CN114170393A - 基于多种数据的三维地图场景搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多种数据的三维地图场景搭建方法，包括根据场景搭建需求设定地理区域范围；获取地理区域范围的电子海图，对电子海图，获取水深特征要素值，生成基于水深特征要素值的矢量点要素文件；获取地理区域范围的数字高程模型，对数字高程模型进行处理，生成基于高程值的矢量点要素文件；将生成的矢量点要素文件调整坐标系后合并生成新的矢量点要素文件并生成组合数字高程模型；根据组合数字高程模型建立三维场景和/或三维地形模型。本发明快速实现海陆一体的立体三维效果，同时根据水深值大小实现不同水深度范围渲染效果；放置于地图应用引擎中，达到趋于真实地形的三维场景模拟；同时生成基于真实地貌特征的三维地形模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维地图场景搭建方法，尤其涉及一种基于多种数据的三维地图场景搭建方法。
背景技术
随着航运业及相关行业的规模增长和地图产业的发展趋势，未来地图将会从二维平面向三维立体化趋势大力发展，包括航运业及相关行业在内的地图使用行业将会更多的使用三维地图作为参考依据。而传统的二维地图，由于其平面化特征，仅能在有限的二维平面中对数据进行标示而无法对数据进行可视化呈现，无法为使用者提供更好的基于真实场景的模拟化使用体验。
三维地图能在二维地图的基础上增加立体效果呈现，现有的三维高程数据模型(DEM)大多是仅包含地面高程，针对海面以下数据都是空数据或者0值数据。当前的IHO-S57电子海图是基于二维矢量地图作为载体来体现海面及近岸的地理特征，具有相关的特征属性数据值和地理信息。高分辨率遥感影像为基于卫星影像生成的遥感图像，具有高分辨率以及实时特征，能最大限度接近真实地图特征的地理环境。因此如何能挖掘发挥三种数据在三维高程数据的更大作用，尤其是行业应用具有重大使用意义。因此，融合二维电子海图数据和高分辨率遥感图像的三维数字化场景，具有更多的实际使用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于多种数据的三维地图场景搭建方法，基于多种数据快速便捷的搭建的三维地图场景，使得三维地图场景更加趋近于实际环境。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于多种数据的三维地图场景搭建方法，包括如下步骤：S1：根据场景搭建需求设定地理区域范围，建立地理区域范围的矢量文件；S2：获取包含步骤S1中地理区域范围的电子海图，对电子海图进行处理，获取水深特征要素值，生成基于水深特征要素值的矢量点要素文件；S3：获取包含步骤S1中地理区域范围的数字高程模型，对数字高程模型图进行处理，生成基于高程值的矢量点要素文件；S4：根据步骤S2和S3获取的矢量点要素文件，针对高程值进行坐标系调整后合并生成新的矢量点要素文件，并根据矢量点要素文件生成组合数字高程模型；S5：根据步骤S4生成的组合数字高程模型建立三维场景和/或三维地形模型。
进一步地，所述步骤S4与步骤S5之间还包括如下步骤：S6：获取步骤S2中电子海图的水深范围特征要素值，通过渲染，生成水深渲染图；S7：获取包含地理区域范围的遥感图像，并预处理为高清遥感影像图；S8：将步骤S6中生成水深渲染图与步骤S7中得到的高清遥感影像图进行图层叠加，生成基于陆地高清影像和水面深度渲染叠加的场景图像；
进一步地，所述步骤S2中包括：S21：获取包含步骤S1中地理区域范围的所有电子海图的水深特征要素值，对水深特征要素值进行合并后删除地理区域范围外的点要素，生成矢量点要素文件；S22：提取矢量点要素文件中的Depht字段值，同时新建Z字段值作为水深高程值，取字段Depht的负值为Z字段值，即Z＝-[Depht]。
