CN117237543B - 一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，包括步骤S1、前端Web加载三维地形和3DTiles三维模型；S2、计算Tiles瓦片包围盒信息；S3、获取Tiles瓦片中心点信息，计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度；S5、根据Tiles瓦片高度和三维地形高度计算最佳的偏移高度；S6、通过偏移高度调整3DTiles三维模型高度，实现3DTiles三维模型与三维地形融合匹配。本发明根据数据展示效果、数据应用以及加载效率的要求，对3DTiles三维数据和三维地形进行融合匹配，通过偏移高度调整3DTiles三维模型高度，实现3DTiles三维模型与三维地形融合匹配，计算量小，效率提高，大幅度减小三维模型与地形加载融合匹配后所产生的漂移、地形遮挡问题。
Description
技术领域
本发明涉及三维数据和三维地形数据融合技术领域，尤其涉及一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法。
背景技术
随着遥感和地理信息技术的发展，精细化的三维模型在各行各业得到了快速应用，尤其是实景三维、数字孪生、智慧城市等领域，三维模型和地形数据已经成为了三维场景构建的基础工作和重要内容。三维模型和地形数据都具有高程属性，并且三维模型生产方式不同、格式不同、尺度不同，不同原理、时间、尺度的三维模型数据与三维地形数据融合匹配过程中，三维模型和三维地形数据会存在高度差，加载时会在空间表达上会出现地形遮挡、漂移、真实感展现不足等问题。如何将多源异构模型与地形数据融合，实现模型表面与地形表面的准确契合是当前亟待解决的问题。
目前主要采用基于外部缓冲区和TIN 金字塔融合算法、基于缓冲区栅格插值的地形融合算法等技术实现三维模型和三维地形数据融合，但是当前技术存在以下缺陷：1）现有技术集中于三维数据与地形数据过渡缓冲区，实现两种三维数据的连续过渡，且该技术部分参数为经验值，不能很好的解决地形遮挡、漂移问题；2）目前3DTiles三维模型和地形数据融合算法依靠后端大量的计算资源，计算量大，效率低，影响数据加载展示效果。
经检索，未发现与本申请相同或相近的现有技术文献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，解决三维模型与三维地形融合匹配，计算量大，效率低，融合后易产生产生的漂移、地形遮挡的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，包括以下步骤：
S1、在前端Web加载三维地形和3DTiles三维模型；
S2、通过前端Web获取3DTiles三维模型中Tiles瓦片包围盒信息；
S3、根据Tiles瓦片包围盒信息获取Tiles瓦片中心点信息，通过Tiles瓦片中心点信息计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度；
S4、根据Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度计算最佳的3DTiles三维模型偏移
高度；
S5、通过偏移高度调整3DTiles三维模型高度，使3DTiles三维模型与三维地形
实现融合匹配。
进一步地：所述S2中通过前端Web获取3DTiles三维模型中Tiles瓦片包围盒信息包括以下步骤：
S21、监听视窗可见域并获取视角，判断3DTiles三维模型根节点包围盒是否进入视角范围内；
S22、对进入视角范围内的3DTiles三维模型根节点包围盒，判断当前视角根节点包围盒是否满足相机高度大于预设计算高度值；
S23、对满足相机高度大于预设计算高度值的根节点包围盒，判断监听视窗可见域根节点包围盒内的Tiles瓦片是否已加载完毕；
S24、对已经完成加载完毕的根节点包围盒，开始自顶向下遍历3DTiles三维模型，获取当前视窗可见域视角下的Tiles瓦片包围盒数据集。
进一步地：所述S3中根据Tiles瓦片包围盒信息获取Tiles瓦片中心点信息，通过Tiles瓦片中心点信息计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度包括以下步骤：
S31、循环遍历Tiles瓦片包围盒数据集，获取每个Tiles瓦片包围盒的几何信息；
S32、通过每个Tiles瓦片包围盒的几何信息获取每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息；
S33、根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片高度；
S34、根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片对应的三维地形高度。
进一步地：所述S33中根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息计算每个Tiles瓦片高度的步骤为：
S331、把每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息通过平移矩阵转换为经纬度坐标信息；
S332、根据每个Tiles瓦片中心点经纬度坐标信息，获取每个Tiles瓦片高度。
