CN107705241A - 一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，包括：制作待沙盘构建区域的数字高程模型和数字正射影像图；对数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切；基于裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理；将处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型；根据预设的视点位置，对沙盘空间模型进行立体投影校正；基于校正后的沙盘空间模型，生成四幕投影显示数据；将四幕投影显示数据发送至四幕投影设备进行显示。通过该方法利用四块投影屏幕构建数字沙盘显示空间，极大改善了数字沙盘的显示方式，大大提高了数字沙盘的观看体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，属于地理沙盘构建领域。
背景技术
沙盘通过模拟真实的三维地理环境，产生缩微的地表模型，直观地将三维地形进行展示。当前的沙盘有以下展现形式和特点：
传统物理沙盘，即利用泥沙等工业素材通过传统方法浇筑堆积而起的地理场景，它以实物三维的形式来表现地形地貌，能够细腻、逼真地再现地貌形态的高低起伏，能较好地显示地物地貌之间相互关系和位置，具备比二维平面地图更为明显的实用性和观赏性。但是缺点是占地面积大，制作工艺复杂，部署携带不方便，表现内容固定并且难以实时更新。
虚拟数字沙盘，摒弃了传统物理沙盘实体的表现形式，是以地形数据为基础，结合计算机图形图像技术生成3D地形，通过投影、液晶显示屏等介质投射出来的模拟沙盘形式。特点是可以动态的加载不同比例尺的数据，能够叠加不同类型的属性数据，信息量相对传统物理沙盘更丰富。但是缺点在于大多数字沙盘都是在水平面上部署，投射介质面积和沙盘比例尺成正比，即越精细的局部展示需要越大的投射介质面积，但是面积越大观看距离越远越难看到全貌，很难做到投射介质面积、沙盘比例尺和观感的协调。同时由于观察者通常在屏幕边缘观看沙盘，观察视野形成一个斜视锥，沙盘内容会形成不同的透视变形，达不到真正的三维观感，体验感较差。
沙盘的展现形式，传统物理沙盘多以地面单屏为主，数字沙盘市面上多为单屏、L型双屏或者弧幕形式显示，这几种显示方式表达的信息量有限，并且由于单屏、L屏和弧幕不能形成封闭的空间，无法给用户带来沉浸式的立体观赏体验。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，提高数字沙盘的灵活性和展示效果，给用户提供更为生动、形象的三维立体沙盘观感和体验。
根据本发明实施例，提供了一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，包括：
步骤101，基于航空扫描影像制作待沙盘构建区域的数字高程模型和数字正射影像图；
步骤102，基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切；
步骤103，基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理；
步骤104，将所述处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型；
步骤105，根据预设的视点位置，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正；
步骤106，基于所述校正后的沙盘空间模型，生成四幕投影显示数据；所述四幕包括：正面幕、底面幕、左侧幕、右侧幕；
步骤107，将所述四幕投影显示数据发送至四幕投影设备进行显示。
所述基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切，包括：
计算单个区块的地理分辨率；
基于所述数字高程模型和数字正射影像图构建空间金字塔索引；
计算金字塔逐层分辨率大小；
当当前层金字塔分辨率大于区块的地理分辨率时，则继续裁切，否则以当前层分幅分块规格裁切所述数字高程模型和数字正射影像图。
所述基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切，包括：
计算所述待沙盘构建区域南北东西四个方向的经纬度极值；
根据所述南北东西经纬度极值，计算南北范围值RNS和东西范围值REW，并以所述南北范围值RNS和东西范围值REW中较大者作为范围值R；所述范围值R为空间剖分0层分辨率基准；
