CN110866971B - 真平方正射影像制作方法 - Google Patents

Abstract

真平方正射影像(True Square Orthophoto Map‑T²OM)是在真正射影像(True Orthophoto Map‑TOM)的基础上增加三维可量测信息(x,y,z)和墙面纹理信息。因此，它不仅提供真正射影像所具有的二维几何位置(x,y)和地表灰度信息，而且提供三维几何位置(x,y,z)和墙面纹理信息。T²OM的制作方法，包括了步骤(1)T²OM的数据结构设计；步骤(2)T²OM的数据获取与存储；步骤(3)建筑物T²OM的空间索引创建；步骤(4)建筑物三维建模及编辑。本发明的T²OM制作方法，实现了真正射影像和三维真实景观的选择性无缝融合，发展了镶嵌有真实纹理影像的3D可量测城市景观地图，满足了“数字/智慧城市”建设中对城市三维可量测地图的迫切需求。

Description

真平方正射影像制作方法

技术领域

本发明涉及城市三维模型制作领域，具体涉及真平方正射影像(T²OM)的制作方法。

背景技术

数字正射影像(Digital Orthoimage Map-DOM)是国家空间数据基础设施(NSDI)、城市空间基础数据设施(USDI)和城市基础地理信息的核心载体。尽管传统真正射影像包含了准确的地表位置信息和影像纹理信息，所表达的信息具有良好的判读性、可量测性和现势性，但是，它无法提供三维高程信息和墙面纹理信息。

随着数字城市和智慧城市建设，社会各界要求USDI具有数字化、网络化、优化决策支持和三维可视化等功能。尤其是对建立一个可提供3D几何特征和墙面纹理等信息的三维的、动态的、可视化的真实感景观，来准确、真实的反映客观世界，以便满足人们对大比例尺城市规划、环境检测和应急响应提出了迫切需要。例如，电讯公司的发射机位置、信号衰减和遮挡的分析；城市街道小气候与健康环境的研究；街道污染环境监测和街道噪音传播和衰减的分析；街道热量散射和废气排放的分析等，都需要能同时提供具有3D真实纹理和3D可量测(XYZ坐标)的、能真实反映现实物理世界的自然空间特征信息。

发明人在研究中发现，目前城市真正射影像地图仅提供2D表面纹理和2D(XY)可量测的信息，以至于很难满足未来“数字/智慧城市”建设中对TOM提出的要求。

发明内容

有鉴于此，为了顺应计算机图形图像处理技术和虚拟现实技术的快速发展，发展镶嵌有真实纹理影像的3D可量测城市景观地图是人们对“数字/智慧城市”建设中基础地理数据发展的迫切需求，为我国形成具有自主知识产权的城市高分辨率正射影像地图奠定理论基础，本发明实现了真正射影像和三维真实景观的选择性无缝融合，发展了镶嵌有真实纹理影像的3D可量测城市景观地图。

本发明设计的真平方正射数据结构由三个部分组成，分别是影像元数据、像素数据和建筑物数据，其中像素数据是栅格数据，建筑物数据是矢量数据，每个像素在计算机内以二进制变长字段存贮；

像素数据包含地表灰度信息、像素高程和像素所属建筑物ID；像素数据存储二维影像数据每一个像素高程值以及像素所属的建筑物ID号；如果像素不属于任何一栋建筑物则该记录为空值；

建筑信息数据包含了建筑物ID、建筑物高程和墙面纹理地址。在使用时调用其内部数据既可实现二维影像、三维建筑和纹理的统一管理。

真平方正射影像不仅存储地表灰度信息，同时存储每个像素的高程数据，使其具备三维空间信息；通过分析高程数据中所有建筑物高度以识别建筑物并确定每栋建筑物的范围；根据建筑物的范围从高程数据将建筑物高程提取出来并保存到真平方正射影像中的像素数据中，用于三维建筑模型构建。

建筑物数据保存建筑物ID、建筑物顶点坐标值、纹理索引值信息，其中建筑顶点坐标值转换为Morton码进行存储。将原来的顶点(x₁，y₁)转化为M码进行存储，这样建筑物的一条边由原来的(x₁,y₁)和(x₂,y₂)表示为(M₁，M₂)，在数据检索的时候能够加快速度。

建筑物纹理按照对应建筑物边的坐标存储顺序进行储存，一个(M1,M2)映射一张墙面纹理，保证在建筑物建模时纹理能够准确贴在对应的墙面，同时能够减少纹理坐标存储空间。

