CN115937456B - 一种实景三维模型顶层重建方法及重建系统 - Google Patents

Abstract

一种实景三维模型顶层重建方法及重建系统，方法包括：读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件，确定整个实景三维模型数据文件的地理范围，根据S2中确定的地理范围生成DOM以及DSM影像文件，判断影像是否生成成功，根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引，重建实景三维模型顶层金字塔模型，优化模型表示、执行模型顶点简化以及索引重构，结束程序；系统包括与重建方法对应的各模块。本发明能够实现当前环境构高效的实景三维模型顶层的重建。

Description

一种实景三维模型顶层重建方法及重建系统

技术领域

本发明涉及一种三维模型重建方法，更具体的说涉及一种实景三维模型顶层重建方法及重建系统。

背景技术

随着计算机科学技术、尤其是三维图形渲染技术的发展，人们对三维地理信息系统的需求不再满足于三维分析和应用，而是越来越希望三维地理信息系统能够在各种各样的平台上极速的加载海量的三维数据。

目前，针对海量倾斜三维模型数据快速加载的研究主要包括两个层级：三维渲染层级以及数据处理层级。在三维渲染层级下，相关研究以数据资源调度为切入点，采用确保在某一视角范围内加载固定数量的三维场景文件，大范围全局浏览直接使用遥感影像的技术方案，如国防科技大学李军教授团队提出的大规模城市模型可视化技术；在数据处理层级下，相关研究以细节层次模型优化为切入点，利用LOD技术以及四叉树、八叉树等技术来对大范围城市模型进行顶层顶点简化和重组，如战略支援部队信息工程大学周杨教授团队提出的大规模城市三维模型绘制技术研究以及南京财经大学毛波教授团队的城市综合模型简化技术研究等。

经过近年来的研究和应用，在产品级应用方面，CesiumLab平台设计了一套可以简单合并倾斜三维模型数据并加载到Cesium平台上的转换工具，但该工具并不支持PC端的三维模型顶层合并；西安恒歌科技公司则在近期也提出了利用采样点对倾斜三维模型进行顶层简单重构的工具套件，但其合并时并未保留建筑物的原有结构。因此，实景三维模型在大范围城市级浏览方面的局限性渐渐凸显出来，按区块生成的实景三维模型在不经处理的情况下通常会出现两方面的问题：一是无法全局纵览整体的三维效果，二是模型内存资源占用较大、对计算机性能要求较高；加载未经处理的原始440平方公里的数据加载完毕需耗时124s并占用约1994MB的内存空间，难以满足使用需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种实景三维模型顶层重建方法及重建系统。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种实景三维模型顶层重建方法，包括下面的步骤：

S1，读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件：原始实景三维模型数据文件是按瓦片形式进行存储的，在横向和纵向两个维度上、分层分级读取三维模型的根节点文件，掌握其各个瓦片之间的关联情况；

S2，确定整个实景三维模型数据文件的地理范围：初步加载整个实景三维模型数据文件， 根据实景三维模型的平面坐标四至范围，确定实景三维模型顶层重建的边界；

S3，根据S2中确定的地理范围生成DOM以及DSM影像文件：分别设定三维模型中生成DOM和DSM影像的分辨率和拍摄时间参数，采用深度图缓存技术二次渲染策略来渲染深度图，得到每个顶点的三维坐标，进而获取实景三维模型表面所有顶点的数字高程信息，选择输出文件夹路径，在输出文件夹中生成DOM以及DSM影像文件；

S4，判断影像是否生成成功：查看S3步骤中输出文件夹中DOM和DSM影像文件是否输出成功，若DOM影像以及DSM影像两张影像中有任意一张生成错误则返回步骤S2重新设定参数并生成，直至两张影像均正确生成；若DOM影像以及DSM影像两张影像均已正确生成，则结合步骤S5的处理结果转入执行步骤S6；

S5，根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引：分析原始实景三维模型数据文件的瓦片组织方式，采用四叉树编码索引技术，设计实景三维模型顶层金字塔的加载序列以及模型链接方式，实现实景三维模型资源的快速调度和极速加载；

S6，重建实景三维模型顶层金字塔模型：分层分级读取原始实景三维模型数据文件的瓦片数据并确定其地理范围，由底向上，对实景模型进行重构，对其顶点进行简化，逐级生成金字塔索引调度模型；

