CN102930601A - 一种双模三维地形立体环境的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双模三维地形立体环境的构建方法，属于计算机图形学电子技术领域。本发明利用正射影像、立体辅助影像和数字高程模型（DEM）等基础数据，通过统一的数据组织方式，生成基于正射立体像对的立体辅助影像立体景观和基于DEM与正射影像的虚拟三维地理景观有机结合的双模三维立体环境，在数据调度和景观漫游引擎的驱动下实现两种三维环境联动漫游、无缝切换和信息互联，用户可在这两种景观中进行基本的信息查询与空间分析操作，本发明构建的双模三维地形环境具备了交互灵活、效果逼真、沉浸感强、量测精度高以及信息获取与表达方式多样等特点。

Description

一种双模三维地形立体环境的构建方法

技术领域

本发明涉及一种双模三维地形立体环境的构建方法，属于计算机图形学电子技术领域。

背景技术

在计算机图形学领域，利用计算机图像图形学技术，将三维空间信息投影变换至二维计算机屏幕，得到具有高度真实感的实时绘制图像，称为计算机3维景观。传统的计算机地形三维景观构建方法是基于数字高程模型（DEM）和数字正射遥感影像（DOM），利用三维透视变换等计算基图形学算法，将两者在计算机屏幕上进行叠加显示。这种三维景观的特点是交互灵活，效果逼真，沉浸感强，但由于投影变换精度、DEM网格分辨率等因素的影响，使得在这种三维环境中，通过二维屏幕进行三维空间坐标量测的精度较低，制约了其在三维地理信息系统领域的应用。

在立体视觉、数字摄影测量等领域，利用从不同摄站所摄取的具有一定影像重叠的数字立体像对，借助视频立体图形卡、视频立体眼镜以及三维鼠标等计算机硬件，通过OpenGL、Direct3D等图形显示接口，可实现立体像对的视频立体观查与量测。这种立体观测方式可对立体遥感影像所对应的物方空间信息进行高精度量测，但其观测方式只能与摄影方向一致，及从空中以近似垂直于地面的方向进行观测。由于其视线方向不能变换，视点移动不够灵活，严重影响了使用者从立体影像中观察并提取更多的有用信息。另外，由于相邻像对之间外方位元素的不同，该种三维立体显示方式不能实现大范围的无缝漫游。

两种三维地形立体景观显示技术已较为成熟，并分别在不同的领域得到了应用，但由于各自存在的缺点限制了其应用领域的进一步扩展。目前，还没有一种技术方法能将两种三维显示模式进行有机结合，使其优势互补，以充分发挥三维地形可视化与分析应用系统的效能。

发明内容

本发明的目的是提供一种双模三维地形立体环境构建方法，以解决目前三维地形立体环境构建过程中由于采用单一的某种模式而造成的转换精度低以及不能实现大范围的无缝漫游的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种双模三维地形立体环境构建方法，该构建方法的步骤如下：

1）.对由航空像片或卫星像片生成的分幅正射影像和DEM分别进行拼接生成大区域正射影像和DEM；

2）.对拼接成为整体的正射影像和DEM进行分块，利用数字地面模型在原始正射影像中引入人工视差，生成立体辅助影像，同时对拼接后的正射影像和DEM进行分层分块处理并建立金字塔模型；

3）.将数据金字塔分层后的正射影像和DEM生成三维虚拟地形景观；

4）.将生成的立体辅助影像与三维虚拟地形景观按视点坐标进行关联，实现立体辅助影像和三维虚拟地形景观之间的无缝切换和数据联动，最终生成立体辅助影像模式和三维虚拟地形景观模式的三维地形立体环境。