进一步地：所述S34中根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片对应的三维地形高度的经纬度格式坐标信息包括以下步骤：
S341、根据Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息获取对应的三维地形高度世界坐标信息；
S342、将三维地形高度世界坐标信息转换为三维地形高度弧度信息；
S343、将三维地形高度弧度信息转换为三维地形高度经纬度坐标信息；
S344、依据三维地形高度经纬度坐标信息获取到三维地形高度。
进一步地：所述S4中根据Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度计算最佳的
3DTiles三维模型偏移高度包括以下步骤：
S41、计算每个Tiles瓦片高度与对应的三维地形高度的平均差值：
；
其中，为Tiles瓦片高度，为Tiles瓦片对应的三维地形高度，为Tiles瓦片数；
S42、预设偏差高度值 ，去除>的Tiles瓦片；
S43、计算最佳的3DTiles三维模型偏移高度，
；
其中公式中为去除的Tiles瓦片数，为平均差值。
本发明的有益效果：
1、本发明在数据融合应用中，根据数据展示效果、数据应用以及加载效率的要求，
对不同原理、时间、尺度的3DTiles三维数据和三维地形进行融合匹配，通过偏移高度调
整3DTiles三维模型高度，实现3DTiles三维模型与三维地形融合匹配，计算量小，效率提
高，大幅度减小三维模型与地形加载融合匹配后所产生的漂移、地形遮挡问题。
2、本发明通过监听视窗可见域并获取视角，只对进入视角范围内的3DTiles三维模型进行渲染计算，降低对服务器资源的占用，只对三维模型的Tiles瓦片中心点进行提取计算，复杂度低，计算量小，效率提高，大幅度减小三维模型与地形加载融合匹配后所产生的漂移、地形遮挡问题。
3、本发明通过计算所有Tiles瓦片高度与三维地形高度的平均差值，去除三维地
形高度与Tiles瓦片高度数据偏差较大的Tiles瓦片，通过最优解数值计算法求出最佳偏移
高度，使地形高度与三维模型离地高度差最小，进一步提高了3DTiles三维模型融合匹配
三维地形的精确。
附图说明
图1为本发明一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法的流程示意图；
图2为本发明3DTiles三维模型的Tiles瓦片结构示意图；
图3为现有三维模型与三维地形融合效果图；
图4为采用本发明方法后三维模型与三维地形融合效果图。
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表示，其中自始至终相同或类似的符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，而不能理解对本发明的限制。
如图1-图4所示，本发明公开一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，包括以下步骤：
S1、在前端Web加载三维地形和3DTiles三维模型；
S2、通过前端Web获取3DTiles三维模型中Tiles瓦片包围盒信息；
S3、根据Tiles瓦片包围盒信息获取Tiles瓦片中心点信息，通过Tiles瓦片中心点信息计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度；
S4、根据Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度计算最佳的3DTiles三维模型偏移
高度；
S5、通过偏移高度调整3DTiles三维模型高度，使3DTiles三维模型与三维地形
实现融合匹配。
服务端发布3DTiles格式的三维模型数据以及.terrain格式三维地形数据；前端Web通过Rest服务接口获取3DTiles三维模型和三维地形数据；前端Web的三维框架创建三维地图并加载3DTiles三维模型和三维地形数据。
3DTiles三维模型是一种多源异构的三维数据，可以是独立存在于硬盘中的文件目录中，3DTiles三维模型文件记录各级Tiles瓦片的逻辑关系，以及Tiles瓦片的包围盒信息，包围盒信息主要包括指三维模型的几何信息，逻辑关系是指各级Tiles瓦片是如何在空间中保持连续的，如何组织的。
通过前端Web计算3DTiles三维模型Tiles瓦片包围盒信息，主要包括以下步骤：
S21、监听视窗可见域并获取视角，判断3DTiles三维模型根节点包围盒是否进入视角范围内；
S22、对进入视角范围内的3DTiles三维模型根节点包围盒，判断当前视角根节点包围盒是否满足相机高度大于预设计算高度值；
S23、对满足相机高度大于预设计算高度值的根节点包围盒，判断监听视窗可见域根节点包围盒内的Tiles瓦片是否已加载完毕；
S24、对已经完成加载完毕的根节点包围盒，开始自顶向下遍历3DTiles三维模型，获取当前视窗可见域视角下的Tiles瓦片包围盒数据集。