真平方正射影像将影像元数据和像素数据、建筑物数据分别作为一个部分进行存储，像素数据中存储二维影像数据每一个像素高程值以及像素所属的建筑物ID号，如果像素不属于任何一栋建筑物则该像素记录为空值。像素数据、建筑物数据通过唯一的标志符，即建筑物ID进行链接，建筑物ID是指向T²OM的指针，它们与墙面纹理ID，地理坐标和高程信息链接，因此可以直接被用作空间索引。根据像素数据中任一像素建筑物ID进行建筑物三维坐标信息和墙面纹理信息检索。

本发明建立了建筑物T²OM的空间索引关系，把每个建筑物T²OM的水平投影作为一个影像块，将所有建筑物的T²OM以块作为单元，块之间利用真正射影像的地理坐标进行合并和单独检索；建立的所有建筑物索引表，利用基于文件方式和基于关系数据库方式的联合管理方式来管理所有建筑物T²OM，墙面纹理采用文件方式来管理，建筑物T²OM、3D建筑物模型ID和墙面纹理ID采用关系数据库方式进行管理。

本发明提供了选择性进行模型显示方法，其中，建筑物三维模型、建筑物墙面纹理和高程“隐藏”起来；在显示大范围的影像时，不会显示全部建筑物模型，建筑物模型显示通过点选和框选两种方式选择性地显示指定建筑物的墙面纹理和高程以及3D真实景观图；通过点选方式可以显示单栋三维建筑模型，当点选位置在建筑物以外范围时则不会有任何响应；通过框选方式可以显示目标范围内所有的建筑物模型，包括部分墙体落在框选边界的建筑物。

本发明提供了一个独立的窗口进行建筑物信息的查询显示，包括建筑物ID、高程、墙面纹理、范围和体积，并提供三维距离量测功能。建筑物面积通过快速检索T²OM的建筑物ID重复次数确定像素数量，再将像素大小和像素数量相乘即可得到；体积通过建筑面积和建筑物高程相乘即可得到；平面距离量测利用行号差和列号差使用直角三角形斜边计算公式计算得到，三维距离则是平面距离加上高程再次利用直角三角形斜边公式计算得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：将矢量数据和栅格数据进行结合，同时将二维数据和三维数据保存在同一个文件中，三维模型的有选择性显示和管理能够满足用户的同时大大减少数据量和计算量，实现制作提供3D几何位置和墙面纹理的3D实景可视化信息的新一代城市数字真正射影像地图。

附图说明

图1为本发明中真平方正射影像数据结构图；

图2为本发明中T²OM的数据获取与存储图；

图3为本发明中真正射影像数据索引图；

图4为本发明中真平方正射影像数据组成图；

图5为本发明中真平方正射影像的矢量三维建筑物模型图；

图6为本发明中真平方正射影像的建筑物三维可视化图；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例。

真平方正射影像制作方法基本步骤如下：

步骤1，T²OM的数据结构设计，其数据结构如图1所示，真平方正射影像由三个部分组成，分别是影像元数据、像素数据和建筑物数据。三个部分数据中的像素数据是栅格数据，建筑物数据是矢量数据，每个像素在计算机内以二进制变长字段存贮数据。影像元数据包含了投影坐标系、大地坐标起始点、像素分辨率等以及像素数据和建筑物数据的存储地址；像素数据包含了地面纹理灰度信息、像素高程和像素所述建筑物ID；建筑物数据包含了建筑物ID、建筑物顶点坐标和建筑物墙面纹理。

步骤2，T²OM的数据获取与存储：如图2a，建筑物的数据包括矢量顶点、建筑物范围、建筑物高程。通过分析高程数据中建筑物高度识别建筑物轮廓，确定每栋建筑物的范围，然后根据建筑物的范围将建筑物高程从高程数据中提取出来并保存到真平方正射影像中的像素数据中，用于三维建筑模型构建。

如图2b，将真平方正射影像的基本信息，包括坐标系、分辨率、像素数据存储地址、建筑物数据存储地址等信息以头文件的形式进行存储；将像素数据存储到T²OM中，包括影像的灰度值、建筑物ID和建筑物高程以二进制形式存储在真平方正射影像的像素数据中。将建筑物三维数据进行存储，包括建筑物ID，建筑物顶点数据，以及墙面纹理，其中建筑物墙面纹理按照对应建筑物坐标的存储顺序进行储存，在纹理映射时按照建筑物顶点存储顺序提取墙面纹理，保证在单栋建筑物建模时纹理能够准确进行映射。

