CN111415411A - 三维模型空间坐标纠正及加密方法 - Google Patents

三维模型空间坐标纠正及加密方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维模型空间坐标纠正及加密方法。所述三维模型空间坐标纠正方法，包括以下步骤：步骤S1，读取第一格式的三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；读取第一格式的三维模型数据的节点信息，计算得到节点的原始坐标值；步骤S2，根据4个以上控制点的第一格式的原始坐标系空间坐标值和对应的第二格式的目标坐标系空间坐标值，计算原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数，进而构造空间坐标纠正矩阵；步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对第一格式的三维模型的原点坐标和节点坐标进行逐一转换纠正得到第二格式的三维模型的坐标点信息；步骤S4，存储空间坐标纠正后的第二格式的三维模型的文件。

Description

三维模型空间坐标纠正及加密方法
技术领域
本发明涉及建设信息分析领域，特别是涉及一种三维模型空间坐标纠正及加密方法。
背景技术
近年来，随着倾斜摄影技术日臻成熟，城市三维模型数据呈现爆发式增长，提高三维模型数据的几何精度，进一步扩大三维模型数据的应用领域，最终实现对城市三维模型数据的统一集成管理，已成为当前的迫切需求。然而，由于三维模型数据的生产时间、生产方式、生产条件和地理位置的差异，导致三维模型的几何精度不一致，或者坐标系不一致，难以进行统一集成管理。例如不同的项目应用对三维模型的坐标系要求不一样，为了满足不同项目的需求，同一套数据需要重复生产，以输出不同空间坐标系的模型，这样就造成了重复工作，耗时耗力。即现有的不同空间坐标系的三维模型的建立通常需重新生产坐标点的数据，重新构建模型，造成了重复工作，耗时耗力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种三维模型空间坐标纠正及加密方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种三维模型空间坐标纠正方法，包括：
步骤S1，读取基于实景建模系统生产的第一格式的三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；读取第一格式的三维模型数据的节点信息，计算得到节点的原始坐标值；
步骤S2，根据4个以上控制点的第一格式的原始坐标系空间坐标值和这4个以上控制点对应的第二格式的目标坐标系空间坐标值，计算原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数，进而构造空间坐标纠正矩阵；所述控制点为三维模型区域内不共面的任意点；
步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对第一格式的三维模型的原点坐标和节点坐标进行逐一转换纠正得到第二格式的三维模型的坐标点信息；
步骤S4，存储空间坐标纠正后的第二格式的三维模型的文件。
优选地，步骤S2中，第一格式的原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数计算及空间坐标纠正矩阵的构造步骤如下所示：
步骤S21，分别获取第一格式的三维模型区域内的4个以上控制点的原始坐标系空间坐标值和第二格式的目标坐标系空间坐标值；建立原始坐标系和目标坐标系之间的纠正数学模型；
步骤S22，纠正数学模型中，输入获取的控制点的原始坐标系空间坐标值和目标坐标系空间坐标值，计算纠正参数；
步骤S23，利用步骤S22计算得到的纠正参数，构造空间坐标纠正矩阵。
优选地，所述步骤S21中建立的纠正数学模型如下所示：采用七参数模型构建建立原始坐标系和目标坐标系之间的纠正数学模型，如式(1)所示，其一般形式如式(2)所示；在该模型中共采用了7个参数，分别是3个平移参数X0、Y0以及Z0，表示两个空间坐标系的坐标原点之间坐标差值；3个旋转参数εx、εy以及εz，基于旋转参数按顺序旋转三个坐标轴，可以使两个空间直角坐标系的XYZ轴重合在一起；1个尺度参数m，表示两个空间坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换；其中，X1，Y1以及Z1表示第一格式的原始坐标系空间坐标值；X2，Y2以及Z2表示第二格式的目标坐标系空间坐标值；
Figure BDA0002397682740000031
一般形式为：
Figure BDA0002397682740000032
优选地，转换过程前后，分别根据第一格式和第二格式坐标系的对应参考系，进行正投影或反投影处理。
优选地，所述步骤S22中，采用最小二乘法求解纠正参数。