所述步骤1）中对正射影像和DEM分别进行的拼接包括几何拼接和辐射拼接。

所述步骤2）中对拼接成为整体的正射影像和DEM进行分块的每个子块的边长等于原有正射影像的像幅。

所述影像分块后各子块在航向和旁向的重叠率均为50%。

所述步骤2）中生成立体辅助影像是通过利用对数投影法引入左右视差函数实现的。

所述步骤4）中对生成的立体辅助影像与三维虚拟地形景观按视点坐标进行关联的过程包括如下步骤：

a.根据三维虚拟地形景观视点坐标和视线的方向，确定地形可视区域范围，根据地形可视区域范围、视距因子和地形因子确定该区域所属的金字塔层级，从数据金字塔中调度该范围内相应层级的地形数据进行绘制；

b.根据立体辅助影像视点的平面坐标，确定视点所在分块正射影像和辅助影像的行编号和列编号，根据行编号和列编号调用相应行编号和列编号的地形数据进行绘制。

本发明的有益效果是:本发明利用正射影像、立体辅助影像和数字高程模型（DEM）等基础数据，通过统一的数据组织方式，生成基于正射立体像对的立体辅助影像立体景观和基于DEM与正射影像的虚拟三维地理景观有机结合的双模三维立体环境，在数据调度和景观漫游引擎的驱动下实现两种三维环境联动漫游、无缝切换和信息互联，用户可在这两种景观中进行基本的信息查询与空间分析操作，本发明构建的双模三维地形环境具备了交互灵活、效果逼真、沉浸感强、量测精度高以及信息获取与表达方式多样等特点。

附图说明

图1是本发明的双模三维地形立体环境构建方法的流程图；

图2是本发明实施例中图像几何拼接示意图；

图3是本发明实施例中大幅正射拼接影像的分块原理示意图；

图4是本发明实施例中对数投影人工视场引入法示意图；

图5是本发明实施例中地理数据金字塔层示意图；

图6是本发明实施例中全球形貌数据分层分块示意图；

图7是本发明实施例中金字塔数据集命名规则示意图；

图8是本发明实施例中地形可视区域示意图；

图9是本发明实施例中视距因子原理示意图；

图10是本发明实施例中地形因子原理示意图；

图11是本发明实施例中三维地形视频立体环境构成图；

图12是本发明实施例中虚拟三维环境显示效果图；

图13是本发明实施例中立体辅助影像视频立体显示效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

双模地形三维地形环境的构建流程如图1所示，整个构建流程的核心处理步骤包括：具有50%重叠度的正射影像和DEM分块；基于DEM的立体辅助影像生成；基于地理编码的双模三维数据关联。下面对其具体实施途径的各个步骤进行介绍。

1.将由航空像片或卫星像片生成的分幅正摄影像和DEM进行无缝拼接。

为了将大区域的正射影像和DEM数据按照一定规则进行分块分层处理，以实现大范围的无缝立体观测和漫游，需要对正摄影像和DEM进行无缝拼接，正射影像的拼接包括几何拼接和辐射拼接两个方面。

（1）.图像几何拼接的关键在于相邻影像之间的图像配准问题，由于正射影像是由具有一定重叠度的航空影像或卫星影像与对应DEM数据经过正射纠正生成，各幅正射影像的投影性质一致，均为正射投影，正射影像的这种性质决定了相邻影像之间的几何拼接主要是图像坐标平移处理。

如图2所示，图像A四个角点的大地坐标已知，分别为(X_A1,Y_A1)，(X_A2,Y_A2)，(X_A3,Y_A3)，(X_A4,Y_A4),对应的像坐标为(x_A1,y_A1),(x_A2,y_A2),(x_A3,y_A3),(x_A4,y_A4),像元大小为cell，相邻两幅正射影像A和B之间具有一定重叠度，根据两幅影像的四个角点坐标，可求解出外接矩形C的范围，求解公式如下。

                   X_C1＝min(X_A1,X_A2,X_A3,X_A4,X_B1,X_B2,X_B3,X_B4)

                   Y_C1＝max(Y_A1,Y_A2,Y_A3,Y_A4,Y_B1,Y_B2,Y_B3,Y_B4)

                    ...                                 （1）

                   X_C4＝min(X_A1,X_A2,X_A3,X_A4,X_B1,X_B2,X_B3,X_B4)

                   Y_C4＝min(Y_A1,Y_A2,Y_A3,Y_A4,Y_B1,Y_B2,Y_B3,Y_B4)