 S7，优化模型表示、执行模型顶点简化以及索引重构：对三维模型数字表面模型的顶点抽析，实现对三维模型的简化，建立内存优化调度模型，构建顶点最优索引重构策略；

S8，结束程序。

所述的步骤S7包括下面的步骤：

S71， 模型顶点简化：利用QSlim二次度量误差式边折叠简化算法来抽析三维模型顶点，并通过相应的顶点重组和面片链接转换为原始文件格式，QSlim用来衡量折叠后的点的误差度量公式为：

式中，为邻接三角面所在平面，为顶点的邻接三角面集合，表示顶点到邻接三角面的距离，v表示模型顶点；

S72 内存优化调度：利用金字塔参数配置算法来设计实现不同高度下的模型调度策略，通过参数配比来建立重构模型简化、视角切换以及纹理压缩之间的联系，实现最优化内存优化调度，其算法公式如下所示：式中，为DSM影像的缩放因子，为 DOM 影像的缩放因子，为 DSM 影像离散取值参数，为QSlim 库对顶点简化的简化因子；为顶点简化率，为纹理简化率。

一种实景三维模型顶层重建系统，包括读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件模块、确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块、根据确定的地理范围生成DOM以及DSM影像模块、判断影像是否生成成功模块、根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块、重建实景三维模型顶层金字塔模型模块、优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块、结束模块，

所述的读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件模块，用于在横向和纵向两个维度上、分层分级读取三维模型的根节点文件，掌握其各个瓦片之间的关联情况；

所述的确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块，用于初步加载整个实景三维模型数据文件， 根据实景三维模型的平面坐标四至范围，确定实景三维模型顶层重建的边界；

所述的根据确定的地理范围生成DOM以及DSM影像模块，用于分别设定三维模型中生成DOM和DSM影像的分辨率和拍摄时间参数，采用深度图缓存技术二次渲染策略来渲染深度图，得到每个顶点的三维坐标，进而获取实景三维模型表面所有顶点的数字高程信息，选择输出文件夹路径，在输出文件夹中生成DOM以及DSM影像；

所述的判断影像是否生成成功模块，用于查看输出文件夹中DOM和DSM影像文件是否输出成功，若DOM影像以及DSM影像两张影像中有任意一张生成错误则返回确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块重新设定参数并生成，直至两张影像均正确生成；若DOM影像以及DSM影像两张影像均已正确生成，则结合根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块的处理结果转入执行重建实景三维模型顶层金字塔模型模块；

所述的根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块，用于分析原始实景三维模型数据文件的瓦片组织方式，采用四叉树编码索引技术，设计实景三维模型顶层金字塔的加载序列以及模型链接方式，实现实景三维模型资源的快速调度和极速加载；

所述的重建实景三维模型顶层金字塔模型模块，用于分层分级读取原始实景三维模型数据文件的瓦片数据并确定其地理范围，由底向上，对实景模型进行重构，对其顶点进行简化，逐级生成金字塔索引调度模型；

所述的优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块，用于对三维模型数字表面模型的顶点抽析，实现对三维模型的简化，建立内存优化调度模型，构建顶点最优索引重构策略；

所述的结束模块，用于结束程序。

所述的优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块包括模型顶点简化模块和内存优化调度模块，

所述的模型顶点简化模块，用于利用QSlim二次度量误差式边折叠简化算法来抽析三维模型顶点，并通过相应的顶点重组和面片链接转换为原始文件格式；

所述的内存优化调度模块，用于利用金字塔参数配置算法来设计实现不同高度下的模型调度策略，通过参数配比来建立重构模型简化、视角切换以及纹理压缩之间的联系，实现最优化内存优化调度。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明采用定性分析的方法，对在三维地理信息系统中进行海量倾斜三维模型的极速浏览问题进行系统分析，设计了先渲染数字正射影像和数字表面模型、随后执行倾斜三维模型顶层重建，最后根据相关研究对重建结果进行产品优化和相关格式转换的技术技术流程，实现当前环境构高效的实景三维模型顶层的重建；利用本方法重建金字塔后的模型加载全部瓦片耗时5s占用约270MB内存空间，相对节省了约84%的内存以及约96%的加载时间。