根据PL＝R/2L计算后续层级L的地理分辨率PL；
根据M＝PL·π·r/n·180计算当前分辨率下单位像素的物理长度M；其中，n为当前瓦片大小，g为当前瓦片的投影长度，r为地球半径；
基于设定目视长度分辨率阈值为H，比较目视长度分辨率阈值H和单位像素物理长度M的大小；如果M<PL，则继续裁切；如果M≥PL，则完成裁切。
所述基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理，包括：
以所述待沙盘构建区域的地理长宽范围为单位长宽范围；
逐层以上一层长宽范围的一半作为该层纹理分块的长宽范围，对所述待沙盘构建区域进行纹理分块；
比较该层纹理分块的长宽范围与所述数字高程模型和数字正射影像图瓦片裁切的分幅分块规格的大小关系；
如果所述该层纹理分块的长宽范围大于分幅分块规格，则继续剖分，直至所述该层纹理分块的长宽范围小于分幅分块规格；
以该层纹理分块所对应的影像纹理数据集，作为该层级影像纹理处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图。
所述基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理，包括：
根据所述分幅分块规则获取对应的数字高程模型数据；
逐点根据所述分幅分块后各个网格的经纬度和高程值构建起伏网格模型；
其中，所述根据分幅分块规则获取对应的数字高程模型数据，还包括：
计算当前分块影像的地理范围；
根据地理范围计算当前分块对应的数字高程模型数据；
对当前分块对应的数字高程模型数据获得其网格顶点，利用采样间隔计算所述当前分格相邻分块的数字高程模型数据；
根据依次的相隔距离按照线性插值计算当前分块的数字高程模型数据所对应网格顶点的高程数据；
逐个获得各个网格顶点对应的高程值；
组合得到分块影像地理范围内各个网格的经纬度和高程值。
所述将处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型，包括：
根据前述经过影像纹理和起伏网格处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图,基于所述待沙盘构建区域的第一方向，按照网格密度逐顶点计算第一方向纹理坐标，依次为0,1/m,2/m……1；基于与所述第一方向相垂直的第二方向，按照网格密度逐顶点计算第二方向纹理坐标，依次为0,1/n,2/n……1；计算得到的点对{[0,0]...[1/m,1/n]...[1,1]}为影像纹理对应的纹理坐标，依此完成覆盖式贴图。
所述将处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型，包括：
对于当前网格，依次查找相邻的网格；比较所述当前网格与相邻网格中的高程最低点，计算得到边缘最低高程；将所述当前网格在原有网格基础上，四个方向边缘顶点依次向下扩充一列顶点，顶点经纬度与边缘经纬度一致，高程与所述最低高程一致；扩充的顶点纹理坐标和对应边缘纹理坐标一致；根据扩充的顶点纹理坐标对影像纹理进行拉伸；将各个网格依次合并在一起构建成所述沙盘空间模型。
所述根据预设的视点位置，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正，包括：
以所述底面幕中心为中心原点，底面幕平面正东向为X轴，正北向为Y轴，垂直方向为Z轴建立正交直角坐标系；
根据底面幕实际尺寸大小，将所述沙盘空间模型分为m·n个瓦片块；
计算根各瓦片块中心距离所述中心原点的距离，据距离比值依次计算放缩因子，并对瓦片块内模型进行Z方向的放缩；
依次计算每一个瓦片块的中心点和所述预设视点位置连线与中心视线的X、Y、Z方向夹角，换算每个瓦片块的旋转角度，并对每个瓦片块依次进行变换；
修正所述各瓦片快模型之间因所述变换所产生的遮挡，并将修正后的各个瓦片块模型进行合并。
所述根据预设的视点位置，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正，包括：
以底面幕中心为中心原点，底面幕平面正北向为Y轴，底面幕垂直方向为Z轴建立正交直角坐标系；
根据底面幕实际尺寸大小，将所述沙盘空间模型分为m·n个瓦片块；
在所述直角坐标系下，设定所述预设的视点位置为(x1，y1，z1)，当前瓦片块中心点位置为(x2，y2，z2)，根据下面公式3计算视点位置与当前瓦片块中心点的距离d；根据下面公式4计算中心原点与所述视点位置的距离d0；