进一步地，所述步骤S3包括：S31：获取包含步骤S1中地理区域范围的所有数字高程模型；对数字高程模型中的地理区域范围进行裁剪、镶嵌并掩膜处理；S32：将处理后的数字高程模型数据进行矢量化处理，生成为矢量点要素文件；S33：提取矢量点要素文件，添加高程字段值到Z；删除其中Z字段值为0的点要素，得到Z字段值大于0的陆地高程点要素。
进一步地，所述步骤S4包括：S41：将步骤S2和S3获取的矢量点要素文件的坐标调整为统一的投影坐标系；S42：将经过坐标系调整后的矢量点要素文件合并，忽略或删除Z字段以外的其他字段，生成包含Z字段值的矢量点要素文件；S43：根据步骤S42中生成的包含Z字段值的矢量点要素文件，建立不规则三角网，高度字段选择Z字段；S44，将建立的不规则三角网，导出为栅格，生成基于地面高程和水深高程的组合数字高程模型；水下高程部分根据水深高程值大小体现立体塌陷效果。
进一步地，所述步骤S6包括：获取电子海图数据的水深特征要素值，所述水深特征要素值包括水深点特征要素值和水深范围特征要素值；根据水深范围特征要素值，生成矢量面要素文件，在矢量面要素文件的图层属性表中按水深范围值进行颜色显示渲染，生成基于不同水深值的渲染图。
进一步地，所述步骤S8包括：S81：将高分辨率遥感影像图根据地理区域范围进行裁剪、镶嵌和掩膜提取处理；S82：将步骤S6中的渲染图中的陆地的部分擦除，调整尺寸与步骤S81中处理后的遥感影像图匹配；S83：将步骤S82中处理后的渲染图作为图层叠加在步骤S71处理后的遥感影像图上，生成基于陆地高清影像和水深值渲染的场景图像；场景图像的水面部分体现的不同水深值的渲染效果。
进一步地，所述步骤S5中根据步骤S4生成的组合数字高程模型结合步骤S8中的生成的场景图像建立三维地形模型包括：S51：将步骤S4中生成的组合数字高程模型的数据转换为三维建模软件能读取和编辑的dem格式数据；S52：将步骤S51生成的dem格式数据导入三维建模软件进行三维建模生成三维模型；S53：将步骤S8中生成的场景图像作为材质贴合在三维模型上形成三维地形模型。
进一步地，所述电子海图为基于IHO-S57标准的ENC电子海图原始文件；通过GIS软件以及插件或电子海图软件对电子海图特征要素进行导出和提取。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，通过电子海图提取水深点和范围特征要素；通过数字高程模型提取高程值来实现真实地形的数字化模拟；通过将遥感影像和基于不同水深值的渲染作为三维地形模型的材质贴图；根据以上三种数据信息的调整和融合，生成组合数字高程模型以及三维地形模型，为三维场景数字化地理场景的搭建以及应用提供的数据支撑；具有可视化、高效化、便捷化等特点，提供区别于二维平面化的三维数据，获取趋近于真实地理环境的三维效果呈现。
附图说明
图1为本发明实施例中基于多种数据的三维地图场景搭建方法流程图；
图2为本发明实施例中基于电子海图水深特征生成的矢量点要素图像；
图3为本发明实施例中数字高程模型矢量化得到的陆地高程点要素图像；
图4为本发明实施例中基于图2和图3中要素点合并后的图像；
图5为本发明实施例中基于图4中的点要素生成的组合数字高程模型；
图6为本发明实施例中基于组合数字高程模型和场景图像搭建三维数字场景；
图7为本发明实施例中基于组合数字高程模型和场景图像建立三维地形模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明实施例中基于多种数据的三维地图场景搭建方法结构示意图。
请参见图1，本发明实施例的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，包括如下步骤：
步骤S1：根据场景搭建需求设定地理区域范围，建立地理区域范围的矢量文件；
步骤S2：获取包含步骤S1中地理区域范围的电子海图，对电子海图进行处理，获取水深特征要素值，生成基于水深特征要素值的矢量点要素文件；具体步骤如下：
S21：获取包含步骤S1中地理区域范围的所有电子海图的水深特征要素值，对水深特征要素值进行合并后删除地理区域范围外的点要素，生成矢量点要素文件；