附图说明

图1是本发明中顶层重建流程图。

图2是本发明中DOM影像图。

图3是本发明中DSM影像图。

图4是本发明中实景三维模型数据的瓦片组织结构示意图。

图5是本发明中实景三维模型顶层金字塔结构示意图。

实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，一种实景三维模型顶层重建方法，本方法吸收了现有转换工具的优点，将国内外关于倾斜三维模型数据简化、重组等算法的最新成果创新性地引入到工程应用中来，通过对数字正射影像模型（Digital Orthophoto Map，后文简称DOM）、数字表面模型（Digital Surface Model，后文简称DSM）影像生成算法、四叉树索引构建算法、实景三维模型转换算法等关键算法的研究，能够立足于当前环境构建起高效的实景三维模型顶层重建方法。包括下面的步骤：

S1，读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件：原始实景三维模型数据文件是按瓦片形式进行存储的，找到根节点文件并读取根节点文件后即可对模型的整体信息进行估计；在横向和纵向两个维度上、分层分级读取三维模型的根节点文件，掌握其各个瓦片之间的关联情况以便进行后续处理。

S2，根据S2中确定的地理范围生成DOM以及DSM影像：初步加载整个实景三维模型数据文件， 根据实景三维模型的平面坐标四至范围，对实景三维模型地理范围进行估计，确定实景三维模型顶层重建的边界。

S3，根据S2中确定的地理范围定制化生成DOM以及DSM影像文件：分别设定三维模型中生成DOM和DSM影像的分辨率和拍摄时间参数，然后采用深度图（Shadow Map）缓存技术二次渲染策略来渲染深度图，通过像素级别的计算得到每个顶点的三维坐标，进而获取实景三维模型表面所有顶点的数字高程信息，选择输出文件夹路径，从而在输出文件夹中生成DOM以及DSM影像文件；具体DOM以及DSM影像如图2、图3所示。

S4，判断影像是否生成成功：查看S3步骤中输出文件夹中DOM和DSM影像文件是否输出成功，若DOM影像以及DSM影像两张影像中有任意一张生成错误则返回步骤S2重新设定参数并生成，直至两张影像均正确生成；若DOM影像以及DSM影像两张影像均已正确生成，则结合步骤S5的处理结果转入执行步骤S6，即结合S3执行成功之后的结果和S5执行成功之后的结果转入执行步骤S6。

S5，根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引：分析原始实景三维模型数据文件的瓦片组织方式（如图4所示），采用四叉树编码索引技术构建四叉树索引，从逻辑层设计实景三维模型顶层金字塔的加载序列以及模型链接方式，实现实景三维模型资源的快速调度和极速加载。即该步骤采用四叉树编码索引技术，服务于原始实景三维模型瓦片的搜索，利用线性四叉树编码来建立原始瓦片文件的索引，并结合顶层金字塔构建方法在每一层级间构筑文件调度链接。

S6，重建实景三维模型顶层金字塔模型：分层分级读取原始实景三维模型数据文件的瓦片数据并确定其地理范围，根据实景模型顶层金字塔的设计理念，由底向上，对实景模型进行重构，对其顶点进行简化，逐级生成金字塔索引调度模型。具体如图5所示。

 S7，优化模型表示，执行模型顶点简化以及索引重构：该步骤主要包含两个操作：一式利用顶点简化算法进行模型的简化，即对三维模型数字表面模型的顶点抽析，实现对三维模型的简化；二，建立内存优化调度模型，并据此构建顶点最优索引重构策略；

S8，结束。

参见图1至图5，具体的，所述的步骤S7包括下面的步骤：

S71， 模型顶点简化：该步骤主要操作为执行三维重构模型的简化，利用QSlim二次度量误差式边折叠简化算法来抽析三维模型顶点，并通过相应的顶点重组和面片链接转换为原始文件格式，从而避免模型向上抽析时的几何结构损失、水面扩大等问题；QSlim用来衡量折叠后的点的误差度量公式为：式中，为邻接三角面所在平面，为顶点的邻接三角面集合，表示顶点到邻接三角面的距离，v表示模型顶点；

S72 内存优化调度：该技术主要服务于顶层金字塔重构模型间的最优化模型切换，利用金字塔参数配置算法来设计实现不同高度下的模型调度策略，通过参数配比来建立重构模型简化、视角切换以及纹理压缩之间的联系，实现最优化内存优化调度，其算法公式如下所示：式中，为DSM影像的缩放因子，为 DOM 影像的缩放因子，为 DSM 影像离散取值参数，为QSlim 库对顶点简化的简化因子；为顶点简化率，为纹理简化率。