根据外接矩形范围，在计算机中开辟新影像C的内存，分别将两幅影像的像坐标换算至新的影像坐标，并在读入相应像素值，便可实现影像的几何拼接。

设图像A和B中任一像素点P的大地坐标为(X_P,Y_P)，其变换至新影像C后图像坐标(x_CP,Y_CP)可有下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CP}}=\frac{(X_P-X_{C4})}{\mathrm{cell}}\\ y_{\mathrm{CP}}=\frac{(Y_P-Y_{C4})}{\mathrm{cell}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

以此类推，可实现整个区域内正射影像的几何拼接。

（2）.在几何拼接时，对影像A和影像B的重叠区域进行处理时，如果在影像重叠部分仅仅读入影像A或影像B的像素值，可能会在拼接后的图像上产生一条明显的接缝线，所以必须采取一种方法使重叠部分有一个色彩的过渡。本发明采用距离加权内插的方法，当重叠部分的像素越靠近哪一幅影像时，哪幅影像的颜色值将以较大的权重参与重叠区域像素的颜色赋值，这样在重叠区域颜色的过渡更加平滑，使影像更有整体感，有利于影像的判读。计算公式如下所示

$P_{\mathrm{RGB}.C}=\frac{|X_P-X_A|}{W_A}{.P}_{\mathrm{RGB}.A}+\frac{|X_P-X_B|}{W_B}{.P}_{\mathrm{RGB}.B}---\left(3\right)$

式中，X_P是重叠区域内某一像素点P对应的X方向大地坐标，X_A和X_B分别为影像A和B的中心点所对应的X大地坐标，W_A和W_B分别为影像A和B的宽度，P_RGB.A和P_RGB.B是像素点P分别在影像A和B的像素色彩值，P_RGB.C是拼接后的像素值。

DEM数据可以看作一幅16位的灰度影像数据，其拼接方法和步骤与影像拼接类似，在此不再复述。

2.对拼接成为整体的正射影像和DEM进行分块。

由于计算机硬件水平的限制，为了便于立体辅助影像的制作和大范围辅助立体像对的视频立体观测，需对拼接成为整体的正射影像和DEM进行分块，如图3所示。

考虑影像调度和视频立体显示的效率，对拼接后的正射影像进行分块，每个子块的边长等于原有正射影像的像幅l。影像分块后，各子块在航向和旁向重叠率均为50%，长边方向的影像块数n和短边方向的影像块数m可用下式计算：

$\left\{\begin{array}{cc}m=\mathrm{INT}\left(\frac{2W}{l}\right)-1,& \frac{2W}{l}-\mathrm{INT}\left(\frac{2W}{l}\right)=0\\ m=\mathrm{INT}\left(\frac{2W}{l}\right),& \frac{2W}{l}-\mathrm{INT}\left(\frac{2W}{l}\right)\≠0\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}n=\mathrm{INT}\left(\frac{2L}{l}\right)-1,& \frac{2L}{l}-\mathrm{INT}\left(\frac{2L}{l}\right)=0\\ n=\mathrm{INT}\left(\frac{2L}{l}\right),& \frac{2L}{l}-\mathrm{INT}\left(\frac{2L}{l}\right)\≠0\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中为W大幅正射影像的短边边长，如果影像不能被等分，则使用白色值填充空白区域，任一块影像采用“行号-列号.bmp”的规则进行命名。

本发明使用50%的影像重叠度是考虑在立体影像观测时实现立体景观的无缝拼接与漫游，影像重叠度过高，会造成大量数据冗余，增加存储负担，过低则在像对边缘处存在较大变形，影响立体观测，甚至在像对之间切换时造成视觉跳跃。如图4所示，影像A和影像B的重叠区域中心线为c，则观测中心点位于中心线c的左边时，使用影像A与其立体辅助影像构成立体辅助像对，否则使用影像B与其立体辅助影像构成立体辅助像对。

3.将分块后的正射影像和DEM利用数字地面模型在原始正射影像中引入人工视差，生成立体辅助影像。

正射影像的制作是利用DEM数据对原始遥感影像进行投影差改正，将中心投影影像经过几何纠正处理为正射投影影像。理想的正射影像已完全消除投影差，但由于DEM数据分辨率的限制，通常正射影像的制作并没有考虑地物碎部投影差的改正，地物碎部的投影差依然包含在正射影像中。因而，基于DEM数据，我们可以在正射投影的基础上形成一个与正射投影具有视差关系的辅助投影，如果视差的大小与地形起伏相一致，通过立体观察仍然可以恢复地形表面的立体几何模型，进而可以进行立体量测。