建筑顶点坐标值使用Morton码进行存储，将原来的顶点(x₁，y₁)转化为M码进行存储，则建筑物一条边长的两个二维坐标值(x1,y1)和(x2,y2)可以存储为一个二维坐标值(M₁，M₂)，这样可以确保一个二维Morton码对应一张纹理数据，在数据检索的时候能够加快速度。

步骤3，建筑物T²OM的空间索引创建：如图3所示，建立建筑物T²OM的空间索引关系，把每个建筑物T²OM的水平投影作为一个影像块，把T²OM每个建筑物的水平投影作为一个影像块，将所有建筑物的T²OM以块作为单元，块之间利用正射影像的地理坐标进行合并和单独检索。然后建立所有建筑物索引表，利用基于文件方式和基于关系数据库方式的联合管理方式来管理所有建筑物T²OM，其中墙面纹理采用文件方式来管理，建筑物T²OM、3D建筑物模型ID和墙面纹理ID采用关系数据库方式进行管理。建筑物ID是指向T²OM的指针，它们与墙面纹理ID，XY坐标和高程信息链接，因此可以直接被用作空间索引。

建立索引后可以选择性进行模型显示通过建筑物三维模型、建筑物墙面纹理和高程“隐藏”起来，然后根据用户选择指定显示建筑物的墙面纹理和高程以及3D真实景观图。该方法中建筑物模型有点选和框选两种方式进行模型选择，通过进行点选方式可以显示单栋三维建筑模型，点选在建筑物以外范围则没有响应；通过框选方式，可以显示目标范围内所有的建筑物模型。

步骤4，建筑物三维建模及编辑：当确定所需要显示的建筑物即可根据建筑物ID分别在像素数据中获取建筑物坐标值、高程，在建筑物数据中获得建筑物的三维纹理信息。真正射影像中所显示的建筑就是建筑物屋顶的影像灰度信息，所以T²OM建筑物顶面纹理可以直接从真正射影像中获取，将以上所有数据进行三维模型构建即可实现三维模型显示，如图5、6所示。

点选单栋建筑物时弹出一个独立的窗口进行建筑物模型所有信息的完全显示，包括建筑物模型、墙面纹理、建筑物高程、建筑物占地面积等详细信息；通过框选方式则需要用户选择性进行显示建筑物三维模型和墙面纹理。当确定所需要显示的建筑物，即可通过像素数据确定对应的建筑物ID、建筑物高程、并计算建筑物的范围、体积，同时提供三维距离测量；三维建筑物面积可以通过检索T²OM的建筑物ID确定，ID重复次数代表像素的数量，像素和像素数量相乘即可得到面积，而体积则可通过占地面积和建筑物高程相乘得到；平面距离量测利用行号差和列号差使用直角三角形斜边计算公式计算得到，三维距离则在平面距离加上高程再次利用直角三角形斜边公式计算得到。

与现有技术相比，本方法的有益效果在于：将矢量数据和栅格数据进行结合，同时将二维数据和三维数据保存在同一个文件中，三维模型的有选择性显示和管理能够满足用户的同时大大减少数据量和计算量，实现制作提供3D几何位置和墙面纹理的3D实景可视化信息的新一代城市数字真正射影像地图。

Claims (1)

1.一种真平方正射影像制作方法，该方法是在真正射影像的基础之上增加三维可量测信息(x,y,z)和墙面纹理信息，它不仅能够提供目前真正射影像所具有的二维几何位置信息(x,y)和地表灰度信息，而且能够提供三维几何位置(x,y,z)和墙面纹理信息，制作T²OM的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：T²OM的数据结构设计：