优选地，所述步骤S1中，第一格式的三维模型为基于ContextCapture实景建模系统生产的OSGB格式三维模型；步骤S1的详细步骤为，读取OSGB格式三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；并逐一读取OSGB格式三维模型的瓦片数据，获取瓦片中的pagelod节点信息，计算得到pagelod节点的原始坐标值。
优选地，所述步骤S1中，OSBG格式三维模型瓦片中的pagelod节点的原始坐标值的计算方法如下：
Pagelod节点的原始坐标值＝模型原点坐标值+几何坐标点坐标。
优选地，所述步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对三维模型原点坐标和瓦片的pagelod节点坐标进行逐一转换纠正。
优选地，步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31，根据空间坐标纠正矩阵，对pagelod原始坐标值进行空间坐标纠正，得到pagelod空间坐标纠正值与三维模型原点空间坐标纠正值；
步骤S32，利用步骤S31得到的pagelod空间坐标纠正值与三维模型原点空间坐标纠正值，计算得到pagelod空间坐标纠正后的几何坐标点坐标，计算公式如下：
几何坐标点坐标＝pagelod空间坐标纠正值-三维模型原点空间坐标纠正值。
一种三维模型空间坐标加密方法，所述三维模型空间坐标加密方法根据上述的三维模型空间坐标纠正方法进行坐标转换，以对原始空间坐标进行加密。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该方法可以对三维模型的空间坐标系进行任意转换或纠正，直接由三维模型成果纠正得到另一种不同空间坐标系的三维模型成果，改变了传统的空间坐标系转换时需重新采集原始数据得到目标格式的三维模型的过程，即“原始数据-->数据处理-->三维模型成果”的模式。不仅节约了生产成本，提高了生产效率，而且实现了同一套数据多种空间坐标系下的应用，增强了数据的利用价值。
2、该方法可以对三维模型的空间坐标系进行任意转换或纠正，有效解决了因生产时间、生产方式、生产条件和地理位置的差异，导致三维模型的几何精度、坐标系不一致等问题，有利于对不同坐标系、不同几何精度三维模型的高效集成管理和应用。
3、该方法可利用已有控制点，实现对三维模型的空间坐标纠正，可有效解决三维模型制作过程中无控制点或控制点稀少引起的几何精度差的问题，提高三维模型的空间几何精度，扩大三维模型的应用范围，同时减少高精度三维模型的制作成本。
4、该方法可实现对三维模型的空间坐标任意转换或纠正，可用于对涉密三维模型进行坐标纠正，在保证实景三维模型相对几何精度的同时，实现三维模型的空间坐标加密，方便三维模型的网络发布和浏览，有利于扩大三维模型的应用领域。
附图说明：
图1是本发明示例性实施例1中三维模型空间坐标纠正方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种三维模型空间坐标纠正方法，包括以下步骤：
步骤S1，读取基于实景建模系统生产的第一格式的三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；读取第一格式的三维模型数据的节点信息，计算得到节点的原始坐标值；
步骤S2，根据4个以上控制点的第一格式的原始坐标系空间坐标值和这4个以上控制点对应的第二格式的目标坐标系空间坐标值，计算原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数，进而构造空间坐标纠正矩阵；所述控制点为三维模型区域内不共面的任意点；
步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对第一格式的三维模型的原点坐标和节点坐标进行逐一转换纠正得到第二格式的三维模型的坐标点信息；
步骤S4，存储空间坐标纠正后的第二格式的三维模型的文件。
其中，步骤S2中，第一格式的原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数计算及空间坐标纠正矩阵的构造步骤如下所示：
步骤S21，分别获取第一格式的三维模型区域内的4个以上控制点的原始坐标系空间坐标值和第二格式的目标坐标系空间坐标值；建立原始坐标系和目标坐标系之间的纠正数学模型；
步骤S22，纠正数学模型中，输入获取的控制点的原始坐标系空间坐标值和目标坐标系空间坐标值，计算纠正参数；
步骤S23，利用步骤S22计算得到的纠正参数，构造空间坐标纠正矩阵。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S21中，包含三维模型区域的4个以上控制点可以从已有控制点资料收集，也可以从三维模型上量取获得。控制点越多、分布越均匀，则空间坐标纠正精度越高。
步骤S21中建立的纠正数学模型如下所示：
第一格式的原始坐标系和第二格式的目标坐标系两个坐标系中，原点不一致，相应的坐标轴不平行，尺度也不一致。通常采用七参数模型构建建立原始坐标系和目标坐标系之间的纠正数学模型，如式(1)所示，其一般形式如式(2)所示。在该模型中共采用了7个参数，分别是3个平移参数X0、Y0以及Z0，表示两个空间坐标系的坐标原点之间坐标差值；3个旋转参数εx、εy以及εz，基于旋转参数按顺序旋转三个坐标轴，可以使两个空间直角坐标系的XYZ轴重合在一起；1个尺度参数m，表示两个空间坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换。其中，X1，Y1以及Z1表示第一格式的原始坐标系空间坐标值；X2，Y2以及Z2表示第二格式的目标坐标系空间坐标值。
