CN103942828A

CN103942828A - 文化遗产三维场景生成系统和方法

Info

Publication number: CN103942828A
Application number: CN201410033042.5A
Authority: CN
Inventors: 谭剑; 朱岚巍; 范湘涛; 李京; 任应超
Original assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing and Digital Earth of CAS
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明公开一种文化遗产三维场景生成方法，包括以下步骤：步骤1.文化遗产遥感数据准备步骤，获取文化遗产区域内的地理信息数据，建立该区域的三维基底数据库；步骤2.文化遗产地形建模和文化遗产场景建模步骤，获取该文化遗产区域各物体的纹理、几何形状数据，生成该区域的地物三维模型；步骤3.文化遗产三维球面系统集成步骤，获取该文化遗产区域的建筑流程数据，将该区域地形和场景的实测信息按建筑流程顺序与环境背景信息镶嵌到该区域的地物三维模型中。本发明可以提高大尺度文化遗产建模的速度、精度，并且提供了文化遗产单体模型与环境模型的一体化动态索引，具备了完备的管理和更新能力。

Description

文化遗产三维场景生成系统和方法

技术领域

本发明涉及文化遗产建模与管理领域，尤其涉及一种文化遗产三维场景生成系统和方法。

背景技术

文化遗产建模与管理是个研究已久的问题，但是大多数文化遗产建模都停留在小尺度比如一座庙、一座山和单体文物的精细建模层面，对大尺度文化遗产三维场景的建模和集成管理研究不足。而大尺度文化遗产如大运河、罗马帝国边界、丝绸之路等等，以地理尺度大、沿途文物多，数字化程度不均匀而著称。

现有方法不能快速建立大尺度文化遗产的三维模型，也不能根据动态的数字化进展加入和集成新的局部文化遗产模型。

发明内容

本发明的目的是：为了解决上述技术问题，提供一种文化遗产三维场景生成系统和方法，可以建立这些大尺度场景的模型并集成管理这些可能不断丰富的沿途数字化文化遗产。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种文化遗产三维场景生成方法，包括以下步骤：

