CN107067467B - 基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，包括以下步骤：S1实时读取具有重叠区域的原始影像，生成原始核线影像，获得原始RPC参数；S2根据成像原理和平差理论对原始RPC参数优化处理，得到RPC参数；S3对原始核线影像进行匀光匀色处理，得到核线影像；S4结合RPC参数和核线影像，实时计算核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度，并构建三维环境且实时显示。本发明能够快速搭建可视化的增强现实的三维环境，具有更高的工作效率，同时无需进行点云数据生产和精细三维立体建模，极大的节省人力、物力和时间成本，且该三维环境的应用方法能够很大程度上提升各行业对其的业务应用和环境分析的效率。

Description

基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法及其应用方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法及其应用方法。

背景技术

三维环境是在平面的二维环境基础上，进一步的增加一个方向向量，以此来构成空间系，形成三维环境。三维环境能够更加明确的表现环境信息，且对环境的表现更加立体、明确，方便查看、识别。

目前，针对环境信息，为获取其三维立体效果，主要可通过以下几种方式获得：

1)通过倾斜摄影测量的手段，进行密集点云匹配和贴纹理的方生成三维模型；

2)通过野外获取地物各角度的纹理照片进行三维建模；

3)通过生成数字高程模型和数字正射影像图的方式，生成2.5维的立体效果；

4)根据摄影测量原理将重叠区域相邻的两幅影像，生成核线影像，构建立体环境。

然而，上述提及的多种传统的三维环境构建方式，其各自都具有一定的局限性，例如，前三种方式，即上述方式1)、2)和3)，其都需要进行大量的外业，以便获取影像来进行内业处理，其三维环境构建的处理成本高、耗时长；而第四种方式，即上述方式4)，其虽然无需进行内业的模型构建即可构建立体环境，但其局限性在于只能进行单个像对的立体观察，无法构建大范围的立体环境，且只能用于测绘立体采集矢量，在面向地理信息的应用时缺乏实用性。

现有的一种主要采用上述方式4)来进行立体环境的构建的示例，其通过结合方式3)中构建的数字高程模型来生成正射影像，并将经过镶嵌处理后的正射影像作为立体测图的左片，而右片的立体匹配片则通过正射影像图赋予一定的倾角，以此来实现大测区范围内的增强现实三维环境的搭建。该方法虽然针对当前的传统方法进行了一定的改进，并实现了大范围影像立体环境的构建，且提供了很好的业务应用的数据环境，但该方法同样存在其局限性，即，其需要在三维环境的构建过程中，进行生产高精度的数字高程模型、正射影像生成、镶嵌线编辑等操作，该过程会耗费大量的人力资源、计算机资源，同时，该生产周期长，且处理的细节精度难以有效的保证，将不能够满足业务应用的应急化需求。

因此，如何提供一种能够更加快速有效的实现三维环境的构建，同时构建过程更加方便、高效的三维环境构建方法就成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法及其应用方法，能够更加高效的构建三维环境，同时构建的过程更加方便、快捷、准确，并满足对地理信息浏览查看的需求。

本发明的第一方面提供了一种基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法。

且，该基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，包括以下步骤：

S1实时读取用于三维环境构建并具有重叠区域的原始影像，根据重叠区域生成原始核线影像，并根据原始影像获得原始RPC参数；

S2根据原始影像的成像原理和平差理论对原始RPC参数优化处理，得到RPC参数；

S3对原始核线影像进行匀光匀色处理，得到核线影像；

S4结合RPC参数和核线影像，实时计算核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度，并根据计算出的数据构建三维环境且实时显示。

优选的，S1中原始影像为卫星遥感三线阵数据或航空线阵式传感器数据。

优选的，S3中匀光匀色处理包括亮度调整、色度调整、饱和度调整、色阶调整、曲线调整和色彩平衡调整等。

优选的，S4中通过PRC参数和核线影像，实时计算重叠区域中的核线影像对，且核线影像对可通过核线影像共面条件法或数字影像几何纠正法计算。

进一步优选的，S4中根据计算出的核线影像对的中心点，实时计算核线影像的旋转中心，且核线影像的旋转中心通过以下方法计算：

S41根据所述RPC参数计算所述原始影像的地理范围，通过求交集运算求出所述原始影像中重叠区域的重叠地理范围，并形成内接矩形；

S42将所有所述内接矩形进行合并，求得测区内所有所述原始影像中重叠区域的外接矩形；

S43根据所述外接矩形，计算所述外接矩形的中心点，并确定为所述核线影像的旋转中心。

进一步优选的，S4中根据计算出的核线影像的旋转中心，实时计算核线影像的旋转角度，且核线影像的旋转角度通过以下方法计算：

S44根据所述RPC参数和核线影像的旋转中心，计算所述核线影像对相对于水平状态的旋转角度；

S45计算测区内所有所述核线影像对的旋转角度的平均值，确定为所述核线影像的旋转角度。

本发明的第二方面提供了一种采用上述基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法构建的三维环境的应用方法。