监听视窗可见域（viewer.camera）并获取视角，根据3DTiles根节点包围盒的几何信息（boundingVolume），判断3DTiles根节点是否进入视角范围内，如果判断3DTiles根节点已经进入视角范围内，判断当前视角根节点包围盒是否满足相机高度（camera.height）大于预设计算高度值（cameraAltVal）；对满足相机高度（camera.height）大于预设计算高度值（cameraAltVal）的根节点包围盒，通过瓦片初始化加载完成方法（Cesium3DTileset.initialTilesLoaded）监听视窗可见域（viewer.camera）根节点包围盒内的Tiles瓦片是否已加载完毕，对已经完成加载完毕的根节点包围盒，如图2所示，开始自顶向下遍历3DTiles三维模型，获取当前视窗可见域视角下的Tiles瓦片包围盒数据集。
根据Tiles瓦片包围盒信息获取Tiles瓦片中心点信息，通过Tiles瓦片中心点信息计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度包括以下步骤：
S31、循环遍历Tiles瓦片包围盒数据集，获取每个Tiles瓦片包围盒的几何信息；
S32、通过每个Tiles瓦片包围盒的几何信息获取每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息；
S33、根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片高度；
S34、根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片对应的三维地形高度。
循环遍历Tiles瓦片包围盒数据集，根据获取的每个Tiles瓦片的几何信息（boundingVolume），通过Tiles瓦片中心计算模块(boundingSphere.center)获取每个Tiles瓦片的中心点位置局部坐标信息，
根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息计算每个Tiles瓦片高度的步骤为：
S331、将每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息通过平移矩阵转换为经纬度坐标信息；
S332、根据每个Tiles瓦片中心点经纬度坐标信息，获取每个Tiles瓦片高度。
平移矩阵转换过程可以为：
；
其中，（x，y，z）为每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，（x’，y’，z’）为每个Tiles瓦片中心点对应的经纬度坐标信息。
根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算Tiles瓦片对应的三维地形高度的经纬度格式坐标信息包括以下步骤：
S341、根据Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息获取对应的三维地形高度世界坐标信息；
S342、将三维地形高度世界坐标信息转换为三维地形高度弧度信息；
S343、将三维地形高度弧度信息转换为三维地形高度经纬度坐标信息；
S344、依据三维地形高度经纬度坐标信息获取到三维地形高度。
每个tiles中心点位置局部坐标信息可以先通过地形高度查询程序（sampleTerrainMostDetailed）获取对应三维地形位置信息，然后通过世界坐标转换为弧度程序（cartesianToCartographic）将世界坐标转换为弧度，再通过弧度转换为经纬度程序（toDegrees）将弧度转换为经纬度，通过三维地形经纬度获取到三维地形高度信息。
根据Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度计算最佳的3DTiles三维模型偏移高
度包括以下步骤：
S41、计算每个Tiles瓦片高度与对应的三维地形高度的平均差值：
；
其中，为Tiles瓦片高度，为Tiles瓦片对应的三维地形高度，为Tiles瓦片数；
S42、预设偏差高度值 ，去除>的Tiles瓦片；
S43、计算最佳的3DTiles三维模型偏移高度，
；
其中公式中为去除的Tiles瓦片数，为平均差值。
通过Tiles瓦片中心点信息获取Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度，去除与三
维地形高度相对应的Tiles三维模型高度数据偏差较大的点；然后通过最优解数值计算法
求出最佳偏移高度使三维地形高度与Tiles三维模型离地高度差最小；调整Tiles三维模
型中心Z轴坐标偏移高度；从而使前端Web三维框架渲染加载的Tiles三维模型高度融合
匹配三维地形。
如图3和图4所示，图3为现有三维模型与三维地形融合效果图，可以看到选框区域的三维模型处于悬浮状态，三维模型与三维地形没有实现很好的融合匹配；图4为采用本发明方法后三维模型与三维地形融合效果图，可以看到选框区域的三维模型得到了很好的调整，三维模型与三维地形实现了较好的融合匹配。
本发明通过加载使用统一标准的多源异构3DTiles格式的三维数据，在前端Web页
面上进行三维模型和三维地形的创建和加载，通过前端Web计算3DTiles包围盒获取并获取
Tiles瓦片中心点，通过Tiles瓦片中心点信息计算提取对应三维地形边界高度，在通过算
法计算最佳3DTiles三维模型偏移高度，最后通过偏移高度调整三维模型高度，使三