步骤1，文化遗产遥感数据准备步骤，获取文化遗产区域内的地理信息数据，建立该区域的三维基底数据库；

步骤2，文化遗产地形建模和文化遗产场景建模步骤，获取该文化遗产区域各物体的纹理、几何形状数据，生成该区域的地物三维模型；

步骤3，文化遗产三维球面系统集成步骤，获取该文化遗产区域的建筑流程数据，将该区域地形和场景的实测信息按建筑流程顺序与环境背景信息镶嵌到该区域的地物三维模型中。

进一步的，所述步骤1还包括以下步骤：

步骤11，获取一文化遗产区域的遥感数据，通过地物光谱过滤算法，计算出对该文化遗产区域内各个地区和物体光谱敏感的遥感数据；

步骤12，获取该文化遗产区域的多尺度信息，通过地物类别尺度过滤算法，计算出该文化遗产区域内各个地区和物体的所需要的多尺度遥感数据；

步骤13，根据该文化遗产区域内各个地区和物体的边界数据，建立该区域的三维场景基底矢量图层。

进一步的，所述步骤11包括下列步骤：

步骤111，获取该文化遗产区域的所有遥感影像，将所述遥感影像光谱特征提取；

步骤112，采集该区域内各物体的光谱特征，形成知识库；

步骤113，根据知识库中的地物光谱特征，选取遥感影像中不同类型的物体区分度最大的一组影像。

进一步的，所述步骤12包括下列步骤：

步骤121，获取该区域的地物边界，确定该区域的地域界限；

步骤122，获取该区域的地物类型，确定特定类型地物的空间尺度界限；

步骤123，获取遥感数据的空间分辨率，与地物尺度范围数据进行匹配；

步骤124，选取能够完全表达地物类型不同尺度特征的一组遥感影像；

步骤125，将遥感影像按照对应尺度的地物边界进行切割；

步骤126，将切割后的遥感影像按照尺度从大到小逐层融合；

步骤127，将融合后的遥感影像与高精度DEM数据进行匹配采样，生成高精度文化遗产环境模型。

进一步的，所述步骤3还包括获取该区域的地物尺度和流程信息，生成文化遗产三维场景索引模型；包括以下步骤：

步骤31，获取该区域内地物尺度极值，获得该特定区域地物数量；

步骤32，根据地物尺度分布特征，确定空间索引树层级；

步骤33，将该索引树与地物三维模型和多尺度遥感影像的关联，生成整体的索引模型。

一种文化遗产三维场景规划系统，包括文化遗产环境三维模型、文化遗产高精度三维模型和文化遗产三维场景索引模型，其中：

所述文化遗产环境三维模型，是指对目标区域内的地面和高度遥感数据的过滤和采样处理；

所述文化遗产高精度三维模型，用于将目标区域内各物体的纹理和形状数据对应并建立三维模型；

所述文化遗产三维场景索引模型，用于将文化遗产目标区域内的环境数据、三维数据至于同一的空间索引模型中。

进一步的，还包括元数据管理模块，用于获取文化遗产目标区域内的与环境、地物直接相关的文献或采集数据，生成完整的文化遗产元数据集。

进一步的，还包括三维浏览模块，通过系统的硬件接口或软件接口，对系统生成的三维模型进行浏览。

进一步的，所述三维浏览模块还包括空中鸟瞰浏览子模块。

进一步的，所述三维浏览模块还包括步行漫游浏览子模块。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：本发明从两个方面解决大尺度文化遗产场景的重建问题，一方面利用多尺度、多波段遥感影像，构建多层次多目标的文化遗产环境模型，另一方面利用索引树与四叉树的结合构建大尺度场景的动态索引；本发明可以提高大尺度文化遗产建模的速度、精度，并且提供了文化遗产单体模型与环境模型的一体化动态索引，具备了完备的管理和更新能力。

附图说明

图1是本发明一种文化遗产三维场景生成方法的流程图。

图2是本发明的三维地形模型的具体生成流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

请参见图1所示，一种文化遗产三维场景生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，文化遗产遥感数据准备步骤，获取文化遗产区域内的地理信息数据，建立该区域的三维基底数据库：

优选的，所述步骤1还包括以下步骤：

优选的，所述步骤11包括下列步骤：

步骤112，采集该区域内各物体的光谱特征，形成知识库；

优选的，所述步骤12包括下列步骤：

步骤121，获取该区域的地物边界，确定该区域的地域界限；

步骤125，将遥感影像按照对应尺度的地物边界进行切割；

步骤126，将切割后的遥感影像按照尺度从大到小逐层融合；

步骤127，将融合后的遥感影像与高精度数据进行匹配采样，生成高精度文化遗产环境模型。

优选的，所述步骤3还包括获取该区域的地物尺度和流程信息，生成文化遗产三维场景索引模型；包括以下步骤：

步骤32，根据地物尺度分布特征，确定空间索引树层级；

优选的，还包括元数据管理模块，用于获取文化遗产目标区域内的与环境、地物直接相关的文献或采集数据，生成完整的文化遗产元数据集。

优选的，还包括三维浏览模块，通过系统的硬件接口或软件接口，对系统生成的三维模型进行浏览。

优选的，所述三维浏览模块还包括空中鸟瞰浏览子模块，用于对大尺度文化遗产全局进行实时的多尺度任意浏览。

优选的，所述三维浏览模块还包括步行漫游浏览子模块，用于对感兴趣的特定区域及文化遗产局部细节进行浏览。

将本发明运用于建立大运河文化遗址的三维模型，对本发明进行进一步说明，基于遥感数据源和三维地球空间信息系统的大尺度文化遗产虚拟环境建设可以分为四个部分，按照时间顺序，分别是文化遗产遥感数据准备步骤；文化遗产地形建模步骤；文化遗产场景建模步骤；文化遗产三维球面系统集成步骤。下面我们将详细分析每个步骤的内容。

文化遗产遥感数据准备

文化遗产遥感数据准备工作分为两个部分，数据过滤(或者数据选择)和几何精矫正。

当前遥感形成了一个从地面到空中，乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。从20世纪60年代起，随着热红外成像、机载多极化合成孔径雷达和高分辨力表层穿透雷达和星载合成孔径雷达技术的日益成熟，遥感波谱域从最早的可见光向近红外、短波红外、热红外、微波方向发展，波谱域的扩展将进一步适应各种物质组成、几何形态的数据获取。大、中、小卫星相互协同，高、中、低轨道相结合，在时间分辨率上从几小时到18天不等，形成一个不同时间分辨率互补的系列。

但是，即使遥感观测技术能够提供越来越多的空间信息，在应用和研究中，仍然需要筛选与研究对象特征相符合的遥感数据源。因为不是所有的遥感数据源都提供了指定地点、指定空间物体的特征影像。除了对遥感空间区域和时间戳的简单判断之外，遥感数据源过滤可以分为尺度过滤和波段过滤。