且，该三维环境的应用方法包括以下步骤：

K1获取基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法构建的三维环境，并获取三维环境对应的GIS数据；

K2将GIS数据叠加到三维环境中，得到三维环境模型，并根据GPS定位信息标示三维环境模型中的动态位置；

K3根据三维环境中实时获取的原始影像，结合三维环境模型来获取动态位置的环境情况。

优选的，K2中还包括：对GIS数据处理，获取GIS数据中地理位置的点数据、线数据和面数据，并将点数据、线数据和面数据结合在三维环境上。

本发明的基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法及其应用方法，能够快速搭建可视化的增强现实的三维环境，具有更高的工作效率，同时无需进行点云数据生产和精细三维立体建模，能够极大的节省人力、物力和时间成本，并且该三维环境的应用方法能够很大程度上提升各行业对其的业务应用和环境分析的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法的一个实施例的流程图。

图2为本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法的一个实施例中核线影像的旋转中心的计算流程图。

图3为本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法的一个实施例中核线影像的旋转角度的计算流程图。

图4为本发明三维环境的应用方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法的一个实施例的流程图。图2为本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法的一个实施例中核线影像的旋转中心的计算流程图。图3为本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法的一个实施例中核线影像的旋转角度的计算流程图。图4为本发明三维环境的应用方法的一个实施例的流程图。

如图1所示，本发明基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，包括以下步骤：

S1实时读取用于三维环境构建并具有重叠区域的原始影像，根据重叠区域生成原始核线影像，并根据原始影像获得原始RPC参数；

S2根据原始影像的成像原理和平差理论对原始RPC参数优化处理，得到RPC参数；

S3对原始核线影像进行匀光匀色处理，得到核线影像；

S4结合RPC参数和核线影像，实时计算核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度，并根据计算出的数据构建三维环境且实时显示。

具体的，S1中，为构建三维环境，需要读取用于构建三维环境的原始影像，且，该读取的原始影像中需要确保具有一定量的重叠区域，以根据该重叠区域来形成立体成像对来生成该重叠区域的原始核线影像，并确定该原始影像所对应的原始RPC参数(rationalpolynomial cofficient，有理多项式函数)。

同时，通过实时的读取原始影像，还将能够保证三维环境具有更好的实时性，针对原始影像中采集到的环境变换将能够更加快速的显示。

进一步的，用于构建三维环境的原始影像可来源于卫星遥感三线阵数据或航空线阵式传感器数据，同时，也可通过以上两种原始影像来源的结合来作为原始影像进行构建三维环境。

其中，用于表示原始影像的原始影像的像点坐标和地面点坐标之间存在严密的几何变换关系，因此，其可以才用有理多项式函数进行描述，即RPC参数，也就是说，通过RPC参数能够有效的描述原始影像中像点坐标和地面点坐标的转换关系，但由于根据原始影像获得的原始RPC参数未经过处理，其参数值并不精确，因此需要进行后续处理，以便优化计算精确的RPC参数。

S2中，根据获取的原始影像的成像原理和平差理论，以此来对该原始RPC参数进行优化处理，以便得到更加精确的RPC参数。

由于在获取的原始影像中，由于原始影像获取的时间不同、天气不同，使得会由于光线变换、天气阴晴等问题而造成原始影像的光亮度不同、色彩不同等问题，因此，需要对原始影像进行进一步的处理，以便生成的三维环境更加的统一、精确。

S3中，对获取的原始影像中生成的原始核线影像进行匀光匀色处理，以便得到核线影像。

匀光匀色处理是对原始核线影像进行整体匀光匀色，以消除原始影像之间存在的色差，使处理后的原始影像更加接近于真实的地物色彩，且色彩相同，为后续的构建的三维环境提供更好的效果。

进一步的，匀光匀色处理中可主要包括亮度调整、色度调整、饱和度调整、色阶调整、曲线调整和色彩平衡调整等过程，以对原始核线影像进行更加全面的匀光匀色处理。

S4中，结合S2中得到的RPC参数和和S3中得到的核线影像，来实时计算核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度，并最终根据计算出的核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度来构建三维环境，并进行实时显示。

其中，重叠区域中的核线影像对可根据PRC参数和核线影像来计算，并且，根据计算出的重叠区域中处于不同视角的核线影像对，来根据核线影像对之间的视差，以此来实现核线影像对的立体观察，同时通过批量计算出的核线影像对将能够构建三维环境。

