形模型建立空间索引，可实现对海量三维数据的有效管理。

在上述方法中，在所述根据地物模型对地形模型进行改造之前，根据地物模型的中心点，在地形模型中利用四叉树索引定位所述地物模型对应的地形块。

由上可以看出，通过上述方法可以在较为密集的地物模型中快速定位与不同地物模型相对应的地形模型。由此可以提升整个方法的执行效率。

附图说明

图1A为三维模型地形层空间索引示意图；

图1B为三维模型地物层空间索引示意图；

图2为本发明提供的三维模型匹配方法流程图；

图3为地物模型飘在空中或钻入地下等失真现象的示意图；

图4为地物模型匹配到地形模型的示意图；

图5为建筑物模型(无底座多边形)匹配到地形模型的透视图；

图6A为道路与地形模型匹配之前，道路与地形TIN叠加的示意图；

图6B为道路与地形模型匹配之后，道路与地形TIN叠加的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种三维模型的匹配方法进行详细介绍。

对于一个三维场景来说，需要管理大量的三维模型及其纹理数据。以三维数字城市为例，仅一个城市中一个尺度具有照片质感的三维建筑物模型数据就可能有几十GB字节之多。为了利用数据库有效地管理和调度三维场景中海量的三维模型数据，可采取层-区-块-模型的数据组织策略，同时对个层次数据选择高效的索引机制。这样组织、管理三维模型数据，有利于提高空间分析的效率，便于三维场景裁剪和提取，从而方便三维模型的匹配中的数据处理和分析。

本实施例在进行三维模型匹配之前，首先按照三维场景中的事物类型，将三维模型数据划分为地形层(表示山地、丘陵等地形数据)和地物层(表示建筑物、道路、水系、绿地等地物数据)。接着将地形层和地物层划分为多个大的区域，例如可根据行政区域划分将地形层和地物层划分为海淀区域、朝阳区域等，也可按照地貌将地形层和地物层划分为平原区域、丘陵区域等。每个区域包括若干个块，比如海淀区域包括某某街道、社区等。每个块由三维模型数据组成，例如某某社区由建筑物三维模型数据和绿地三维模型数据组成。

接着，以层-区-块-模型的数据组织为基础，构建空间索引。在本实施例中，对于地形层和地物层的数据可分别采用不同的数据结构构建空间索引。其中，由于地形层数据可以连续不重叠地覆盖整个虚拟场景区域。因此，如图1A中的虚线所示，在地形层可以采用四叉树索引(其基本思想是将一幅栅格数据层或图像等分为4部分，逐块检查其格网属性值(或灰度)；如果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区分割为四个子区；这样依次分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止)。

而像建筑物、道路等大多数地物的集合外接矩形是相互重叠的。因此，如图1B中的粗实线所示，在地物层可以采用R树索引。R树是一种动态索引结构，即：它的查询可与插入或删除同时进行，而且不需要定期地对树结构进行重新组织。R树索引的建立过程简单描述如下：

1、建立一个R树数据结构；(公知技术，不再赘述)

2、设置R树结点中单元个数的上限和下限；(每一个叶子结点中包含的单元的个数介于上下限之间)

3、将所述场景中的地物模型逐一加入到R树中，其中，R树中非叶结点单元为包含其对应孩子的最小外接矩形，而叶结点为包含对应的空间对象的最小矩形；

4、按照检索效率最大化的需要，选择R树中某级非叶结点作为地物层的区、块。

此外，还可以区、块为单位建立R树索引，以提高检索效率。

在上述三维数据的组织和管理的基础上，对三维模型进行匹配的方法主要是根据地物模型几何形态对地形模型进行配准或改造，具体如图2所示：

首先，判断地物模型的几何形态，如果地物模型的几何形态为点状(例如独立的树、路灯电线杆等)，即属于独立于地形的地物模型，则相对地形模型对地物模型进行空间位置配准，即采用线性配准或多项式配准修正地物模型的坐标(其中考虑了由于地形LOD(层次细节模型)简化造成的地表面高度变化的情况)，此处为公知技术，不再赘述；如果地物模型的几何形态为面状或带状，即属于依赖于地形的地物模型，则将依赖于地形的地物模型与地形模型进行匹配。