尺度是理解空间对象复杂性的关键指标，合适的空间分辨率可以反映特定目标的空间结构特性。它也是空间信息表达的标准之一。定义了4种与空间现象相关的尺度，其中遥感影像空间分辨率代表了空间细节水平以及空间对象与背景分离的能力，反映了地表信息的层次性。比如，车辆的平均长度为3m，那么采用分辨率为25m的遥感数据研究和提取车辆信息是足够的，而分辨率为10米的遥感影像中已经无法表达车辆的空间信息了。所以，根据应用领域和遥感数据的自身特性选取最佳空间分辨率的遥感影像，来表达特定的空间对象，是十分关键的。

显然，大运河文化遗址也是具有多层次空间结构的复合空间对象，内部空间对象具有不同的空间尺度。所以，我们在建立大运河虚拟环境的过程中，根据不同内部空间对象的特征尺度对遥感数据源进行了筛选。具体情况如下表所示：

遥感数据波段过滤是指从遥感提供的多光谱数据中快速、准确选取最佳波段，进行空间对象表达和空间信息的有效提取的关键步骤。遥感传感器一般只对特定波长区间的光谱敏感，这个特定波长区间就是波段。可以说，原始遥感图像都是单波段的。而在实际使用时，数字图像处理系统都采用三色合成原理形成彩色图像，即在3个通道上安置3个不同波段的遥感图像，然后分别赋以红、绿、蓝色，叠合在一起形成彩色图像。

通常选择最佳波段的原则有3点：(1)所选的波段信息量要大；(2)波段间的相关性要小；(3)波段组合对所研究地物类型的光谱差异要大。那些信息含量多、相关性小、地物光谱差异大、可分性好的波段组合就是最佳组合，据此，可以认为相关性较强的波段组合在一起不会是最佳组合，高光谱遥感数据波段间的存在着不同程度的信息量重复和冗余。而且，其实每个波段有其自身的特点，在实际应用中应该根据这些特点加实际情况进行波段的选择。如TM1，4，5，为解译居民点和水域的最佳波段组合，TM3，4，5为耕地、林地、草地的最佳波段组合。在地物解译时，应该根据单波段特点和地物特点来选择波段组合。

大运河文化遗产的核心线索是运河，运河的主体是水，水的光谱特征主要取决于水本身的物质组成，同时又受到各种水态的影响。天然水体对0.4～2.5Lm电磁波的吸收明显高于绝大多数其它地物，在红外波段，水体吸收的能量高于可见光波段，所以水体在近红外及中红外波段的反射能量很少，而植被、土壤在这两个波段内的吸收能量较小，且有较高的反射特性，这使得水体在这两个波段上与植被和土壤有明显的区别。此外，全色波段虽然与大运河水体相关度不大，但是提供了高空间分辨率，对于大运河区域整体空间信息的表达具有很好的作用。所以我们选用了XS3：near infrared，B4：mid infrared，PAN全色三种波段进行大运河文化遗产遥感影像合成。

几何校正是利用地面控制点和几何校正数学模型来校正非系统因素产生的误差，同时也将图像投影到平面上，使其符合地图投影系统的过程。几何精纠正是平移和旋转过程的结合，通过遥感图像与参考底图中的同名点进行配准，使同名地物出现在配准后的影像的相应位置。

在大运河遥感影像的几何精矫正中采用二阶多项式进行计算，最少需要(t+1)*(t+2)/2＝6个控制点，而为了提供精度，我们在每幅影像中至少选取15个控制点进行影像到影像的配准，完成几何精纠正。

1、控制点不要选择太少也不要太集中，一般要均匀分布在整幅遥感图像上好。

2、一般选择永久性地物的角点，如道路交叉点，河流拐点等特征点，由于我们一般看到的的遥感图像分辨率一般都在几十米，

文化遗产地形建模

地形建模是指将大尺度文化遗产区域的遥感数据处理为三维地球信息系统上可以加载的地形模型。它包括图像融合、图像分割和地形模型生成，而这些步骤是由三维地球信息系统中的三维模型结构决定。

三维地球模型不同于一般三维模型，它是由多个部分组合而成。这些部分划分的规则包括两类：球面网格和瓦片树状结构。尽管它们的目的都是为了在系统运行时减少模型数据的吞吐量，但是它们的原理和作用并不相同。

球面网格是对地球大地椭球体表面的一种无缝剖分，经典的剖分方法是经纬网。球面网格可以是均匀的，也可以是不均匀的。显然，均匀的球面网格单元形态更稳定，边界更加规则，在模型拼接和三维数据准备上更加方便。

瓦片树状结构是对每一个球面网格单元进行纵向的多分辨率剖分。瓦片层次系统是一种空间数据分级组织体系，其中的瓦片是一个具体的三维模型，瓦片层次系统的基本思想是将上一级瓦片代表的地表范围分割为数量更多分辨率更高的瓦片模型。因此在不同空间范围空间数据集成时，可以直接采用最适宜精度的瓦片三维模型，能大幅度缩短数据访问时间。