设计真平方正射影像的数据结构，该数据结构包括3部分：影像元数据、像素数据和建筑物数据；

步骤二：T²OM的数据获取与存储，包括：

步骤(2-1)，从真正射影像中提取影像数据，从数字建筑物模型中提取建筑物数据；

步骤(2-2)，建筑物二维水平坐标转换为Morton码；

步骤(2-3)，影像数据、建筑物数据、建筑物墙面纹理数据依次存入对应Morton码的数据结构表中；

步骤三：建筑物T²OM的空间索引创建，包括：

步骤(3-1)，建立所有建筑物索引表，利用基于文件方式和基于关系数据库方式的联合管理方式来管理所有建筑物T²OM；

步骤(3-2)，通过点选和框选两种方式在T²OM的二维影像中进行建筑物检索；

步骤四：建筑物三维建模及编辑，包括：

步骤(4-1)，确认建筑物ID后在像素数据和建筑物数据中调用建筑物三维空间信息，构建三维建筑模型并显示；

步骤(4-2)，添加建筑物三维量测功能，包括计算体积、面积、距离；

步骤(4-3)，添加建筑物纹理信息查询功能，如建筑物墙面纹理，建筑物顶点坐标；

其特征还在于，设计的真平方正射影像数据结构包括3部分：影像元数据、像素数据和建筑物数据；其中，像素数据是栅格数据，建筑物数据是矢量数据，每个像素在计算机内以二进制变长字段存贮；

影像元数据包含投影坐标系、大地坐标起始点、分辨率、宽度、高度以及像素数据和建筑物数据的存储地址；

像素数据包含地表灰度信息、像素高程和像素所属建筑物ID；像素数据存储二维影像数据每一个像素高程值以及像素所属的建筑物ID号；如果像素不属于任何一栋建筑物则该像素记录为空值；

建筑物数据包含建筑物ID、建筑物顶点坐标和墙面纹理地址；

其特征还在于，T²OM的像素数据，不仅存储地表灰度信息，同时存储每个像素的高程数据，使其具备三维空间信息；

通过分析高程数据中建筑物高度以识别建筑物轮廓，确定每栋建筑物的范围；

根据建筑物的范围从数字建筑物模型将建筑物高程提取出来，并保存到T²OM像素数据中，用于三维建筑模型构建；

其特征还在于，T²OM的建筑物数据除了保存建筑物ID外，同时保存建筑物墙面边界的顶点坐标值、建筑物墙面纹理地址；

建筑顶点坐标值使用Morton码进行存储，将原来的顶点(x₁，y₁)转化为Morton码进行存储，建筑物的一个墙面水平坐标存储为(M₁，M₂)；

建筑物墙面纹理按照对应建筑物每个墙面水平坐标存储顺序进行储存，一个(M1,M2)映射一张墙面纹理，保证在建筑物三维建模时，纹理能够准确贴在对应的墙面，同时能够减少纹理坐标存储空间；

像素数据、建筑物数据通过唯一的标志符，即建筑物ID进行链接，建筑物ID是指向T²OM的指针，它们与墙面纹理ID，地理坐标和高程信息链接，可以直接被用作空间索引；根据所述影像数据中的任一像素建筑物ID进行建筑物三维坐标信息、高程信息和纹理信息提取；

其特征还在于，建立建筑物T²OM的空间索引关系，把T²OM每个建筑物的水平投影作为一个影像块，将所有建筑物的T²OM以块作为单元，块之间利用正射影像的地理坐标进行合并和单独检索；

建立所有建筑物索引表，利用基于文件方式和基于关系数据库方式的联合管理方式来管理所有建筑物T²OM，即墙面纹理采用照片文件方式来存储、管理，建筑物T²OM、3D建筑物模型ID和墙面纹理ID采用关系数据库方式进行存储、管理；

其特征还在于，选择性进行模型显示减少计算量而加快模型构建的效果，其中建筑物三维模型、建筑物墙面纹理和高程“隐藏”起来，可以选择性地显示指定建筑物的墙面纹理和高程以及3D真实景观图；

在影像大范围显示时，不显示全部建筑物模型，建筑物模型显示采用点选和框选两种方式进行选择；

通过点选方式可以显示单栋三维建筑模型，当点选位置在建筑物以外范围则没有响应；

通过框选方式可以显示目标范围内所有的建筑物模型，这样能够极大程度减少系统的数据量和绘制量，保证系统的流程度；

其特征还在于，可查询到目标建筑物的ID、坐标、高程、墙面纹理以及面积、体积，同时提供三维距离测量；

建筑物面积可以通过快速检索T²OM的建筑物ID重复次数确定像素数量，像素和像素数量相乘即可得到建筑物面积，建筑物体积可通过建筑物面积和建筑物高程相乘得到；

平面距离量测利用行号差和列号差使用直角三角形斜边计算公式计算得到，三维距离则是平面距离加上高程再次利用直角三角形斜边公式计算得到。