以所述中心原点与视点位置的距离d0为基准，设定放缩固定项为f，根据下面公式5计算每个瓦片块的高程放缩因子w，根据下面公式6得到模型距离缩放矩阵Ws；
计算每个瓦片块对坐标轴的旋转角度，设定x方向、y方向、z方向的旋转角度分别为α、β、δ，根据公式3和4计算旋转角度：
根据公式7计算模型角度缩放矩阵Wr；
根据下面公式9计算每个瓦片块模型的变换矩阵W，并依据所述变换矩阵W对所对应的瓦片块模型进行变换；
W＝Wr·Ws 公式9
修正所述各瓦片快模型之间因所述变换所产生的遮挡，并将修正后的各个瓦片块模型进行合并。
通过本发明实施例，提供了一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，有效整合了三维数字多媒体技术与虚拟现实技术，突破了传统物理沙盘展示形式单一和普通数字沙盘三维立体效果差的弊端，实现了大范围宏观场景的小比例尺精细建模和真三维立体效果的数字沙盘展现，提高了数字沙盘展示的灵活性和实用性。本发明还采用四块投影屏幕构建数字沙盘显示空间，极大改善了数字沙盘的显示方式，大大提高了数字沙盘的观看体验。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法的流程图；
图2是数字高程模型和数字正射影像图裁切流程图；
图3是数字高程模型和数字正射影像图裁效果示意图；
图4是立体投影校正流程图；
图5是立体投影校正效果示意图；
图6是四幕投影设备示意图。
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明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明的目的是解决当前数字沙盘展示投射介质面积和沙盘展现比例尺的不协调问题，以及在边缘观看过程中斜视状态下存在三维场景有斜视锥失真的问题，同时改善目前数字沙盘展现形式单一的弊端，提高数字沙盘的灵活性和展示效果，给用户提供更为生动、形象的三维立体沙盘观感和体验。
针对前述技术问题，本发明公开了一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法。图1是本发明基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法的流程图。如图所示，该沙盘构建方法，包括：
在步骤101中，基于航空扫描影像制作待沙盘构建区域的数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)和数字正射影像图(DOM,Digital Orthophoto Map)；
所述数字高程模型(DEM)是一定范围内规则格网点的平面坐标(X，Y)及其高程(Z)的数据集。数字高程模型通过等高线或相似立体模型进行数据采集进行数据内插而形成的，能够真实描述区域地貌形态的空间分布，是进行大范围地形空间建模的几何数据主要来源。同时，基于待建模区域空间范围巨大，在地球球面环境下的弧面特征明显，为防止平面建模带来的投影变形，本发明的空间建模基准为地球球面基准的WGS1984坐标系统。该WGS1984是一种投影坐标系。
所述数字正射影像图(DOM)是对航空航天像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。DOM同时具有地图几何精度和影像特征的图像，可作为地图使用和分析的背景控制信息。在本实施例中，DOM以航空扫描影像为数据载体，获取待建模区域的多源多幅遥感影像，对影像进行严格配准,在重叠区内选择一条两边影像的拼接线，进而把这些影像镶嵌；通过图像融合对影像进行辐射纠正和色彩调整，在统一的坐标系下处理得到色彩均匀、地物分辨清晰的高分辨率的遥感影像集；对遥感影像集进行数据定向，每景选取同名地物点7个点以上,均匀分布于整景,采取二次多项式进行影像的几何精纠正与配准。
在步骤102中，基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切；
该瓦片裁切过程，包括：
计算单个区块的地理分辨率。这里，根据场地大小、投影仪分辨率和目视影像分辨率等要求，计算单位像素对应的影像经纬度分辨率确定分块大小，计算单个区块的地理分辨率。
基于所述数字高程模型和数字正射影像图构建空间金字塔索引。这里，可以以全幅DOM为数据基础，取东西范围、南北范围的最大值为0层分辨率，构建空间金字塔索引。
计算金字塔逐层分辨率大小。