S22：提取矢量点要素文件中的Depht字段值，同时新建Z字段值作为水深高程值，字段属性设为双精度，小数点位数为默认值；取字段Depht的负值为Z字段值，即Z＝-[Depht]。
电子海图为基于IHO-S57标准的ENC电子海图原始文件，即为基于IHO-S57标准要求的000格式文件；通过GIS软件以及插件或电子海图软件对电子海图特征要素进行导出和提取。电子海图特征要素为基于IHO-S57标准下的通用物标类别，表现为水上及近岸的地理要素及特征，每种特征要素根据属性不同，都包含二级特征及不同的属性参数值；电子海图数据的水深特征要素值包括水深点特征要素值和水深范围特征要素值。
在具体实施例中以Arcmap软件和由其官方提供的S57 View电子海图插件作为要素提取工具，提取电子海图中的水深点(SOUNDG)和水深范围(DEPARE)特征要素值。将所提取的特征要素生成为矢量要素文件，生成后的矢量要素文件可通过Arcmap软件进行要素的字段编辑、删除等处理。如图2所示。
步骤S3：获取包含步骤S1中地理区域范围的数字高程模型(Digital ElevationModel，DEM)，对数字高程模型图进行处理，生成基于高程值的矢量点要素文件；具体步骤如下：
S31：获取包含步骤S1中地理区域范围的所有数字高程模型；对数字高程模型中的地理区域范围进行裁剪、镶嵌并掩膜处理；
S32：将处理后的数字高程模型数据进行矢量化处理，生成为矢量点要素文件；
S33：提取矢量点要素文件，添加高程字段值到Z；删除其中Z字段值为0的点要素，得到Z字段值大于0的陆地高程点要素。
数字高程模型的类型，按照常规的数据分辨率分为90米、30米、12.5米、5米等。基于数据分辨率越小，精度就越高，数据范围也越小。在实际应用中，可根据设定地理范围的大小来选择数字高程模型数据。若设定的地理范围较大则采用分辨率大的数据，反之则选分辨率小的数据。在一具体实施例中采用ASTER GDEM v3的全球30米精度数字高程模型进行数据提取。
在具体实施例中，采用Arcmap软件对数字高程模型进行处理。对数字高程模型进行裁剪、镶嵌并掩膜处理；然后依次使用工具命令【栅格转多点】和【多部件转单部件】，进行矢量化处理，生成矢量点要素文件；使用工具命令【添加Z信息】，在属性表中添加高程信息，再在属性表Z字段中进行排序后删除字段值为0的要素。0值即为水面高程，删除后剩余要素即为图中的陆地高程。结果如图3所示。
步骤S4：根据步骤S2和S3获取的矢量点要素文件，针对高程值进行坐标系调整后合并生成新的矢量点要素文件，并根据矢量点要素文件生成组合数字高程模型；具体步骤如下：
S41：将步骤S2和S3获取的矢量点要素文件的坐标调整为统一的投影坐标系；基于IHO-S57标准电子海图数据的坐标系为基于墨卡托投影的投影坐标系；而某些数字高程模型采用的坐标系为地理坐标系，为了达到数据融合的对接性，需对坐标系进行统一为投影坐标系，方便组合后应用于相关三维场景中。
S42：将经过坐标系调整后的矢量点要素文件合并，忽略或删除Z字段以外的其他字段，生成包含Z字段值的矢量点要素文件；
在具体实施例中，采用Arcmap软件对步骤S2和S3生成的矢量点要素文件进行坐标系调整后合并，将步骤S3中生成的矢量点要素文件，进行坐标系转换为统一的投影坐标系；矢量点要素文件进行数据合并时，保留Z字段值，其他字段可进行删除或不做要求，生成基于陆地高程和水深高程的矢量点要素文件。结果如图4所示。
S43：根据步骤S42中生成的包含Z字段值的矢量点要素文件，建立不规则三角网，高度字段选择Z字段；
S44，将建立的不规则三角网，导出为栅格，生成基于地面高程和水深高程的组合数字高程模型；水下高程部分根据水深高程值大小体现立体塌陷效果。
在具体实施例中，采用Arcmap软件将步骤S42生成的矢量点要素文件重新转换为数字高程模型；建立不规则三角网生成TIN文件，坐标系以及其他参数可不做改动，高度字段选择Z；将生成的TIN文件转出成栅格文件，文件格式可自定为tif格式。输出类型、方法、采样距离、Z因子倍数等参数根据实际需求进行配置。结果如图5所示。
