CN116127115B - 面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法，包括：选用球面墨卡托投影作为分块的基础投影进行四叉树递归剖分，结合分块建模参数完成分块三维建模；基于分块三维建模获取分块细节层次模型，获取含时空索引的多期模型瓦片集；采用与模型瓦片集一致的网格构建具备地理单元分类信息的二维矢量数据瓦片集，遍历模型瓦片集中的所有模型文件，根据空间包含关系对模型瓦片整体、模型顶点进行可见性标识信息标记及地理单元分类标识信息标记；对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化。本发明的方法可实现时序模型按需可视化，具备面向融合效果优先、数据现势性优先、依条件筛选等不同应用场景需求的可视化表达能力。

Description

面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法

技术领域

本发明属于测绘地理信息技术领域，具体涉及面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法。

背景技术

倾斜三维模型是基于倾斜摄影技术，利用倾斜多角度采集的航空影像，通过影像密集匹配生成点云，然后基于高密度点云数据构建不规则三角网模型，最后进行纹理映射，实现各种三维表面形态重建。重建获取的成果数据三角网稠密、数据量庞大，导致了城市及以上级别大型场景数据在现有计算机环境下难以实现完整加载，因此在工程实践中均以多级瓦片集的方式生产和存储，通过按需加载的方式以支持场景可视化。由于多级瓦片集的设置规则较为灵活，在缺少统一约束的情况下，为模型数据的时序更新管理带来了较大不便。现阶段，面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集生产组织、处理和显示方法主要包括三类：

1、图层切换式全量替换。将不同时点行政区域全量覆盖的模型数据按图层独立组织，通过图层按需切换的方式更新场景可视化效果。这种方式适用于固定时间间隔获取的全量更新模型数据，以图层为基本更新单元，数据间耦合度极低，管理简便。但是该方式不适用于局部数据的更新，当图层间存在压盖关系时，现阶段在计算成本方面不具备采用类似二维影像或地形显示的方式进行局部覆盖处理的技术条件，会存在因模型重叠导致的闪面、冲突、加载缓慢等渲染异常问题。

2、基于地理边界的裁切拼接。对全量覆盖的模型数据按照街区、院落边界等进行空间裁切，形成更细粒度的基本数据单元，对于更新数据按照同样的边界进行裁切，通过对应数据单元替换的方式实现时序化的数据组织和表达。这种方式缓解了图层式管理对于局部更新存在的题，更新前后数据拼接边界平滑，适用于地理边界相对稳定前提下的有限时间范围数据更新，但是不能适用于地理边界的持续变迁和粒度变化，且随着更新数据的不断增多，裁剪模型不断碎片化，数据管理和渲染效率瓶颈显著。

3、逐瓦片重建组装的瓦片替换。对所有模型数据按照拟定的分幅结构进行全局重建，以重建后的瓦片为基本更新单元，在更新阶段根据瓦片的空间关系进行瓦片单元的整体或局部替换。该方式延续了传统影像或矢量数据投影变换、瓦片建模和局部更新的一般思路，在理论上具有良好的通用性。但是，重分幅阶段对每一幅瓦片进行的布尔计算和纹理重映射均属高耗时计算，且每次纹理重映射都会丢失原始纹理信息，不能适用于大范围新增数据的连续快速更新；直接按网格或瓦片几何边界对更新前后数据进行直接替换拼接，由于不同时期模型的天气、光照等存在差异，瓦片的在同一地理单元内部的简单网格化接边造成可视化效果跳跃感明显，表达效果不友好。

目前，倾斜摄影三维模型在国省尺度上的覆盖范围还较少，面积比例还较低，往往仅涉及一市或一县范围的有限次数覆盖，上述方式所存在的更新效率、显示效果问题等尚未凸显。随着实景三维中国建设工作的全面推进，现有技术将日益难以满足国省级别大范围三维场景的时序更新需求，亟需提出和落地可贯通倾斜摄影三维模型生产、组织和显示全流程的技术方法，在兼容既有技术路径的同时实现时序更新。

发明内容

本发明的目的在于针对上述大范围长时序倾斜摄影三维模型更新管理和可视化效果的存在的技术瓶颈，提供面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法，在数据生产阶段统一模型瓦片集的基本组织结构，确保不同区域的模型瓦片可以无缝拼接，不同时点的模型瓦片可以无缝替换；在数据处理阶段建立多期瓦片集间的时序关联关系，利用地理单元边界数据对瓦片集数据进行标记，在数据可视化阶段按需对具有标记信息的模型片段按照自然边界进行局部消隐和替换处理，实现时序化倾斜摄影三维模型数据的灵活管理和按需表达。