当当前层金字塔分辨率大于区块的地理分辨率时，则继续剖分，否则当前层即为分幅分块的DOM划分规格；记录当前层的分幅分块规则、每一块的地理范围。
在统一的空间基准下，将所述DEM数据与划分后的DOM数据进行配准，按照DOM划分规格对DEM数据进行边缘对齐，裁切冗余的DEM边缘数据。
在步骤103中，基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理；
由于数字沙盘的地形一般较大，与之对应的纹理影像范围也非常大，加之为了达到相当的真实感，纹理分辨率一般也比较高，这样一块纹理的大小往往超出了设备显存的大小，所以如果加优化处理，仅仅一次显示单块纹理的做法将超出硬件的处理能力。因此，需要对前述DEM和DOM数据进行影像纹理处理，来解决大面积、高精度影像纹理的处理。
这里，影像纹理分块处理指的是按照分幅分块的规格，将大面积、大尺寸的影像纹理文件从第0层开始，依次往下分割为2n个的正方形小块纹理的过程。该影像纹理分块处理具体包括：以所述待沙盘构建区域的地理长宽范围为单位长宽范围；逐层以上一层长宽范围的一半作为该层纹理分块的长宽范围，对所述待沙盘构建区域进行纹理分块；比较该层纹理分块的长宽范围与所述数字高程模型和数字正射影像图瓦片裁切的分幅分块规格的大小关系；如果所述该层纹理分块的长宽范围大于分幅分块规格，则继续剖分，直至所述该层纹理分块的长宽范围小于分幅分块规格；以该层纹理分块所对应的影像纹理数据集，作为该层级影像纹理处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图。
例如，首先从第0层开始，生成1×1纹理，同时计算纹理边长范围，并与前述的分幅分块规格进行比较。从第1层开始，纹理分裂分块，且每块对应的地理长宽范围依次除以2，形如r/2，r/4，r/8，r/16，r/32，r/64，r/128，r/256……(其中r为第0层纹理的地理长宽范围)。其中，每一级都需要与前述的分幅分块规格比较大小关系。如果大于分幅分块范围则继续剖分，直至小于该分幅分块范围。停止时，该层级所对应的影像纹理数据集，即为该层级影像纹理处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图。
与影像纹理处理相同，该起伏网格处理需要模拟比较精细突兀的地形效果，需要致密的网格模拟地形环境，但是建模区域空间范围巨大，一次性建模会使得数据量巨大。同时建模时物体坐标系的平面基准和实际对象的球面基准使得在分块处理时的边缘衔接可能会出现裂缝等问题。因此，需要对前述DEM和DOM数据进行起伏网格处理。
该起伏网格处理，包括：根据所述分幅分块规则获取对应的数字高程模型数据；逐点根据所述分幅分块后各个网格的经纬度和高程值构建起伏网格模型。
其中，所述根据分幅分块规则获取对应的数字高程模型数据，还包括：计算当前分块影像的地理范围；根据地理范围计算当前分块对应的数字高程模型数据；对当前分块对应的数字高程模型数据获得其网格顶点，利用采样间隔计算所述当前分格相邻分块的数字高程模型数据；根据依次的相隔距离按照线性插值计算当前分块的数字高程模型数据所对应网格顶点的高程数据；逐个获得各个网格顶点对应的高程值；组合得到分块影像地理范围内各个网格的经纬度和高程值。
在步骤104中，将所述处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型；
根据前述经过影像纹理和起伏网格处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行全覆盖式贴图。基于所述待沙盘构建区域的第一方向，按照网格密度逐顶点计算第一方向纹理坐标，依次为0,1/m,2/m……1；基于与所述第一方向相垂直的第二方向，按照网格密度逐顶点计算第二方向纹理坐标，依次为0,1/n,2/n……1；计算得到的点对{[0,0]...[1/m,1/n]...[1,1]}为影像纹理对应的纹理坐标，依此完成覆盖式贴图。
例如，对于X方向，从西向东，按照网格横向密度，逐顶点计算纹理X坐标，自西向东坐标依次为0,1/m,2/m……1(m为东西向网格顶点个数)。对于Y方向，从南向北，按照格网纵向密度，逐顶点计算纹理Y坐标，自西向东坐标依次为0,1/n,2/n……1(n为南北向网格顶点个数)。计算得到的点对{[0,0]...[1/m,1/n]...[1,1]}即为影像纹理对应的纹理坐标，依此规则完成贴图。