步骤S6：获取步骤S2中电子海图的水深范围特征要素值，通过渲染，生成水深渲染图；获取电子海图数据的水深范围特征要素，生成矢量面要素文件，在矢量面要素文件的图层属性表中按水深范围值进行颜色显示渲染，生成基于不同水深值的渲染图。
在具体实施例中，采用Arcmap软件提取电子海图水深范围特征要素(DEPARE)为矢量面要素文件，根据其中的子字段值DRVAL1和DRVAL2进行渲染。为了提升可视化效果，渲染时可选用相对明亮和色差明显的颜色，导出为图片格式，使用渐变色，便于增加渲染颜色层次，达到明显区分，增强可视化效果。渲染后可通过绘图软件擦除陆地部分，仅保留水上部分。
步骤S7：获取包含地理区域范围的遥感图像，并预处理为高清遥感影像图；
步骤S8：将步骤S6中生成水深渲染图与步骤S7中得到的高清遥感影像图进行图层叠加，生成基于陆地高清影像和水面深度渲染叠加的场景图像；具体步骤如下：
S81：将高分辨率遥感影像图根据地理区域范围进行裁剪、镶嵌和掩膜提取处理；
S82：将步骤S6中的渲染图中的陆地的部分擦除，调整尺寸与步骤S81中处理后的遥感影像图匹配；
S83：将步骤S82中处理后的渲染图作为图层叠加在步骤S81处理后的遥感影像图上，生成基于陆地高清影像和水深值渲染的场景图像；场景图像的水面部分体现的不同水深值的渲染效果。
渲染图经过大小调整拉伸匹配后叠加在高清遥感影像图上，叠加后的遥感图中水深渲染仅覆盖在水面之上，陆地部分未被遮挡，同时原遥感影像图中的坐标信息保持不变。
步骤S5：根据步骤S4生成的组合数字高程模型与步骤S8中的生成的场景图像建立三维场景和/或三维地形模型。
数字高程模型和场景图像在相关地理应用场景中进行组合应用，即可按真实地理坐标和趋于现实地形环境的三维场景，通过不同颜色的渲染体现不同水深值的地理范围。
以地理应用平台为例，导入组合数字高程模型和场景图像，可组成基于三维立体效果的三维场景。图中包含陆地部分高程、水深部分高程以及水深区域颜色渲染。以上数据同时包含地理位置信息，可以达到趋于现实地形地貌环境的模拟三维效果，可根据需求再添加更多三维要素来满足丰富应用场景。结果如图6所示。
步骤S5中建立三维地形模型包括：
S51：将步骤S4中生成的组合数字高程模型的数据转换为三维建模软件能读取和编辑的dem格式数据；
S52：将步骤S51生成的dem格式数据导入三维建模软件进行三维建模生成三维模型；
S53：将步骤S8中生成的场景图像作为材质贴合在三维模型上形成三维地形模型。
在具体实施例中，使用Global Mapper软件和3ds Max软件建立三维地形模型，通过Global Mapper软件导出dem格式的数字高程模型数据；在3ds Max软件中导入dem格式文件，再导出为任意三维模型格式；在材质编辑器中使用场景图像作为材质贴于三维模型上；在修改器中选择UV贴图，即可在三维模型上体现基于陆地高清遥感和水深值渲染的效果；最后导出三维模型数据。结果如图7所示。
综上所述，本发明实施例的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，快速实现海陆一体的立体三维效果，同时根据水深值大小实现不同水深度范围渲染效果；可根据实际应用放置于地图应用引擎中，达到趋于真实地形的三维场景模拟；也可以导出为三维地形模型，再经过建模软件的处理，生成基于真实地貌特征的三维地形模型。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据场景搭建需求设定地理区域范围，建立地理区域范围的矢量文件；
S2：获取包含步骤S1中地理区域范围的电子海图，对电子海图进行处理，获取水深特征要素值，生成基于水深特征要素值的矢量点要素文件；
S3：获取包含步骤S1中地理区域范围的数字高程模型，对数字高程模型图进行处理，生成基于高程值的矢量点要素文件；
S4：根据步骤S2和S3获取的矢量点要素文件，针对高程值进行坐标系调整后合并生成新的矢量点要素文件，并根据矢量点要素文件生成组合数字高程模型；
S5：根据步骤S4生成的组合数字高程模型建立三维场景和/或三维地形模型。