进一步的，核线影像对的计算可具体通过核线影像共面条件法或数字影像几何纠正法计算。

通过批量加载上述计算出的核线影像对，由于每一个核线影像对都具有一个中心点，如过需要同时显示多个核线影像对的立体效果，则需要对这些核线影像对中心点进行优化计算，并对经过优化计算的核线影像对中心点进行变换参数的计算，并经过核线影像对中心点的旋转、平移等操作，以计算出最优的核线影像的旋转中心。

也就是说，如图2所示，核线影像的旋转中心可进一步的根据上述计算出的核线影像对来计算，其具体计算方法如下：

S41，根据RPC参数计算原始影像的地理范围，同时，通过求交集运算求出原始影像中重叠区域的重叠地理范围，根据计算出的地理范围和重叠地理范围来形成内接矩形。

S42，将测区内部所有形成的内接矩形进行合并，以便求得测区内所有原始影像中重叠区域的外接矩形。

S43，最终，根据求得的外接矩形，计算外接矩形的中心点，并将计算出的外接矩形的中心点确定为核线影像的旋转中心。

如图3所示，核线影像的旋转角度也可进一步的根据上述计算出的核线影像的旋转中心来计算，其具体计算方法如下：

S44，为了构建人眼立体视觉，立体成像所对应的旋转角度应为近似水平状态。因此，根据RPC参数和核线影像的旋转中心，以此来计算核线影像对相对于水平状态的旋转角度。

S45，对测区内所有核线影像对的旋转角度进行计算，并根据计算出的核线影像对的旋转角度来计算测区内所有核线影像对的旋转角度的平均值，以此确定为核线影像的旋转角度。

通过计算整体核线影像的旋转角度，能够批量化的快速构建核线影像的立体模型。同时，在通过鼠标进行缩放等操作来查看立体核线影像对时，将能实时更新核线影像的旋转角度，即核线影像的旋转角度随立体核线影像对的视图范围进行实时计算旋转角度，实时根据视图范围进行三维环境的显示。

进一步的，对三维环境进行显示时，可具体的支持红绿立体和偏振光立体两种立体显示模式，以便更加符合用户针对立体环境的显示需求。

并且，根据原始影像生成并处理后的核线影像计算过程可在瞬间实时完成，基于此计算出的核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度将能够更加有效的实时显示三维环境的变化，且上述的计算都是在原始影像被加载的同时所完成的，以此能够有效的达到三维环境实时可视化的效果，进一步的方便人们进行观测。

实施例二

图4为本发明三维环境的应用方法的一个实施例的流程图。

如图4所示，本发明三维环境的应用方法，具体包括以下步骤：

K1获取基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法构建的三维环境，并获取所述三维环境对应的GIS数据；

K2将GIS数据叠加在三维环境上，得到三维环境模型，并根据GPS定位信息标示所述三维环境模型中的动态位置；

K3根据三维环境中实时获取的原始影像，结合三维环境来获取所述动态位置的环境情况。

具体的，K1中，获取根据实施例一中基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法构建的三维环境；并且，针对构建的三维环境所在的位置，获取该三维环境对应的GIS数据(Geographic Information System，地学信息系统)。

将获取的GIS数据与该三维环境进行结合，即将GIS数据叠加到三维环境中，最终得到三维环境模型，并通过GPS定位信息(Global Positioning System，全球定位系统)获取的三维环境中的动态位置，通过将该动态位置进行数据转换，转换为GIS定位数据，一同叠加到三维环境模型中，以实现三维环境模型中显示动态位置及其周边的三维地物信息。

通过以上过程构建的三维环境模型，将能够有效对三维环境模型的变化进行观测，同时，针对原始影像中存在的环境变化，在三维环境模型中都能够实时的显示出来，并根据K2中获得的三维环境模型中的动态位置来确定环境变化的位置，并进行定位，以此来有效的观测环境情况。

并且，根据原始影像所对应的相关参数信息，如原始RPC参数、原始核线影像、核线影像对、核线影像的旋转中心和核线影像的旋转角度等，在无需任何输出的情况下，能在很短的时间内快速进行三维环境的构建。

同时，根据该构建的三维环境，通过针对环境信息的有效观测，当环境发生严重变化时，能够及时的发现，并满足应急环境的快速响应，避免造成人、财、物的损失，尤其是针对各行业的应急突发事件，如：地震、滑坡、泥石流等地质灾害；台风、洪涝、泥石流、龙卷风、海啸、地震及火山喷发等自然灾害；在获取的原始影像的基础上，快速生成灾区的立体环境，为灾区人员撤离、救助提供决策支持，并第一时间了解灾区情况，估算受灾面积、受灾人数等。