为防止网格分块处理后由于采样、计算精度等问题引起高程数据不一致造成的网格之间的裂缝。本发明进行了以下处理：对于当前块，依次查找与之相邻的东南西北四个网格；比较五个网格的高程最低点，计算得到边缘最低高程；当前的网格在原有网格基础上，四个方向边缘顶点依次向下扩充一列顶点，顶点经纬度与边缘经纬度一致，高程与最低高程一致；扩充的顶点纹理坐标和对应边缘纹理坐标一致；根据扩充的顶点纹理坐标对影像纹理进行拉伸。
根据上述方法将各个网格依次合并在一起构建成所述沙盘空间模型。
在步骤105中，根据预设的视点位置，基于沙盘模型在斜视锥的变形规律，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正；
在沙盘边缘对显示屏幕进行观看时，为了防止视线被遮挡，观察点一般都不会在屏幕的正上方。从顶视图上看，观察点往往在地幕某个边缘的中心，这就造成了观察点和屏幕构成了一个斜视锥。如果直接把一个正常的三维场景投到屏幕上，看到的画面就会产生一个透视变形，一个正常的建筑看起来可能变得很矮，建筑的立面看起来也会倾斜，原本是立方体的模型看起来成了一个很矮的棱台。以观察者视线与屏幕交点为中心，距离越远的地方，投影变形越大，三维失真效果越明显；同时，为得到效果更突出的立体效果，在模型立体构建的技术上需要结合硬件基础呈现沙盘效果，达到立体效果增强的目的。因此，需要对所述沙盘空间模型进行立体投影校正。
本发明中，对沙盘模型立体投影校正，以屏幕中心为原点，地形平面正北向为Y轴，地形平面正东向为X轴，地心垂直方向为Z轴，建立正交右手坐标系；整个全区域地形模型以坐标系原点为基准，分为n*m个区块；计算根各区块中心距离原点的距离，据距离比值依次计算放缩因子，并依次对区块内模型进行Z方向的放缩；依次计算每一个区块的中心点和所述预设视点位置连线与中心视线的XYZ方向夹角，换算每个区块的旋转角度，然后将每个区块依次进行变换；修正部分因为放缩、旋转和斜透视关系造成的非正常遮挡关系；合并修正后的各个地形模型区块。
另外，为了获得更好的显示效果，还可以进行投影漆的调整。即，根据沙盘展示环境的光线、温度、湿度等条件，配比比例合适的工业级专业金属投影漆，要求增益值高，具有良好的色彩还原及保真度；根据观察点和投影面上各点的距离关系，按照不同厚度、不同角度进行投影漆喷刷，确保最好的漫反射效果。
在步骤106中，基于所述校正后的沙盘空间模型，生成四幕投影显示数据；所述四幕包括：正面幕、底面幕、左侧幕、右侧幕；
为了提高数字沙盘的灵活性和展示效果，给用户提供更为生动、形象的三维立体沙盘观感和体验，本发明基于所述校正后的沙盘空间模型，生成四幕投影显示数据。所述四幕投影显示数据，分别是正面幕、底面幕、左侧幕、右侧幕，四个相互垂直屏幕的投影显示数据。该四幕投影显示数据为同步生成，并同步发送至四幕投影设备的。
在步骤107中，将所述四幕投影显示数据发送至四幕投影设备进行显示。
图6是四幕投影设备示意图。如图所示，该四幕投影设备由四个投影墙幕组成，站在用户观看角度，分别是正面幕、底面幕、左侧幕、右侧幕，四个相互垂直屏幕。底面幕，即立体沙盘投射显示幕，为显示系统主幕，观察者的主要视域范围主要集中于此，产生立体的沙盘效果；正面幕、左侧幕和右侧幕，即信息显示幕，配合底面幕数字沙盘展示相关主题，辅助展示各种图表、图片、视频等多媒体资源。具体在本实施例中，该四幕投影设备包括16台工程投影机，其中9台投影机投射底面幕，3台投影机投射正面幕，2台投影机投射左侧幕，2台投影机投射右侧幕。所述四幕投影显示数据被同步显示在四幕投影设备的四个投影墙幕上，组合成完整的、相互关联的展示环境。
本发明通过上述方法提供了一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，有效整合了三维数字多媒体技术与虚拟现实技术，突破了传统物理沙盘展示形式单一和普通数字沙盘三维立体效果差的弊端，实现了大范围宏观场景的小比例尺精细建模和真三维立体效果的数字沙盘展现，提高了数字沙盘展示的灵活性和实用性。本发明还采用四块投影屏幕构建数字沙盘显示空间，极大改善了数字沙盘的显示方式，大大提高了数字沙盘的观看体验。
图2是数字高程模型和数字正射影像图裁切流程图。图3是数字高程模型和数字正射影像图裁效果示意图。如图所示，所述步骤102中，基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切，包括：从第0层开始，取东西和南北范围最大值构建正方形区域，依次往下分割为2n个的正方形小块纹理的过程，知道每一个小块中每一个像素对应的地理分辨率达到人眼和展示效果的需要。具体流程如下：