由于依赖于地形的地物在几何形态上呈现为面状或带状，与地形的起伏走向关系密切。此外，由于此类地物覆盖地表的范围大、跨度长。因此，需要根据此类地物对地形进行改造，以使此类地物与地形相匹配。

在本实施例中，将依赖于地形的地物模型与地形模型进行匹配的方法包括：根据地物(建筑物、道路)对地形进行改造以及根据改造后的地形对地物(建筑物、道路)进行改造。

下面，分别以作为面状地物代表的丘陵地带建筑物以及作为带状地物代表的丘陵地带道路为例，详细介绍依赖于地形的地物模型与地形模型之间的匹配。

由于建筑物在大比例尺条件下是一个三维实体，建筑物的基准面是水平的，而地形(例如丘陵地带)是起伏的。因此，当建筑物跨在两个或多个地形模型的构造面片上时，就会出现图3示出的建筑物钻入地下或与地表之间存在空隙等失真现象。这就需要根据建筑物对地形进行改造，具体改造方法包括：

步骤1：判断建筑物是否存在二维底座多边形；若存在，则进入下一步；否则，根据建筑物的三维模型求取位于其底座基准面上的散乱点，并求出散乱点的凸包(公知技术，不再赘述)，之后进入下一步。在本实施例中，对于不存在二维底座多边形的建筑物，依据其底座基准面上的散乱点是其上高度最低的点，由此可求出相当于所述建筑物底座的散乱点的凸包。

步骤2：根据建筑物的二维底座多边形或底座多边形凸包的范围确定所述建筑物所覆盖的地形表面的范围，即由代表地形走势的TIN(Triangulated Irregular Network，不规则三角网)组成的多边形区域(地形三角网)，如图5中的顶点1、2、3、4、5、6(建筑物的地形影响边界点)所围成的多边形区域。

步骤3：判断出所述(图5左半部所示)TIN中落在所述底座多边形或底座多边形凸包内的点。在本实施例中，可采用例如叉乘判别法，面积判别法和角度和判别法等公知算法来判断点是否处于多边形内。

步骤4：删除这些不参与局部TIN重构的点(如图5示出的顶点7)，同时删除与此点相关联的所有三角形。

步骤5：判断所述建筑物的底座基准高度是否存在；若是，则将底座多边形或底座多边形凸包边界点的高程统一赋值为建筑物底座基准高度；否则，根据底座多边形或底座多边形凸包的中心点向地形表面做投影后求取建筑物中心点的高程，最后将底座多边形或底座多边形凸包边界点的高程统一修改为所述建筑物中心点的高程。在本实施例中，采用快速点定位及双线性内插法求取建筑物中心点的高程(公知技术，不再赘述)。

步骤6：采用Delaunay三角剖分法则重新剖分建筑物底座多边形或底座多边形凸包的边界点A、B、C、D、E、F以及顶点1、2、3、4、5、6后，将由此生成的新三角形加入到地形TIN中。

在实际的建筑物对地形的改造过程中，对于那些粒度庞大的建筑物模型，通常由多个建筑物捆绑在一起而形成，因此会导致这些建筑物的凸包之间存在相互交叉的可能，从而影响建筑物与地形的匹配效果。有鉴于此，在根据建筑物对地形进行改造之前对三维场景中的建筑物模型进行打散处理，在完成建筑物与地形的匹配后，再进行建筑物模型的聚合处理，从而获得较好的地物、地形匹配效果。所述打散、聚合处理为公知技术，在此不再赘述。

此外，在根据建筑物对地形进行改造之前可以根据建筑物模型的中心点，在地形层中根据四叉树索引快速定位该建筑物模型对应的地形块，从而可以提高上述改造方法的执行效率，以应对庞大的三维场景局部修改工作量。