本发明具体的技术方案如下所示：

面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法，包括：

选用球面墨卡托投影作为分块的基础投影进行四叉树递归剖分，结合分块建模参数完成分块三维建模；

基于分块三维建模获取分块细节层次模型，利用R树索引建立空间索引，利用瓦片层级、行列属性建立网格索引，并结合模型批次的时间现势性信息建立时间索引，从而获取含时空索引的多期模型瓦片集；

采用与模型瓦片集一致的网格构建具备地理单元分类信息的二维矢量数据瓦片集，使相应层级的模型瓦片与矢量瓦片对应；遍历模型瓦片集中的所有模型文件，分别提取模型瓦片的平面包围盒集合、模型顶点平面投影与地理单元进行相交判断，根据空间包含关系对模型瓦片整体、模型顶点进行可见性标识信息标记及地理单元分类标识信息标记，并存储包含可见性标识信息标记、地理单元分类标识信息标记的模型瓦片集；

对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化。

作为一种优选的实施方式，分块三维建模时，选用四叉树网格递归剖分至第18级的瓦片边长作为标准网格边长。本发明定义全球统一的网格剖分规则，实现倾斜摄影三维模型生产的规范化组织。相对于图层切换式全量替换更新方式，细化和统一了更新单元粒度；相对于逐瓦片重建组装的模型更新方式，避免了重分幅阶段的高耗时计算和信息丢失的同时，在统一网格框架下唯一确定所有数据的时空对应关系，提高大范围新增数据的对应检索和快速更新时间效率。

作为一种优选的实施方式，分块三维建模时，选取处于数据管理区域几何中心附近的最大层级网格角点作为分块原点。

作为一种优选的实施方式，建立网格索引、时间索引时，利用键值型数据存储方式进行索引存储；以“层级/列/行”为键、以模型文件目录为值建立网格索引，以“层级/列/行/时点”为键、以模型文件目录为值建立时间索引。

作为一种优选的实施方式，所述根据空间包含关系对模型瓦片整体、模型顶点进行可见性标识信息标记及地理单元分类标识信息标记包括：

分别提取模型瓦片的平面包围盒集合、模型顶点平面投影与地理单元进行平面九交计算：

如果模型瓦片未被地理单元包含，则将模型瓦片的可见性标识信息标记整体标记为消隐，否则继续判断其顶点与地理单元的包含关系；

如果模型顶点未被地理单元包含，则将模型顶点的可见性标识信息标记整体标记为消隐，否则将模型顶点的可见性标识信息标记整体标记为可见，并对顶点标记相应的地理单元分类标识信息。本发明利用矢量图元形式的地理边界对倾斜摄影三维模型瓦片集进行逻辑分割和语义标记，实现网格单元与地理单元信息的统一管理和按需融合。相对于基于地理边界的裁切拼接更新，以网格为主索引的数据组织形式具有时空稳定性，能够适用于地理边界的持续变迁和粒度变化。

作为一种优选的实施方式，当地理单元矢量数据出现更新时，对更新范围覆盖的所有模型的可见性标识信息、地理单元分类标识信息进行重新标记。

作为一种优选的实施方式，所述包含可见性标识信息标记、地理单元分类标识信息标记的模型瓦片集存储的方式包括：

在glTF 数据格式的基础上拓展数据存储结构，实现对属性索引纹理及属性表的拓展存储，属性索引纹理与影像纹理的分辨率和UV坐标相同；

检索每个具备属性索引纹理标识的顶点所对应的UV坐标及拓扑关联；

提取UV坐标中闭合面，分别生成可见性索引纹理及其属性表、分类索引纹理及其属性表，逐纹理像素记录可见性标识信息和地理单元分类标识信息，写入模型文件。

作为一种优选的实施方式，所述对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化包括按时间条件动态筛选模型。对于如按需数据采集等时效要求高、效果要求低的应用需求，过滤待选瓦片现势性信息，获取符合指定时点条件的瓦片文件并加载到客户端直接渲染，此时可以最完整表达强现势性数据信息。

作为一种优选的实施方式，所述对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化包括根据平滑度或信息量优先进行场景渲染；