参见图2至图5，一种实景三维模型顶层重建系统，包括读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件模块、确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块、根据确定的地理范围生成DOM以及DSM影像模块、判断影像是否生成成功模块、根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块、重建实景三维模型顶层金字塔模型模块、优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块、结束模块。

所述的读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件模块，用于在横向和纵向两个维度上、分层分级读取三维模型的根节点文件，掌握其各个瓦片之间的关联情况。

所述的确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块，用于初步加载整个实景三维模型数据文件， 根据实景三维模型的平面坐标四至范围，确定实景三维模型顶层重建的边界；

所述的根据确定的地理范围生成DOM以及DSM影像模块，用于分别设定三维模型中生成DOM和DSM影像的分辨率和拍摄时间参数，采用深度图缓存技术二次渲染策略来渲染深度图，得到每个顶点的三维坐标，进而获取实景三维模型表面所有顶点的数字高程信息，选择输出文件夹路径，在输出文件夹中生成DOM以及DSM影像。

所述的判断影像是否生成成功模块，用于查看输出文件夹中DOM和DSM影像文件是否输出成功，若DOM影像以及DSM影像两张影像中有任意一张生成错误则返回确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块重新设定参数并生成，直至两张影像均正确生成；若DOM影像以及DSM影像两张影像均已正确生成，则结合根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块的处理结果转入执行重建实景三维模型顶层金字塔模型模块。

所述的根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块，用于分析原始实景三维模型数据文件的瓦片组织方式，采用四叉树编码索引技术，设计实景三维模型顶层金字塔的加载序列以及模型链接方式，实现实景三维模型资源的快速调度和极速加载。

所述的重建实景三维模型顶层金字塔模型模块，用于分层分级读取原始实景三维模型数据文件的瓦片数据并确定其地理范围，由底向上，对实景模型进行重构，对其顶点进行简化，逐级生成金字塔索引调度模型。

所述的优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块，用于对三维模型数字表面模型的顶点抽析，实现对三维模型的简化，建立内存优化调度模型，构建顶点最优索引重构策略。

所述的结束模块，用于结束程序。

参见图2至图5，具体的，所述的优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块包括模型顶点简化模块和内存优化调度模块，所述的模型顶点简化模块，用于利用QSlim二次度量误差式边折叠简化算法来抽析三维模型顶点，并通过相应的顶点重组和面片链接转换为原始文件格式；所述的内存优化调度模块，用于利用金字塔参数配置算法来设计实现不同高度下的模型调度策略，通过参数配比来建立重构模型简化、视角切换以及纹理压缩之间的联系，实现最优化内存优化调度。

参见图1至图5，本发明采用定性分析的方法，对在三维地理信息系统中进行海量倾斜三维模型的极速浏览问题进行系统分析，设计了先渲染数字正射影像和数字表面模型、随后执行倾斜三维模型顶层重建，最后根据相关研究对重建结果进行产品优化和相关格式转换的技术技术流程。利用本方法重建金字塔后的模型加载全部瓦片耗时5s占用约270MB内存空间，相对节省了约84%的内存以及约96%的加载时间。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种实景三维模型顶层重建方法，其特征在于，包括下面的步骤：

S1，读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件：原始实景三维模型数据文件是按瓦片形式进行存储的，在横向和纵向两个维度上、分层分级读取三维模型的根节点文件，掌握其各个瓦片之间的关联情况；

S2，确定整个实景三维模型数据文件的地理范围：初步加载整个实景三维模型数据文件， 根据实景三维模型的平面坐标四至范围，确定实景三维模型顶层重建的边界；

S3，根据S2中确定的地理范围生成DOM以及DSM影像文件：分别设定三维模型中生成DOM和DSM影像的分辨率和拍摄时间参数，采用深度图缓存技术二次渲染策略来渲染深度图，得到每个顶点的三维坐标，进而获取实景三维模型表面所有顶点的数字高程信息，选择输出文件夹路径，在输出文件夹中生成DOM以及DSM影像文件；

S4，判断影像是否生成成功：查看S3步骤中输出文件夹中DOM和DSM影像文件是否输出成功，若DOM影像以及DSM影像两张影像中有任意一张生成错误则返回步骤S2重新设定参数并生成，直至两张影像均正确生成；若DOM影像以及DSM影像两张影像均已正确生成，则结合步骤S5的处理结果转入执行步骤S6；

S5，根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引：分析原始实景三维模型数据文件的瓦片组织方式，采用四叉树编码索引技术，设计实景三维模型顶层金字塔的加载序列以及模型链接方式，实现实景三维模型资源的快速调度和极速加载；