作为一个具体的三维模型，三维地球瓦片才是空间数据集成的直接对象，也是用户获取空间信息的具体对象。我们需要实现的空间数据无缝集成，就是空间数据到瓦片三维模型的无缝集成。

三维地球上的瓦片模型，跟其他三维模型一样，由网格和纹理两部分组成，无论是网格信息还是纹理信息都来自于已有的空间数据。瓦片模型的网格用来表示地表的几何形态，网格中的每一顶点都通过球面坐标来表达。瓦片的几何分辨率就是瓦片顶点之间天顶角、方位角的间隔程度。瓦片顶点的径向距离r在地学领域通常指高程，而这些高程数据可以来自于遥感高程数据产品比如SRTM。瓦片模型的纹理信息是用来表示地表的形态和色彩，最常见的地表纹理就是地面的假彩色合成影像，这些纹理数据来自于高光谱遥感影像比如SPOT5。

文化遗产地形建模就是根据三维地球空间信息系统内的三维地球模型的球面网格和瓦片层次结构，将遥感空间数据源的空间信息赋值到瓦片顶点的过程。图像融合是为了集成多种类空间信息，图像分割是为了使遥感影像符合球面网格和瓦片边界的定义，三维地形模型的具体生成流程请参见图2所示，包括以下步骤：

步骤一，将需要加载的瓦片集合；

步骤二，判定瓦片模型集合是否，若是进行步骤十二，若否进行步骤三；

步骤三，生成地球瓦片基础模型；

步骤四，插入瓦片球面坐标点；

步骤五，同时判定高程数据集合是否加载完毕和纹理数据集合是否加载完毕；若高程数据集合判定是，则进入步骤六，否则进入步骤七；若纹理数据集合判定是，则进入步骤八，否则进入步骤九；

步骤六，按照累计规则累加高程；

步骤七，从空间数据获取高程值，进入步骤十；

步骤八，按照混合规则混合纹理；

步骤九，从空间数据里获取纹理值，进入步骤十；

步骤十，集成高程、纹理数据；

步骤十一，输出瓦片精细三维数据；

步骤十二，输出产生的瓦片集合。

在大运河的地形模型生成过程中，首先我们基于同一UTM坐标系将遥感影像进行了拼接；

其次，我们根据每块瓦片模型的空间范围对遥感影像进行了裁切。例如按照分辨率10米的瓦片切割的tm5影像与对应的地形图片；

第三，根据不同比例尺瓦片模型的网格密度对遥感影像进行了采样，最终生成了三维精细地形模型。

文化遗产场景模型的建立

文化遗产三维局部场景模型是针对大尺度文化遗产的遗址集中点进行的。文化遗产三维局部场景模型与三维地形模型相比，具有两个不同：空间分辨率更高，三维地形模型的建立由于数据源的限制，最高分辨率不会超过0.2米，而三维局部场景模型可以采用激光雷达、高精度照相机进行模型数据采集，建模分辨率可以达到厘米级甚至是毫米级；建模对象类型更多，文化遗产三维地形模型主要目的是提供文化遗产的自然背景模型，虽然覆盖范围广，但是只提供基本的地形和地貌信息。而三维局部场景模型包括了文化遗产区域的各种静态空间实体，具体的建模对象包括建筑物、植被、桥梁、码头、文物等人工或自然物体，如下图，是局部场景模型建立的基本类型。

文化遗产三维局部场景模型就是一种小尺度文化遗产三维模型，它的数据采集与模型制作流程以及关键问题在之前众多的研究中已经有很深入的描述，本文对此不做补充。

局部场景模型与三维地形模型都是大尺度文化遗产虚拟环境的一部分，在建立局部场景模型的时候，需要考虑与三维地形模型在三维地球信息系统中的集成问题。在大运河三维局部场景模型的建立过程中，这一问题是通过正射影像解决的。

实际通过航拍得到的航摄相片是中心投影。这种航摄相片由于存在因为相片倾斜和地面起伏产生的像点位移，不能够精确客观的表示地物的形状和空间位置。原始的航摄相片需要经过处理，才能得到正射影像，正射影像相当于是正摄投影的地表相片，这一处理过程称之为正射矫正。

正射矫正得到的正射影像，尤其是航片的正射影像，是三维文化遗产建模的重要基底数据。一方面，它具有很高的分辨率，可以清楚地区分建筑物、地标的轮廓。另一方面，正射影像垂直于地面，反应了真实的地面位置和拓扑关系，可以为三维模型提供高精度的空间定位，保证了三维场景中测量和空间分析的准确性。