平滑度优先的场景渲染包括：根据可见性标识信息标记，按需渲染模型中属性索引纹理可见像素覆盖的顶点和纹理，其他顶点和纹理消隐；在可视化阶段利用GPU可编程渲染管线，对模型不同地理单元语义标记渲染效果进行适配，按自然边界显隐更新数据接边处模型，实现更新前后数据可视化表达效果过渡平滑。相对于逐瓦片重建组装的瓦片替换更新，能够缓解不同时期数据接边可视化效果的生硬感。

信息量优先的场景渲染包括：渲染模型中的所有顶点和纹理。

作为一种优选的实施方式，所述对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化还包括，在每一渲染帧对影像纹理与地理单元分类进行逻辑判断，仅在地理单元分类符合条件要求时渲染相同像素索引位置的影像纹理，以根据地理单元分类筛选渲染。GPU在渲染每一幅瓦片模型时，按需渲染具备指定地理单元分类标识的顶点和片元，此时可以灵活配置模型中不同地理单元分类标识的视觉表达效果。

本发明从倾斜摄影三维模型的生产、组织和显示全流程关键环节优化了倾斜摄影三维模型更新数据的表达效果和通用性，可为大范围实景三维建设成果的时序化管理提供技术支撑。具体来说，一是通过统一模型瓦片集文件时序化生产组织，从生产源头避免了“硬重建”，保证了所有模型数据文件结构和空间关系的统一，简化和规范了时序化数据文件的组织管理，有效避免了更新数据因结构迥异导致的“生产越多、管理越难、处理越慢”的问题。二是利用地理单元边界标记，通过“软标记”而非“硬切割”方式，既最大化保留了更新数据的完整内容，又记录了平滑边界支撑可视化效果优化，还避免了大量高耗时模型与纹理重建计算时间消耗，更适应了在地理边界变化情况下接边边界的同步更新问题。三是实现时序模型按需可视化，依托模型数据软标记信息和GPU可编程渲染管线，灵活具备了面向融合效果优先、数据现势性优先、依条件筛选等不同应用场景需求的可视化表达能力。

附图说明

图1是模型瓦片集时序化生产与组织方法流程图。

图2是选取的分块建模参数下建立的瓦片与现有二维地图瓦片对比图。

图3是地理单元边界标记方法流程图。

图4是时序模型按需可视化方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明的技术方案做进一步阐述。

实施例中的步骤对本申请改进的内容做了具体说明，其他内容如无特殊说明，均可采用现有常规技术实现。

本发明的瓦片集可视化方法针对性的提供了特定的瓦片集生产、组织及对应的可视化步骤，整体流程分为倾斜摄影三维模型瓦片集生产、组织和可视化三个阶段，即模型瓦片集时序化生产与组织过程、地理单元边界标记过程和时序模型按需可视化过程。

1、模型瓦片集时序化生产与组织过程：常规倾斜摄影三维模型生产流程包括倾斜影像采集、空中三角测量解算、分块三维建模等步骤，形成分块组织的细节层级模型。本方法针对对于数据结构规范化组织关系密切的分块建模环节，计算和约束多区域统一、多时相统一的标准格网边长和标准分块原点。然后，利用空间数据库对分块模型的平面空间位置、网格位置、时序信息进行统一索引，支撑快速检索。（图1）

其中的关键步骤包括：

1）分块建模标准参数计算。实施例选取可覆盖全球绝大多数地区的球面墨卡托投影作为分块的基础投影进行四叉树递归剖分。在分块建模参数方面，选取网格第18级网格（即全球球面墨卡托投影的四叉树网格递归剖分至第18级的瓦片）作为标准网格边长，该长度在球面墨卡托投影下为152.874米；现有倾斜摄影建模技术方法和硬件条件不能支撑过大尺寸高精度模型的分块建模，一般生产实践中分块不超过200米，否则会超出主流硬件水平导致计算失败，此外，按照该参数切片，可以与现有二维地图瓦片实现一一对应（如图2），有利于二三维数据的一体化管理。

选取处于数据管理区域几何中心附近的最大层级网格角点作为分块原点，使原点处于网格金字塔某一层级的顶点之上，在数据管理区域中心位置，从而保证模型分块与网格金字塔无偏移，且相对于坐标系原点有效减少因生产软件精度限制导致的各个方向累计误差。所述数据管理区域即倾斜三维模型经时序更新后可能覆盖的最大范围，如对于实景三维中国，数据管理区域就是中国全域。