S6，重建实景三维模型顶层金字塔模型：分层分级读取原始实景三维模型数据文件的瓦片数据并确定其地理范围，由底向上，对实景模型进行重构，对其顶点进行简化，逐级生成金字塔索引调度模型；

 S7，优化模型表示、执行模型顶点简化以及索引重构：对三维模型数字表面模型的顶点抽析，实现对三维模型的简化，建立内存优化调度模型，构建顶点最优索引重构策略；

S8，结束程序。

2.根据权利要求1所述的一种实景三维模型顶层重建方法，其特征在于，所述的步骤S7包括下面的步骤：

S71， 模型顶点简化：利用QSlim二次度量误差式边折叠简化算法来抽析三维模型顶点，并通过相应的顶点重组和面片链接转换为原始文件格式，QSlim用来衡量折叠后的点的误差度量公式为：

式中，为邻接三角面所在平面，为顶点的邻接三角面集合，表示顶点到邻接三角面的距离，v表示模型顶点；

S72 内存优化调度：利用金字塔参数配置算法来设计实现不同高度下的模型调度策略，通过参数配比来建立重构模型简化、视角切换以及纹理压缩之间的联系，实现最优化内存优化调度，其算法公式如下所示：

式中，为DSM影像的缩放因子，为 DOM 影像的缩放因子，为 DSM 影像离散取值参数，为QSlim 库对顶点简化的简化因子；为顶点简化率，为纹理简化率。

3.一种实景三维模型顶层重建系统，其特征在于：包括读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件模块、确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块、根据确定的地理范围生成DOM以及DSM影像模块、判断影像是否生成成功模块、根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块、重建实景三维模型顶层金字塔模型模块、优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块、结束模块，

所述的读取原始实景三维模型数据文件的根节点文件模块，用于在横向和纵向两个维度上、分层分级读取三维模型的根节点文件，掌握其各个瓦片之间的关联情况；

所述的确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块，用于初步加载整个实景三维模型数据文件，根据实景三维模型的平面坐标四至范围，确定实景三维模型顶层重建的边界；

所述的根据确定的地理范围生成DOM以及DSM影像模块，用于分别设定三维模型中生成DOM和DSM影像的分辨率和拍摄时间参数，采用深度图缓存技术二次渲染策略来渲染深度图，得到每个顶点的三维坐标，进而获取实景三维模型表面所有顶点的数字高程信息，选择输出文件夹路径，在输出文件夹中生成DOM以及DSM影像；

所述的判断影像是否生成成功模块，用于查看输出文件夹中DOM和DSM影像文件是否输出成功，若DOM影像以及DSM影像两张影像中有任意一张生成错误则返回确定整个实景三维模型数据文件的地理范围模块重新设定参数并生成，直至两张影像均正确生成；若DOM影像以及DSM影像两张影像均已正确生成，则结合根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块的处理结果转入执行重建实景三维模型顶层金字塔模型模块；

所述的根据实景三维模型数据文件的瓦片计算顶层四叉树索引模块，用于分析原始实景三维模型数据文件的瓦片组织方式，采用四叉树编码索引技术，设计实景三维模型顶层金字塔的加载序列以及模型链接方式，实现实景三维模型资源的快速调度和极速加载；

所述的重建实景三维模型顶层金字塔模型模块，用于分层分级读取原始实景三维模型数据文件的瓦片数据并确定其地理范围，由底向上，对实景模型进行重构，对其顶点进行简化，逐级生成金字塔索引调度模型；

所述的优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块，用于对三维模型数字表面模型的顶点抽析，实现对三维模型的简化，建立内存优化调度模型，构建顶点最优索引重构策略；

所述的结束模块，用于结束程序。

4.根据权利要求3所述的一种实景三维模型顶层重建系统，其特征在于：所述的优化模型表示及执行模型顶点简化以及索引重构模块包括模型顶点简化模块和内存优化调度模块，

所述的模型顶点简化模块，用于利用QSlim二次度量误差式边折叠简化算法来抽析三维模型顶点，并通过相应的顶点重组和面片链接转换为原始文件格式；

所述的内存优化调度模块，用于利用金字塔参数配置算法来设计实现不同高度下的模型调度策略，通过参数配比来建立重构模型简化、视角切换以及纹理压缩之间的联系，实现最优化内存优化调度。

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