本发明采用对数函数方法作为视差引入函数，可有效的解决人工视差与天然视差不一致的问题，对数投影法引入视差的原理如图4所示,其中a代表正射影像，b代表立体辅助影像，以地面上的A点为例，它的高程坐标为Z，A点经过正射投影后在正射像片上成像为点，经过对数投影后在立体辅助片上成像为点，点和点在x方向上的坐标差即为左右视差,左右视差是实现立体观测的基础。

对数投影法引入左右视差的函数为：

$P=B\·\ln \left(\frac{H}{H-Z}\right)---\left(5\right)$

式中：B为摄影基线；H为航高；Z地面点高程；P为高程Z对应的视差；则得高差为：

$\mathrm{\ΔZ}=H\·\exp (-\frac{P_i}{B})---\left(6\right)$

4.对正射影像和DEM数据进行分层分块处理，建立金字塔模型。

由于绘制数据量与硬件水平之间的矛盾，通常的虚拟三维地形系统都采用了层次细节技术（Level of Details–LOD）来优化虚拟三维地形景观的实时动态绘制。目前的主流LOD技术都是基于数据金字塔模型，因此我们必须对原有大数据量的正射影像和DEM数据进行分层分块处理，建立金字塔模型。以正射影像金字塔为例，如图5所示，金字塔底部即第G层是待处理的原始正射影像，影像分辨率最高。当向金字塔的上层移动时，图像尺寸和分辨率逐渐降低以1/2的倍率降低。金字塔的顶层即第0层分辨率最低，将影像金字塔技术应用到DEM数据，就形成DEM金字塔，二者的基本原理一致。

为了处理后数据在应用中的可扩展性，本发明基于全球地理数据编码规则建立数据金字塔。如图6所示，用等经纬度间隔的面片对全球地理数据进行空间划分，同一层面片的经纬度间隔相等，相邻层面片的经纬度间隔倍率为2。数据的原点在左下角点，其最粗糙层（Level 0）沿纬度和经度方向被划分为10×5块，每一块的大小为36°×36°，其他LOD层的块数和大小以此类推，第n层的数据大小为

如表1所示。

表1 地理数据金字塔分层表

本发明的金字塔数据构建有以下要求：每个影像块的大小推荐使用512×512像素；DEM的分块方法与影像数据一一对应，DEM采用二进制格式存储，每一个点采用两个字节的short型存储，后缀为vec；为了增强显示效果，最粗糙层的数据块（瓦片）数尽可能少，最好不要大于5×5个瓦片；经过试验，DEM瓦片大小采用60×60时，系统绘制性能最佳。

对影像和DEM数据建立金字塔模型后，为便于数据的检索和调度，本发明对处理后的数据文件采用以下命名规则，如图7所示，对分块后的某一块数据，综合考虑其所在层数、所处的行号和列号，以及数据存储格式等因素，对其进行命名并存入相应文件夹下。

5.两种立体模拟的数据调度与关联

在构建完成三维视频立体的软硬件环境后，便可分别对立体辅助影像和三维虚拟地形景观进行立体观察与量测。但是，为了进行两种三维模式的无缝切换与数据联动，必须将两种模式按照视点坐标进行关联。数据关联指在某一种模式的三维场景发生变化时，另一种三维模式的场景数据也要相应更新，使得任一时刻两种三维模式在内存中的数据是对应着同一显示区域，这样用户便能根据需求实现两种三维显示模式的无缝切换。

（1）虚拟三维地形环境的数据调度

根据视点的位置、视线方向以及地形粗糙度，实时调度相应区域和层级的数据，在虚拟三维地形景观渲染时，根据视点坐标和视线的方向，可以计算出视景体与地形平均水平面相交的平面区域范围，即地形可视区域范围，结合地形粗糙度计算，便可从数据金字塔中调度该范围内相应层级的地形数据进行绘制。