在步骤102a中，计算所述待沙盘构建区域南北东西四个方向的经纬度极值，设定依次为S、N、E、W；
在步骤102b中，根据所述南北东西经纬度极值，计算南北范围值RNS(RNS＝N-S)和东西范围值REW(REW＝E-W)，并比较南北范围值RNS和东西范围值REW，以较大者范围值R为空间剖分0层分辨率基准；
在步骤102c中，根据二次剖分原理，根据下面公式1计算后续层级L的地理分辨率PL；
PL＝R/2L 公式1
在步骤102d中，根据下面公式2计算当前分辨率下单位像素的物理长度M；
M＝PL·π·r/n·180 公式2
其中，n为当前瓦片大小(n·n)，g为当前瓦片的投影长度，r为地球半径。
在步骤102e中，基于设定目视长度分辨率阈值为H，比较目视长度分辨率阈值H和单位像素物理长度M的大小，如果M<PL，则回到步骤102c继续剖分，如果M≥PL，则完成裁切。
图4是立体投影校正流程图。图5是立体投影校正效果示意图。如图所示，在步骤105中，根据预设的视点位置，基于沙盘模型在斜视锥的变形规律，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正，包括：
在步骤105a中，以底面幕中心为中心原点，底面幕平面正北向为Y轴，底面幕垂直方向为Z轴建立正交直角坐标系；
在步骤105b中，根据底面幕实际尺寸大小，将所述沙盘空间模型分为m·n个瓦片块；
在步骤105c中，在所述直角坐标系下，设定所述预设的视点位置为(x1，y1，z1)，当前瓦片块中心点位置为(x2，y2，z2)，根据下面公式3计算视点位置与当前瓦片块中心点的距离d；根据下面公式4计算中心原点与所述视点位置的距离d0；
在步骤105d中，以所述中心原点与视点位置的距离d0为基准，设定放缩固定项为f，根据下面公式5计算每个瓦片块的高程放缩因子w，根据下面公式6得到模型距离缩放矩阵Ws；
计算每个瓦片块对坐标轴的旋转角度，设定x方向、y方向、z方向的旋转角度分别为α、β、δ，根据公式3和4计算旋转角度：
根据公式7计算模型角度缩放矩阵Wr；
在步骤105f中，根据下面公式9计算每个瓦片块模型的变换矩阵W，并依据所述变换矩阵W对所对应的瓦片块模型进行变换；
W＝Wr·Ws 公式9
在步骤105g中，修正所述各瓦片快模型之间因所述变换所产生的遮挡，并将修正后的各个瓦片块模型进行合并。
根据上述立体投影校正方法，对所述沙盘空间模型按照距离中心原点的距离进行不规则分块；对于每一块模型，基于人眼成像原理根据角度、距离等参数进行地形变换处理；分块处理的模型依序合并，并进行综合视觉修正得到立体沙盘模型。
综上所述，本发明所提供的基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，至少具有如下特征：
1)基于瓦片化的DEM进行大范围的空间地形建模对地理空间进行数字沙盘化展现，突破了传统实体沙盘可视化范围小、制作工艺复杂和部署不方便的弊端，也克服了当前普通数字沙盘在有限投射介质内无法实现大范围场景精细化三维展示的不足，制作流程简洁，适用性强，真正实现了小比例尺宏观场景的全尺度三维立体展现。
2)结合空间斜视锥的变形机制和人眼成像原理对数字沙盘模型进行投影校正，与常规的数字沙盘系统相比，沙盘模型投影变形小，双目景深具有远近距离的层次感，观察者的观看效果更加逼真，更贴近于真实环境的立体效果，真正达到裸眼3D的观赏体验。
3)采用四屏幕环绕的投影环境同步显示，突破了目前沙盘单屏、L型双屏或者弧幕形式展现信息量小、沉浸感不强的不足，四屏幕环绕的投影环境形成了一个封闭的观看环境，观者的参与感更强，达到了沉浸式的虚拟现实体验。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种基于瓦片地形建模和投影校正的沙盘构建方法，其特征在于包括：
步骤101，基于航空扫描影像制作待沙盘构建区域的数字高程模型和数字正射影像图；
步骤102，基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切；
步骤103，基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理；
步骤104，将所述处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型；
步骤105，根据预设的视点位置，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正；