Figure BDA0002397682740000071
一般形式为：
Figure BDA0002397682740000081
优选地，转换过程前后，分别根据第一格式和第二格式坐标系的对应参考系，增加正投影和反投影的处理。若步骤S1中第一格式的原始坐标系为地理坐标，即经纬度格式的坐标，则需在转换前(即步骤S2之前)，对第一格式的原始坐标进行正投影，得到第一格式的投影坐标；再根据步骤S2和步骤S3，利用坐标纠正矩阵对第一个格式的投影坐标进行坐标纠正，得到第二格式坐标系的投影坐标；若第二格式的目标坐标系为地理坐标，则需要在坐标纠正后(步骤S2和步骤S3之后)进行反投影，根据第二格式的投影坐标得到第二格式的地理坐标，即经纬度格式的坐标。
步骤S22中，根据四对以上的已知点进行结算，用最小二乘法求解纠正参数；最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。本实施例采用最小二乘法求解纠正参数。
实施例2
本实施例以第一格式为基于ContextCapture实景建模系统生产的OSGB格式三维模型为例，详述实施例1的三维模型空间坐标纠正方法。ContextCapture实景建模系统是当前市场上主流的实景三维模型生产软件，具有操作简单、无需人工干预和建模效果好等特点。而OSGB格式是OpenSceneGraph Scene Data(OSG)格式的二进制版本，是一种通用的三维模型格式。在本实施方式中，OSGB格式三维模型的空间坐标纠正主要包括瓦片空间坐标纠正和模型原点的空间坐标纠正，步骤如下所示：
步骤S1，读取基于ContextCapture实景建模系统生产的OSGB格式三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；逐一读取OSGB格式三维模型的瓦片数据，获取瓦片中的pagelod节点信息，计算得到pagelod节点的原始坐标值；
步骤S2，计算原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数，构造空间坐标纠正矩阵；
步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对三维模型原点坐标和瓦片的pagelod节点坐标进行逐一转换纠正；
步骤S4，存储空间坐标纠正后的OSGB瓦片文件，修改OSGB格式模型的元数据文件。
在本实施方式中，优选的，OSGB格式三维模型为ContextCapture实景建模系统生产。
在本实施方式中，基于ContexCapture实景建模系统生产的OSGB格式三维模型以瓦片形式存储，主要由模型瓦片数据和元数据文件组成。三维模型被分为若干个瓦片(Tiles)，每个瓦片包含若干层多细节层次(LOD)数据，即节点数据。OSBG格式三维模型瓦片中的pagelod节点主要存储了了三维模型瓦片的几何坐标点信息。
在本发明的一种优选实施方式中，在步骤S1中，OSBG格式三维模型瓦片中的pagelod节点的原始坐标值由模型原点坐标值加上pagelod几何坐标点坐标得到。其中OSBG格式三维模型瓦片中的pagelod节点的原始坐标值的计算方法如下：
pagelod节点的原始坐标值＝模型原点坐标值+几何坐标点坐标
步骤S3中，对三维模型瓦片的pagelod节点坐标进行逐一转换纠正的步骤包括：
步骤S31，根据空间坐标纠正矩阵，对pagelod原始坐标值进行空间坐标纠正，得到pagelod空间坐标纠正值与三维模型原点空间坐标纠正值；
步骤S32，利用步骤S31得到的pagelod空间坐标纠正值与三维模型原点空间坐标纠正值，计算得到pagelod空间坐标纠正后的几何坐标点坐标，计算公式如下：
几何坐标点坐标＝pagelod空间坐标纠正值-三维模型原点空间坐标纠正值
基于ContextCapture实景建模系统生产的OSGB格式三维模型的原始坐标系统及模型的原点坐标值保存在元数据文件中，元数据文件名为“metadata.xml”。因此步骤S4中得到空间坐标纠正后的OSGB瓦片文件后，修改OSGB格式模型的元数据文件。本实施例所述的三维模型空间坐标纠正方法，在进行空间坐标纠正时不会改变第一格式三维模型的格式和金字塔结构。
实施例3
本实施例提供一种三维模型空间坐标加密方法，其特征在于，所述三维模型空间坐标加密方法根据实施例1或实施例2所述的三维模型空间坐标纠正方法进行坐标转换，以实现对原始空间坐标进行加密。
实景三维模型属于一种新型测绘产品，带有真实的空间坐标，属于涉密数据，需对其进行相应的处理才能发布到网上使用。本实施例通过对涉密三维模型进行坐标纠正，实现了三维模型的空间坐标加密，方便了实景三维模型的网络发布和浏览，有利于扩大实景三维模型的应用领域。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，包括：