如图8所示，图中XOY为地形平均水平面，E为视点，其坐标为E(XE,YE,ZE)，视线EM的俯角为γ，与地形平均水平面的交点为M，其坐标为M(XM,YM,ZM)，视点E在XOY上的投影为M0，即视点高度h_e＝|EM0|。视景体E_ABCD与平面XOY的四个交点分别为A′、B′、C′和D′，则可视区域范围即为梯形A′B′C′D′，N1N2过点M且平行于A′B′，分别与A′D′、B′C′相交于N1和N2。

若视景体水平方向视场角为α，垂直方向视场角为β，M0M的方位角为κ，则有：

α＝∠N₁EN₂，β＝∠M₁EM₂

k＝∠MM₀X₀＝tan^-1((Y_M-Y_E)/(X_M-X_E))

$\∠A^{\′}E{M}_1=\∠M_{1}E{B}^{\′}=\∠D^{\′}E{M}_2=\∠M_{2}E{C}^{\′}={\tan }^{-1}(\tan (\mathrm{\α}/2)/\sqrt{1+{\tan }^2(\mathrm{\β}/2)})$

|M_oM₁|＝|EM₀|tan(π/2-γ-β/2)＝h_etan(π/2-γ-β/2)

|M_oM₂|＝|EM₀|tan(π/2-γ+β/2)＝h_etan(π/2-γ+β/2)

|EM₁|＝|EM₀|/cos(π/2-γ-β/2)＝h_e/cos(π/2-γ-β/2)

|EM₂|＝|EM₀|/cos(π/2-γ+β/2)＝h_e/cos(π/2-γ+β/2)

|A′M₁|＝|EM₁|tan∠A′EM₁，|D′M₂|＝|EM₂|tan∠D′EM₂

∠A′M₀M₁＝tan^-1(|A′M₁|/|M₀M₁|)，∠D′M₀M₂＝tan^-1(|D′M₂|/|M₀M₂|)

|A′M₀|＝|M₀M₁|/cos∠A′M₀M₁，|D′M₀|＝|M₀M₂|/cos∠D′M₀M₂

若在平面XOY中点A′的坐标为(XA′,YA′)，点D′的坐标为(XD′,YD′)，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{A^{\′}}=X_E+\left|A^{\′}{M}_0\right|\cos (\∠A^{\′}{M}_0{M}_1+\mathrm{\κ})\\ {Y_{A^{\′}}}^{}=Y_E+\left|A^{\′}{M}_0\right|\sin (\∠A^{\′}{M}_0{M}_1+\mathrm{\κ})\\ X_{D^{\′}}=X_E+\left|D^{\′}{M}_0\right|\cos (\∠D^{\′}{M}_0{M}_2+\mathrm{\κ})\\ Y_{D^{\′}}=Y_E+\left|D^{\′}{M}_0\right|\sin (D^{\′}{M}_0{M}_2+\mathrm{\κ})\end{array}\right.---\left(7\right)$

同样可以求出点B′的坐标为(XB′,YB′)和点C′的坐标为(XC′,YC′)。

确定可视区域范围后，该区域内选择哪一层级的金字塔数据进行绘制，主要考虑视距因子（图9）和地形因子（图10），视距因子计算公式如下

$f_d=\frac{l}{d\×C}---\left(8\right)$

式中，l为四叉树节点所对应地形数据块中心点到视点的距离；d是该四叉树数据块的边长，常数C根据绘制精度的要求设定，当f＜1时，四叉树节点进一步细分，反之停止细分，进行绘制，因此常数C决定模型的整体精度，当C增大时，LOD模型的整体分辨率提高。

如图10所示，dh₁等于B点沿铅垂方向至AC边的距离，于是四个边的中点与其边的距离分别为dh₁…dh₄，而矩形中心点对应两条对角边的距离为dh₅、dh₆。于是，地形因子的计算公式如下：

$f_T=\frac{1}{d}\underset{i=1,..,6}{\max }\left(\right|{\mathrm{dh}}_i\left|\right)---\left(9\right)$