进一步的，通过针对不同的需求，向三维环境通增加不同的业务数据信息，将能够有效的将三维环境调整为所需要的环境，例如，通过增加不同的数据信息，还可通过三维环境进行军事分析、快速应急立体可视化、规划设计、目标提取、智慧城市等行业的应用。

进一步的，对GIS数据进行进一步的数据处理，并获取GIS数据中地理位置的点数据、线数据和面数据，并将该点数据、线数据和面数据叠加在三维环境模型上，以便增强三维环境能提供更加丰富的信息和更真实的三维效果。

具体的，通过在构建成的三维环境基础上进一步的叠加矢量点数据、线数据和面数据，使得三维环境相对于平面影像，将能提供更加丰富的信息和更真实的三维效果，使得三维环境可进一步的用于铁路交通、公路交通等交通规划，或电力规划，或供排水管道、燃气管道等管道的规划，有效的为规划设计提供辅助决策的作用。

同时，根据构建的三维环境能够有效的获得增强现实体验，向三维环境中进一步增加城市规划数据后，将其应用于智慧城市的搭建，可实现城市建设的规划设计、叠加矢量数据进行空间分析、城市日常监控管理，同时叠加道路、管线、高架桥等各种矢量数据，进行矢量数据编辑、分析等工作，有效的辅助城市规划的进行。

本实施例通过运用本发明的三维环境的应用方法，通过在三维环境中进一步的叠加基础矢量数据，为各行业务的应用和分析提供了可视化三维环境的支撑，可具体的用于如军事分析、应急立体快速可视化、规划设计、智慧城市等行业，为行业决策提供支持。

本发明的基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法及其应用方法，能够快速搭建可视化的增强现实的三维环境，具有更高的工作效率，同时无需进行点云数据生产和精细三维立体建模，能够极大的节省人力、物力和时间成本，并且该三维环境的应用方法能够很大程度上提升各行业对其的业务应用和环境分析的效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1实时读取用于三维环境构建并具有重叠区域的原始影像，根据所述重叠区域生成原始核线影像，并根据所述原始影像获得原始RPC参数；

S2根据所述原始影像的成像原理和平差理论对所述原始RPC参数优化处理，得到RPC参数；

S3对所述原始核线影像进行匀光匀色处理，得到核线影像；

S4通过所述RPC参数和核线影像，实时计算所述重叠区域中的核线影像对，根据计算出的所述核线影像对的中心点，实时计算所述核线影像的旋转中心；根据计算出的所述核线影像的旋转中心，实时计算所述核线影像的旋转角度；并根据计算出的数据构建三维环境且实时显示；

其中，所述核线影像的旋转中心通过以下方法计算：

S44根据所述RPC参数计算所述原始影像的地理范围，通过求交集运算求出所述原始影像中重叠区域的重叠地理范围，并形成内接矩形；

S45将所有所述内接矩形进行合并，求得测区内所有所述原始影像中重叠区域的外接矩形；

S46根据所述外接矩形，计算所述外接矩形的中心点，并确定为所述核线影像的旋转中心；

其中，所述核线影像的旋转角度通过以下方法计算：

S47根据所述RPC参数和核线影像的旋转中心，计算所述核线影像对相对于水平状态的旋转角度；

S48计算测区内所有所述核线影像对的旋转角度的平均值，确定为所述核线影像的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，其特征在于，

所述S1中原始影像为卫星遥感三线阵数据或航空线阵式传感器数据。

3.根据权利要求1所述的基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，其特征在于，

所述S3中匀光匀色处理包括亮度调整、色度调整、饱和度调整、色阶调整、曲线调整和色彩平衡调整。

4.根据权利要求1所述的基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法，其特征在于，所述核线影像对通过核线影像共面条件法或数字影像几何纠正法计算。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的三维环境构建方法构建的三维环境的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

K1获取基于线阵观测模型的快速三维环境构建方法构建的三维环境，并获取与所述三维环境对应的GIS数据；

K2将所述GIS数据叠加到所述三维环境中，得到三维环境模型，并根据GPS定位信息标示所述三维环境模型中的动态位置；

K3根据所述三维环境中实时获取的原始影像，结合所述三维环境模型来获取所述动态位置的环境情况。

6.根据权利要求5所述的三维环境的应用方法，其特征在于，

所述K2中还包括：

对所述GIS数据处理，获取所述GIS数据中地理位置的点数据、线数据和面数据，并将所述点数据、线数据和面数据结合在所述三维环境上。

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