步骤S1，读取基于实景建模系统生产的第一格式的三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；读取第一格式的三维模型数据的节点信息，计算得到节点的原始坐标值；
步骤S2，根据4个以上控制点的第一格式的原始坐标系空间坐标值和这4个以上控制点对应的第二格式的目标坐标系空间坐标值，计算原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数，进而构造空间坐标纠正矩阵；所述控制点为三维模型区域内不共面的任意点；
步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对第一格式的三维模型的原点坐标和节点坐标进行逐一转换纠正得到第二格式的三维模型的坐标点信息；
步骤S4，存储空间坐标纠正后的第二格式的三维模型的文件。
2.根据权利要求1所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，步骤S2中，第一格式的原始坐标系与目标坐标系之间的纠正参数计算及空间坐标纠正矩阵的构造步骤如下所示：
步骤S21，分别获取第一格式的三维模型区域内的4个以上控制点的原始坐标系空间坐标值和第二格式的目标坐标系空间坐标值；建立原始坐标系和目标坐标系之间的纠正数学模型；
步骤S22，纠正数学模型中，输入获取的控制点的原始坐标系空间坐标值和目标坐标系空间坐标值，计算纠正参数；
步骤S23，利用步骤S22计算得到的纠正参数，构造空间坐标纠正矩阵。
3.根据权利要求2所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，所述步骤S21中建立的纠正数学模型如下所示：采用七参数模型构建建立原始坐标系和目标坐标系之间的纠正数学模型，如式(1)所示，其一般形式如式(2)所示；在该模型中共采用了7个参数，分别是3个平移参数X0、Y0以及Z0，表示两个空间坐标系的坐标原点之间坐标差值；3个旋转参数εx、εy以及εz，基于旋转参数按顺序旋转三个坐标轴，可以使两个空间直角坐标系的XYZ轴重合在一起；1个尺度参数m，表示两个空间坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换；其中，X1，Y1以及Z1表示第一格式的原始坐标系空间坐标值；X2，Y2以及Z2表示第二格式的目标坐标系空间坐标值；
Figure FDA0002397682730000021
一般形式为：
Figure FDA0002397682730000022
4.根据权利要求2所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，转换过程前后，分别根据第一格式和第二格式坐标系的对应参考系，进行正投影或反投影处理。
5.根据权利要求2所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，所述步骤S22中，采用最小二乘法求解纠正参数。
6.根据权利要求1所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，所述步骤S1中，第一格式的三维模型为基于ContextCapture实景建模系统生产的OSGB格式三维模型；步骤S1的详细步骤为，读取OSGB格式三维模型的原始坐标系统及模型的坐标原点信息；并逐一读取OSGB格式三维模型的瓦片数据，获取瓦片中的pagelod节点信息，计算得到pagelod节点的原始坐标值。
7.根据权利要求6所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，所述步骤S1中，OSBG格式三维模型瓦片中的pagelod节点的原始坐标值的计算方法如下：
Pagelod节点的原始坐标值＝模型原点坐标值+几何坐标点坐标。
8.根据权利要求7所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，所述步骤S3，利用空间坐标纠正矩阵，分别对三维模型原点坐标和瓦片的pagelod节点坐标进行逐一转换纠正。
9.根据权利要求8所述的三维模型空间坐标纠正方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31，根据空间坐标纠正矩阵，对pagelod原始坐标值进行空间坐标纠正，得到pagelod空间坐标纠正值与三维模型原点空间坐标纠正值；
步骤S32，利用步骤S31得到的pagelod空间坐标纠正值与三维模型原点空间坐标纠正值，计算得到pagelod空间坐标纠正后的几何坐标点坐标，计算公式如下：
几何坐标点坐标＝pagelod空间坐标纠正值-三维模型原点空间坐标纠正值。
10.一种三维模型空间坐标加密方法，其特征在于，所述三维模型空间坐标加密方法根据权利要求1至9任一项所述的三维模型空间坐标纠正方法进行坐标转换，以对原始空间坐标进行加密。
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