步骤106，基于所述校正后的沙盘空间模型，生成四幕投影显示数据；所述四幕包括：正面幕、底面幕、左侧幕、右侧幕；
步骤107，将所述四幕投影显示数据发送至四幕投影设备进行显示。
2.如权利要求1所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切，包括：
计算单个区块的地理分辨率；
基于所述数字高程模型和数字正射影像图构建空间金字塔索引；
计算金字塔逐层分辨率大小；
当当前层金字塔分辨率大于区块的地理分辨率时，则继续裁切，否则以当前层分幅分块规格裁切所述数字高程模型和数字正射影像图。
3.如权利要求2所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述基于地理空间的分幅分块的空间划分，对所述数字高程模型和数字正射影像图进行瓦片裁切，包括：
计算所述待沙盘构建区域南北东西四个方向的经纬度极值；
根据所述南北东西经纬度极值，计算南北范围值RNS和东西范围值REW，并以所述南北范围值RNS和东西范围值REW中较大者作为范围值R；所述范围值R为空间剖分0层分辨率基准；
根据PL＝R/2L计算后续层级L的地理分辨率PL；
根据M＝PL·π·r/n·180计算当前分辨率下单位像素的物理长度M；其中，n为当前瓦片大小，g为当前瓦片的投影长度，r为地球半径；
基于设定目视长度分辨率阈值为H，比较目视长度分辨率阈值H和单位像素物理长度M的大小；如果M<PL，则继续裁切；如果M≥PL，则完成裁切。
4.如权利要求1所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理，包括：
以所述待沙盘构建区域的地理长宽范围为单位长宽范围；
逐层以上一层长宽范围的一半作为该层纹理分块的长宽范围，对所述待沙盘构建区域进行纹理分块；
比较该层纹理分块的长宽范围与所述数字高程模型和数字正射影像图瓦片裁切的分幅分块规格的大小关系；
如果所述该层纹理分块的长宽范围大于分幅分块规格，则继续剖分，直至所述该层纹理分块的长宽范围小于分幅分块规格；
以该层纹理分块所对应的影像纹理数据集，作为该层级影像纹理处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图。
5.如权利要求1所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述基于所述瓦片裁切后的数字高程模型和数字正射影像图进行影像纹理和起伏网格处理，包括：
根据所述分幅分块规则获取对应的数字高程模型数据；
逐点根据所述分幅分块后各个网格的经纬度和高程值构建起伏网格模型；
其中，所述根据分幅分块规则获取对应的数字高程模型数据，还包括：
计算当前分块影像的地理范围；
根据地理范围计算当前分块对应的数字高程模型数据；
对当前分块对应的数字高程模型数据获得其网格顶点，利用采样间隔计算所述当前分格相邻分块的数字高程模型数据；
根据依次的相隔距离按照线性插值计算当前分块的数字高程模型数据所对应网格顶点的高程数据；
逐个获得各个网格顶点对应的高程值；
组合得到分块影像地理范围内各个网格的经纬度和高程值。
6.如权利要求1所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述将处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型，包括：
根据前述经过影像纹理和起伏网格处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图,基于所述待沙盘构建区域的第一方向，按照网格密度逐顶点计算第一方向纹理坐标，依次为0,1/m,2/m……1；基于与所述第一方向相垂直的第二方向，按照网格密度逐顶点计算第二方向纹理坐标，依次为0,1/n,2/n……1；计算得到的点对{[0,0]...[1/m,1/n]...[1,1]}为影像纹理对应的纹理坐标，依此完成覆盖式贴图。
7.如权利要求1所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述将处理后的瓦片状数字高程模型和数字正射影像图进行合并，构建沙盘空间模型，包括：
对于当前网格，依次查找相邻的网格；比较所述当前网格与相邻网格中的高程最低点，计算得到边缘最低高程；将所述当前网格在原有网格基础上，四个方向边缘顶点依次向下扩充一列顶点，顶点经纬度与边缘经纬度一致，高程与所述最低高程一致；扩充的顶点纹理坐标和对应边缘纹理坐标一致；根据扩充的顶点纹理坐标对影像纹理进行拉伸；将各个网格依次合并在一起构建成所述沙盘空间模型。