2）空间索引构建。读取常规生产流程基于分块建模标准参数建模获取的分块细节层次模型，获取每个模型的二维包围盒信息，并构造在二维平面空间下的模型投影图元，然后基于R树索引对包围盒和投影图元建立空间索引。该步骤由于支撑后续与地理单元图斑的九交空间计算。

3）网格索引构建。读取常规生产流程基于分块建模标准参数建模获取的分块细节层次模型，按照各个分块模型在全球范围内的“层级/列/行”树形层次关系，重新命名和组织模型文件结构，并利用键值型数据存储技术，以“层级/列/行”为键、以模型文件目录为值，实现索引存储。该步骤用于支撑后续模型可视化阶段的快速数据读取。

4）时间序列索引构建。读取常规生产流程基于分块建模标准参数建模获取的分块细节层次模型，按照模型批次的时间现势性信息，利用键值型数据存储技术，以“层级/列/行/时点”为键、以模型文件目录为值，实现索引存储。该步骤用于支撑后续模型可视化阶段按时间条件筛选情况下的快速数据读取。

2、地理单元边界标记过程：利用记录了地理单元边界信息的二维矢量数据，在数据模型层面与三维模型数据实现融合处理，实现不同地理单元内部模型顶点的差异化信息标记，支撑可视化阶段的可编程渲染管线逐顶点和逐片元效果表现。（图3）

其中的关键步骤包括：

1）基于地理单元与瓦片包含关系的瓦片整体消隐标记。实施例首先采用与模型瓦片一致的基于球面墨卡托投影的全球递归剖分网格，构建地理单元矢量二维数据瓦片集，实现矢量瓦片与模型瓦片一一对应。然后，基于空间索引对模型瓦片的平面包围盒集合和地理单元图斑集合进行交集判断，提取被模型瓦片完全包含的地理单元，对于不被地理单元图斑集合包含的模型瓦片，整体标记为消隐（将可见性标识信息整体记录为“消隐”），否则进行局部消隐标记判断（步骤2））。

2）基于地理单元与模型顶点包含关系的瓦片局部消隐标记。在矢量瓦片与模型瓦片一一对应的基础上，处理被地理单元图斑集合包含的模型瓦片。提取模型投影图元中的顶点，判断地理单元图斑与顶点的九交模型包含关系。将地理单元图斑外的顶点标记为消隐，否则标记为可见。

3）基于地理单元与模型顶点包含关系的分类信息标记。在瓦片局部消隐标记基础上，对于地理单元图斑内的顶点，标记地理单元分类标识信息。

4）瓦片模型文件存储结构拓展与存储。实施例在glTF 2.0数据格式的基础上，首先拓展数据存储结构，实现对属性索引纹理（即通过纹理像素值存储属性索引而非颜色信息的纹理）及属性表的拓展存储，属性索引纹理与影像纹理的分辨率和UV坐标相同。然后检索每个具备属性索引纹理标识的顶点所对应的UV坐标及拓扑关联。最后提取UV坐标中闭合面，分别生成可见性索引纹理及其属性表、分类索引纹理及其属性表，逐纹理像素记录可见性和地理单元分类，写入模型文件。其中，两张属性表存储于二进制.bin文件，两张索引纹理以栅格图片形式存储，利用像素颜色通道存储片元在属性表中的索引序号，扩展描述信息以json格式化字符串方式存储于glTF索引文件extensions节点。

3、时序模型按需可视化过程：本实施例在面向大场景的多级瓦片集在线渲染常规策略基础上，提出时序筛选、按需表达的可视化方法，分为数据调度和模型渲染两个阶段，数据调度阶段用于读取所需渲染的指定位置指定时点模型文件，模型渲染阶段用于针对拓展后的模型文件数据结构对进行属性索引纹理的按需绘制。（图4）

其中的关键步骤包括：

1）模型按时间条件动态筛选：常规渲染策略仅对视锥体与模型空间包围盒进行相交判断。实施例在模型瓦片集时序化生产与组织方法的基础上，实现空间网格与时相模型瓦片的一对多映射，在完成包围盒相交判断后，按照时间条件筛选读取满足时间条件要求的模型瓦片。