我们获取了运河古水闸遗址的航空影像，在经过正射矫正后，这一底图就可以直接作为三维建模的基底图像。这个基底图像即可以直接导入三维建模软件如3dmax作为三维场景的地基，同时也是三维球面信息系统的一个图层，它所提供的一致性地理坐标信息是三维场景与三维球面信息系统集成的桥梁，保证了三维局部场景与地形模型集成的准确性与一致性。

正射影像制作主要采用专用设备来进行，如平坦地面中心投影式航空像片，可用光学机械型纠正仪。起伏较大的航空或航天摄影像片，可用正射投影装置，如各种光学机械型微分纠正仪和数控解析正射投影仪。各种动态成像的遥感影像，由于构像过程动态条件复杂，通常采用全数字式影像纠正或光机与数字混合式影像纠正来制作正射影像。

在三维地球空间系统中，为了实现大尺度文化遗产虚拟场景的集成。我们建立了一个与空间尺度相关的树状三维模型层次体系，这一体系的特点是：

层次中所有空间物体采用地理坐标系统

父节点的球面范围必然包含子节点的球面范围

父节点的可视化视点区域与子节点的可视化视点区域无缝衔接

地形、道路、楼房、灯光、控制器、触发器、粒子系统等均为结点对象。任何结点对象均可以成为另一个结点的子结点，场景中不同尺度的三维模型具有相同的数据对象。任何场景对象均可以描述成为结点。通过一致的接口可以很方便的进行结点的增加、删除、属性编辑等操作。

场景中所有的三维模型具有相同的坐标系统。坐标系统是对空间关系的定量描述，相同的坐标系统提供了场景一体化空间分析的能力，比如面积、距离的统一量算。

场景中三维模型的层级表明了空间拓扑关系。父子结点之间的关系是空间上的绑定关系。子节点的空间范围不会超出父节点，同级节点之间相互邻接，这样提供了空间顺序关系查询的基础。

场景的根节点是地球对象，这就意味着文化遗产在三维信息系统中的集成几乎不受尺度限制。任何一个文化遗产，我们总能将其对应的三维地形模型和局部场景模型按照三维球面网格和瓦片层次系统的规则导入。

基于结点的空间描述模型使得在描述真实空间时变得简单和易于理解，所有结点之间都是对等的关系。通过对象视图可以很方便的进行结点的增加、删除、相互关系编辑等操作。每一个结点均带有自己的属性，结点属性通过平台的对象属性列表可以方便的修改。

综上所述，本发明可以提高大尺度文化遗产建模的速度、精度，并且提供了文化遗产单体模型与环境模型的一体化动态索引，具备了完备的管理和更新能力。

Claims

1.一种文化遗产三维场景生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的文化遗产三维场景生成方法，其特征在于，所述步骤1还包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的文化遗产三维场景生成方法，其特征在于，所述步骤11包括下列步骤：

步骤112，采集该区域内各物体的光谱特征，形成知识库；

4.根据权利要求1所述的文化遗产三维场景生成方法，其特征在于，所述步骤12包括下列步骤：

步骤121，获取该区域的地物边界，确定该区域的地域界限；

步骤125，将遥感影像按照对应尺度的地物边界进行切割；

步骤126，将切割后的遥感影像按照尺度从大到小逐层融合；

5.根据权利要求3所述的文化遗产三维场景生成方法，其特征在于，所述步骤3还包括获取该区域的地物尺度和流程信息，生成文化遗产三维场景索引模型；包括以下步骤：

步骤32，根据地物尺度分布特征，确定空间索引树层级；

6.一种文化遗产三维场景规划系统，其特征在于，包括文化遗产环境三维模型、文化遗产高精度三维模型和文化遗产三维场景索引模型，其中：

7.根据权利要求6所述的文化遗产三维场景规划系统，其特征在于，还包括元数据管理模块，用于获取文化遗产目标区域内的与环境、地物直接相关的文献或采集数据，生成完整的文化遗产元数据集。

8.根据权利要求6所述的文化遗产三维场景规划系统，其特征在于，还包括三维浏览模块，通过系统的硬件接口或软件接口，对系统生成的三维模型进行浏览。

9.根据权利要求8所述的文化遗产三维场景规划系统，其特征在于，所述三维浏览模块还包括空中鸟瞰浏览子模块。

10.根据权利要求8所述的文化遗产三维场景规划系统，其特征在于，所述三维浏览模块还包括步行漫游浏览子模块。