8.如权利要求1所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述根据预设的视点位置，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正，包括：
以所述底面幕中心为中心原点，底面幕平面正东向为X轴，正北向为Y轴，垂直方向为Z轴建立正交直角坐标系；
根据底面幕实际尺寸大小，将所述沙盘空间模型分为m·n个瓦片块；
计算根各瓦片块中心距离所述中心原点的距离，据距离比值依次计算放缩因子，并对瓦片块内模型进行Z方向的放缩；
依次计算每一个瓦片块的中心点和所述预设视点位置连线与中心视线的X、Y、Z方向夹角，换算每个瓦片块的旋转角度，并对每个瓦片块依次进行变换；
修正所述各瓦片快模型之间因所述变换所产生的遮挡，并将修正后的各个瓦片块模型进行合并。
9.如权利要求8所述的沙盘构建方法，其特征在于，所述根据预设的视点位置，对所述沙盘空间模型进行立体投影校正，包括：
以底面幕中心为中心原点，底面幕平面正北向为Y轴，底面幕垂直方向为Z轴建立正交直角坐标系；
根据底面幕实际尺寸大小，将所述沙盘空间模型分为m·n个瓦片块；
在所述直角坐标系下，设定所述预设的视点位置为(x1，y1，z1)，当前瓦片块中心点位置为(x2，y2，z2)，根据下面公式3计算视点位置与当前瓦片块中心点的距离d；根据下面公式4计算中心原点与所述视点位置的距离d0；
以所述中心原点与视点位置的距离d0为基准，设定放缩固定项为f，根据下面公式5计算每个瓦片块的高程放缩因子w，根据下面公式6得到模型距离缩放矩阵Ws；
计算每个瓦片块对坐标轴的旋转角度，设定x方向、y方向、z方向的旋转角度分别为α、β、δ，根据公式3和4计算旋转角度：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>arccos</mi>
<mfrac>
<msub>
<mi>x</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>d</mi>
<mn>0</mn>
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</mfrac>
<mo>-</mo>
<mi>arccos</mi>
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<mrow>
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<mi>x</mi>
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</msub>
<mo>-</mo>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
<mi>d</mi>
</mfrac>
</mrow>
<mrow>
<mi>&delta;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>arccos</mi>
<mfrac>
<msub>
<mi>z</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
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<mn>0</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mi>arccos</mi>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>z</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mi>d</mi>
</mfrac>
</mrow>
根据公式7计算模型角度缩放矩阵Wr；
根据下面公式9计算每个瓦片块模型的变换矩阵W，并依据所述变换矩阵W对所对应的瓦片块模型进行变换；
W＝Wr·Ws 公式9
修正所述各瓦片快模型之间因所述变换所产生的遮挡，并将修正后的各个瓦片块模型进行合并。
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