2.如权利要求1所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S4与步骤S5之间还包括如下步骤：
S6：获取步骤S2中电子海图的水深范围特征要素值，通过渲染，生成水深渲染图；
S7：获取包含地理区域范围的遥感图像，并预处理为高清遥感影像图；
S8：将步骤S6中生成水深渲染图与步骤S7中得到的高清遥感影像图进行图层叠加，生成基于陆地高清影像和水面深度渲染叠加的场景图像。
3.如权利要求1所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S2中包括：
S21：获取包含步骤S1中地理区域范围的所有电子海图的水深特征要素值，对水深特征要素值进行合并后删除地理区域范围外的点要素，生成矢量点要素文件；
S22：提取矢量点要素文件中的Depht字段值，同时新建Z字段值作为水深高程值；取字段Depht的负值为Z字段值，即Z＝-[Depht]。
4.如权利要求1所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31：获取包含步骤S1中地理区域范围的所有数字高程模型；对数字高程模型中的地理区域范围进行裁剪、镶嵌并掩膜处理；
S32：将处理后的数字高程模型数据进行矢量化处理，生成为矢量点要素文件；
S33：提取矢量点要素文件，添加高程字段值Z；删除其中Z字段值为0的点要素，得到Z字段值大于0的陆地高程点要素。
5.如权利要求1所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41：将步骤S2和S3获取的矢量点要素文件的坐标调整为统一的投影坐标系；
S42：将经过坐标系调整后的矢量点要素文件合并，忽略或删除Z字段以外的其他字段，生成包含Z字段值的矢量点要素文件；
S43：根据步骤S42中生成的包含Z字段值的矢量点要素文件，建立不规则三角网，高度字段选择Z字段；
S44，将建立的不规则三角网，导出为栅格，生成基于地面高程和水深高程的组合数字高程模型；水下高程部分根据水深高程值大小体现立体塌陷效果。
6.如权利要求3所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S6包括：获取电子海图数据的水深特征要素值，所述水深特征要素值包括水深点特征要素值和水深范围特征要素值；根据水深范围特征要素值，生成矢量面要素文件，在矢量面要素文件的图层属性表中按水深范围值进行颜色显示渲染，生成基于不同水深值的渲染图。
7.如权利要求2所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S8包括：
S81：将高分辨率遥感影像图根据地理区域范围进行裁剪、镶嵌和掩膜提取处理；
S82：将步骤S6中的渲染图中的陆地的部分擦除，调整尺寸与步骤S81中处理后的遥感影像图匹配；
S83：将步骤S82中处理后的渲染图作为图层叠加在步骤S81处理后的遥感影像图上，生成基于陆地高清影像和水深值渲染的场景图像；场景图像的水面部分体现的不同水深值的渲染效果。
8.如权利要求2所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述步骤S5中根据步骤S4生成的组合数字高程模型结合步骤S8中的生成的场景图像建立三维地形模型，包括：
S51：将步骤S4中生成的组合数字高程模型的数据转换为三维建模软件能读取和编辑的dem格式数据；
S52：将步骤S51生成的dem格式数据导入三维建模软件进行三维建模生成三维模型；
S53：将步骤S8中生成的场景图像作为材质贴合在三维模型上形成三维地形模型。
9.如权利要求1所述的基于多种数据的三维地图场景搭建方法，其特征在于，所述电子海图为基于IHO-S57标准的ENC电子海图原始文件；通过GIS软件以及插件或电子海图软件对电子海图特征要素进行导出和提取。
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