维模型与地形融合匹配最佳。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、 “固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或 “下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征 “之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
Claims (4)
1.一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在前端Web加载三维地形和3DTiles三维模型；
S2、通过前端Web获取3DTiles三维模型中Tiles瓦片包围盒信息；
S3、根据Tiles瓦片包围盒信息获取Tiles瓦片中心点信息，通过Tiles瓦片中心点信息计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度；
S4、根据Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度计算最佳的3DTiles三维模型偏移高度M；
S5、通过偏移高度M调整3DTiles三维模型高度，使3DTiles三维模型与三维地形实现融合匹配；
所述S2中通过前端Web获取3DTiles三维模型中Tiles瓦片包围盒信息包括以下步骤：
S21、监听视窗可见域并获取视角，判断3DTiles三维模型根节点包围盒是否进入视角范围内；
S22、对进入视角范围内的3DTiles三维模型根节点包围盒，判断当前视角根节点包围盒是否满足相机高度大于预设计算高度值；
S23、对满足相机高度大于预设计算高度值的根节点包围盒，判断监听视窗可见域根节点包围盒内的Tiles瓦片是否已加载完毕；
S24、对已经完成加载完毕的根节点包围盒，开始自顶向下遍历3DTiles三维模型，获取当前视窗可见域视角下的Tiles瓦片包围盒数据集；
所述S4中根据Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度计算最佳的3DTiles三维模型偏移高度M包括以下步骤：
S41、计算每个Tiles瓦片高度与对应的三维地形高度的平均差值S：
；
其中，X为Tiles瓦片高度，为Tiles瓦片对应的三维地形高度，n为Tiles瓦片数；
S42、预设偏差高度值 ，去除/>的Tiles瓦片；
S43、计算最佳的3DTiles三维模型偏移高度M。
2.根据权利要求1所述的一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，其特征在于：所述S3中根据Tiles瓦片包围盒信息获取Tiles瓦片中心点信息，通过Tiles瓦片中心点信息计算Tiles瓦片高度和对应的三维地形高度包括以下步骤：
S31、循环遍历Tiles瓦片包围盒数据集，获取每个Tiles瓦片包围盒的几何信息；
S32、通过每个Tiles瓦片包围盒的几何信息获取每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息；
S33、根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片高度；
S34、根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片对应的三维地形高度。
3.根据权利要求2所述的一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，其特征在于：所述S33中根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息计算每个Tiles瓦片高度的步骤为：
S331、把每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息通过平移矩阵转换为经纬度坐标信息；
S332、根据每个Tiles瓦片中心点经纬度坐标信息，获取每个Tiles瓦片高度。
4.根据权利要求2所述的一种前端Web多源异构三维模型与三维地形融合方法，其特征在于：所述S34中根据每个Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息，计算每个Tiles瓦片对应的三维地形高度的经纬度格式坐标信息包括以下步骤：
S341、根据Tiles瓦片中心点位置局部坐标信息获取对应的三维地形高度世界坐标信息；
S342、将三维地形高度世界坐标信息转换为三维地形高度弧度信息；
S343、将三维地形高度弧度信息转换为三维地形高度经纬度坐标信息；
S344、依据三维地形高度经纬度坐标信息获取到三维地形高度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Hu Lizhi Inventor after: Yin Shixiang Inventor after: Yang Yan Inventor after: Wang Xuzhu Inventor after: Wang Tengfei Inventor after: Wang Lisheng Inventor before: Yin Shixiang Inventor before: Yang Yan Inventor before: Wang Xuzhu Inventor before: Hu Lizhi Inventor before: Wang Tengfei Inventor before: Wang Lisheng |