综合距离因子和地形因子，决定四叉树节点细分的度量标准可采用如下评价函数表示。

$f=\frac{l}{d\×C\×\max (c\×f_T,1)}---\left(10\right)$

对于四叉树的某个节点，如果该节点的评价函数值f≥1，则表示该节点为叶节点，该金字塔层数据参加绘制，否则调入更高层数据。

（2）立体辅助影像的数据调度

因为立体辅助影像只有原始分辨率一层数据，并没有建立金字塔数据，所以决定立体辅助影像调度的因素只与视点E的平面位置有关。如图3所示，根据视点E的平面坐标(X_E,Y_E)，可计算出其所在分块正射影像和辅助影像的行编号（Row）和列编号（Col）。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Row}=\mathrm{INT}\left(\frac{X_E-X_0}{l}\right)\\ \mathrm{Col}=\mathrm{INT}\left(\frac{Y_E-Y_0}{l}\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，(X₀,Y₀)是影像覆盖区域左下角点大地坐标，l是分块影像的边长，INT是取整运算式。计算出行编号（Row）和列编号（Col）后，便可得到对应的影像文件“Row-Col.bmp”。

6.视频立体软硬件环境构成

（1）视频立体的硬件环境

如图11所示，实现视频立体观测的硬件环境包括：高性能图形工作站；支持视频立体功能的图形显示卡、120Hz显示器、信号发射器（同步设备）、视频立体眼镜（观测设备）和三维鼠标（量测设备）。

（2）视频立体的软件环境

视频立体的软件环境主要包括Windows操作系统，OpenGL图形编程接口。利用OpenGL的图形图像显示函数接口，可实现具有一定视差的立体影像生成。

虚拟三维地形立体函数的生成方法可用以下伪代码描述。

上述代码中生成视频立体的关键在于人工视差x的添加函数glTranslatef(x,0,0)和glTranslatef(-x,0,0)，由于立体辅助影像对本身已包含了左右视差信息，因而立体辅助影像显示时上述两个函数可省略。

利用正射影像和DEM构建的虚拟三维立体效果图以及用正射影像和立体辅助影像构建的立体辅助影像视频立体显示效果如图12和13所示。

Claims (6)

1. 一种双模三维地形立体环境的构建方法，其特征在于：该构建方法的步骤如下：

1）.对由航空像片或卫星像片生成的分幅正射影像和DEM分别进行拼接生成大区域正射影像和DEM；

2）.对拼接成为整体的正射影像和DEM进行分块，利用数字地面模型在原始正射影像中引入人工视差，生成立体辅助影像，同时对拼接后的正射影像和DEM进行分层分块处理并建立金字塔模型；

3）.将数据金字塔分层后的正射影像和DEM生成三维虚拟地形景观；

4）.将生成的立体辅助影像与三维虚拟地形景观按视点坐标进行关联，实现立体辅助影像和三维虚拟地形景观之间的无缝切换和数据联动，最终生成立体辅助影像模式和三维虚拟地形景观模式的三维地形立体环境。

2. 根据权利要求1所述的双模三维地形立体环境构建方法，其特征在于：所述步骤1）中对正射影像和DEM分别进行的拼接包括几何拼接和辐射拼接。

3. 根据权利要求1所述的双模式三维地形立体环境构建方法，其特征在于：所述步骤2）中对拼接成为整体的正射影像和DEM进行分块的每个子块的边长等于原有正射影像的像幅。

4.根据权利要求3所述的双模式三位地形立体环境构建方法，其特征在于：所述影像分块后各子块在航向和旁向的重叠率均为50%。

5.根据权利要求1所述的双模式三维地形立体环境构建方法，其特征在于：所述步骤2）中生成立体辅助影像是通过利用对数投影法引入左右视差函数实现的。

6.根据权利要求1所述的双模式三维地形立体环境构建方法，其特征在于：所述步骤4）中对生成的立体辅助影像与三维虚拟地形景观按视点坐标进行关联的过程包括如下步骤：

a.根据三维虚拟地形景观视点坐标和视线的方向，确定地形可视区域范围，根据地形可视区域范围、视距因子和地形因子确定该区域所属的金字塔层级，从数据金字塔中调度该范围内相应层级的地形数据进行绘制；

b.根据立体辅助影像视点的平面坐标，确定视点所在分块正射影像和辅助影像的行编号和列编号，根据行编号和列编号调用相应行编号和列编号的地形数据进行绘制。

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