随着比例尺的增大，尤其是在目视比例尺条件下，三维场景中的道路不应只是示意性的纹理图像，而应该是一个三维实体，其除了具有几何信息、属性信息之外，还应具有拓扑信息。而道路与地形的关系最为紧密，具体表现为：道路的中心纵截面轴线随地形起伏。为了实现道路与地形的无缝连接，需要根据道路对地形进行改造，具体的改造方法包括：

步骤1：获取道路中心线。

其中，可以根据以下途径获取所述中心线，例如，GIS(GeographicInformation System，地理信息系统)数据中已包括道路中心线；在原始GIS数据中仅有道路轮廓多边形时，可以利用多边形骨架化方法(主要是利用迭代的方式，反覆的去除线条两侧的像点，经过逐层剥去，直到仅存一个像点宽的骨架)提取道路中心线；若某一段道路的弯度不大，还可以直接利用道路的三维模型先求出其底座散乱点数据，由此求出所述散乱点的凸包，最后骨架化该凸包提取出道路的中心线；或利用GIS软件中的智能捕捉点、线、面功能，跟踪出道路的中心线。

步骤2：判断所述道路中心线上各个定位点是否存在高程：若是，则进入下一步；否则，分别以道路中心线上的各个定位点向地形表面作投影，然后在地形TIN中求取道路中心线上的各个定位点的高程，之后进入下一步。在本实施例中，可采用快速点定位及双线性内插法求取道路中心线上的各个定位点的高程。

步骤3：沿所述道路中心线左右构造给定宽度的平行线。

其中，所述平行线的高程值与所述道路中心线上各个定位点的高程值相等。由此实现了道路的双线化处理，获取了道路轮廓多边形。

步骤4：根据所述道路轮廓多边形的范围确定其覆盖的地形表面的范围，即由代表地形走势的TIN组成的多边形区域(地形三角网)。

步骤5：判断出所述TIN中落在所述道路轮廓多边形中的点(如图6A示出的顶点5)。在本实施例中，可采用例如叉乘判别法，面积判别法和角度和判别法等公知算法来判断点是否处于多边形内。

步骤6：删除这些不参与局部TIN重构的点，同时删除与这些点相关联的所有三角形。

步骤7：采用Delaunay三角剖分法则重新剖分道路轮廓多边形的边界点(如图6A示出的A、B、C、D、E、F、G、H)和道路的地形影响边界点(如图6A示出的顶点1、2、3、4、5)后，如图6B所示，将由此生成的新三角形加入到地形TIN中。

最后，根据改造后的地形模型对地物模型进行改造。

对于地物模型来说，地形模型对其的改造主要体现在地物模型底座多边形(地物模型底座面)的高程上，即仅需抬高或降低地物模型中心点，如图4所示，使地物模型底座面与改造后的地形模型完全匹配融合即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维模型的匹配方法，其特征在于，包括步骤：

判断地物模型的几何形态：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对地形模型对地物模型进行的所述空间位置配准为采用线性配准或多项式配准修正地物模型的坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将地物模型与地形模型进行匹配包括：根据地物模型对地形模型进行改造以及根据改造后的地形模型对地物模型进行改造。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据地物模型对地形模型进行改造包括以下步骤：

D、删除这些点，同时删除与此点相关联的所有三角形；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在根据地物模型对地形模型进行改造之前对粒度庞大的面状地物模型进行打散处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在完成所述的根据地物模型对地形模型进行改造之后，对被打散的面状地物模型进行聚合处理。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据地物模型对地形模型进行改造包括以下步骤：

a、获取带状地物模型的中心线；

f、删除这些点，同时删除与这些点相关联的所有三角形；

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据改造后的地形模型对地物模型进行改造包括：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行三维模型的匹配之前，采用四叉树数据结构建立地形模型的空间索引；采用R树数据结构建立地物模型的空间索引。

10.根据权利要求3或9所述的方法，其特征在于，在所述根据地物模型对地形模型进行改造之前，根据地物模型的中心点，在地形模型中利用四叉树索引定位所述地物模型对应的地形块。