2）平滑度优先的场景渲染：在读取并下载模型瓦片后，若显示策略配置为平滑度优先，则利用WebGL可编程渲染管线实现以下处理：对于每一个模型瓦片，首先读取glTF索引文件，解析扩展描述信息。然后按需渲染模型中属性索引纹理可见像素覆盖的顶点和纹理，在片元着色器脚本中将其他顶点和纹理的透明度渲染为1.0实现消隐，从而达到模型沿地理单元的平滑表达，消除网格硬边界过渡的效果。

3）信息量优先的场景渲染：在读取并下载模型瓦片后，若显示策略配置为信息量优先，则渲染模型中的所有顶点和纹理，完整表达具备最优现势性的模型数据。

地理单元分类筛选渲染：在平滑度优先或信息量优先的渲染基础上，若显示策略配置为按类型叠加渲染，则在每一渲染帧将影像纹理与地理单元分类进行逻辑判断，仅在地理单元分类符合条件要求时渲染相同像素索引位置的影像纹理。

Claims (9)

1.一种面向时序更新的倾斜摄影三维模型瓦片集可视化方法，其特征在于，包括：

选用球面墨卡托投影作为分块的基础投影进行四叉树递归剖分，结合分块建模参数完成分块三维建模；分块三维建模时，选用四叉树网格递归剖分至第18级的瓦片边长作为标准网格边长；

基于分块三维建模获取分块细节层次模型，利用R树索引建立空间索引，利用瓦片层级、行列属性建立网格索引，并结合模型批次的时间现势性信息建立时间索引，从而获取含时空索引的多期模型瓦片集；

采用与模型瓦片集一致的网格构建具备地理单元分类信息的二维矢量数据瓦片集，使相应层级的模型瓦片与矢量瓦片对应；遍历模型瓦片集中的所有模型文件，分别提取模型瓦片的平面包围盒集合、模型顶点平面投影与地理单元进行相交判断，根据空间包含关系对模型瓦片整体、模型顶点进行可见性标识信息标记及地理单元分类标识信息标记，并存储包含可见性标识信息标记、地理单元分类标识信息标记的模型瓦片集；

对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分块三维建模时，选取处于数据管理区域几何中心附近的最大层级网格角点作为分块原点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立网格索引、时间索引时，利用键值型数据存储方式进行索引存储；以“层级/列/行”为键、以模型文件目录为值建立网格索引，以“层级/列/行/时点”为键、以模型文件目录为值建立时间索引。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据空间包含关系对模型瓦片整体、模型顶点进行可见性标识信息标记及地理单元分类标识信息标记包括：

分别提取模型瓦片的平面包围盒集合、模型顶点平面投影与地理单元进行平面九交计算：

如果模型瓦片未被地理单元包含，则将模型瓦片的可见性标识信息标记整体标记为消隐，否则继续判断其顶点与地理单元的包含关系；

如果模型顶点未被地理单元包含，则将模型顶点的可见性标识信息标记整体标记为消隐，否则将模型顶点的可见性标识信息标记整体标记为可见，并对顶点标记相应的地理单元分类标识信息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当地理单元矢量数据出现更新时，对更新范围覆盖的所有模型的可见性标识信息、地理单元分类标识信息进行重新标记。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包含可见性标识信息标记、地理单元分类标识信息标记的模型瓦片集存储的方式包括：

在glTF 数据格式的基础上拓展数据存储结构，实现对属性索引纹理及属性表的拓展存储，属性索引纹理与影像纹理的分辨率和UV坐标相同；

检索每个具备属性索引纹理标识的顶点所对应的UV坐标及拓扑关联；

提取UV坐标中闭合面，分别生成可见性索引纹理及其属性表、分类索引纹理及其属性表，逐纹理像素记录可见性标识信息和地理单元分类标识信息，写入模型文件。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化包括按时间条件动态筛选模型。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化包括根据平滑度或信息量优先进行场景渲染；

平滑度优先的场景渲染包括：根据可见性标识信息标记，按需渲染模型中属性索引纹理可见像素覆盖的顶点和纹理，其他顶点和纹理消隐；

信息量优先的场景渲染包括：渲染模型中的所有顶点和纹理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对含时空索引和标记信息的模型瓦片集进行按需可视化还包括，在每一渲染帧对影像纹理与地理单元分类进行逻辑判断，仅在地理单元分类符合条件要求时渲染相同像素索引位置的影像纹理，以根据地理单元分类筛选渲染。