CN1664884A - 城区三维可视与可量测立体地形图制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地图测绘领域，具体是以摄影测量与遥感技术测绘各种比例尺地形图，特别是城区三维可视与可量测立体地形图制作方法。本发明通过如下步骤实现：(1)数据采集；(2)城市建筑物三维建模；(3)三维地图整饰；(4)等视角投影变换；(5)三维模型消隐处理；(6)三维模型渲染处理；(7)对生成立体效果图进行平面整饰；(8)成图输出。由于本发明所依据的地形图制作方法和原则基本不变，新的城区三维地形图也是传统地形图的自然发展与延伸；城区三维地形图立体可视，即凭视觉可观察城区景观和分辨建筑物的高低；城区建筑物的比高可量测，量测精度视成图比例尺而定。本发明适用于制作各种比例尺、各种视角的三维立体数字地形图。

Description

城区三维可视与可量测立体地形图制作方法

技术领域：

本发明涉及地图测绘领域，具体是以摄影测量与遥感技术测绘各种比例尺地形图，特别是城区三维可视与可量测立体地形图制作方法。

背景技术：

以摄影测量与遥感技术测绘各种比例尺地形图是一种有着近百年的传统技术方法，它在以等高线的方法表示自然景观的高低起伏方面已得到公认并延用至今。随着社会经济迅猛发展，城市建设急速扩大，传统的等高线方法难以表达建筑物的高度状况；另外以中心投影方法生成的城市景观图，虽然有立体视觉效果，但是建筑物的三维立体不具有量测性。所以社会经济进步迫切需要一种实用的立体可视和立体可量测的城区三维地形图，以满足建立数字城市的需要。

发明内容

本发明提供了一种城区三维可视与可量测立体地形图制作方法。

本发明的技术方案是：一种城区三维可视与可量测立体地形图制作方法，采用下述步骤：

(1)数据采集：通过矢量数字地图数据、DEM数据采集建筑物边框三维坐标，采集每座建筑物比高H；

(2)城市建筑物三维建模：根据上述采集的建筑物的边框和比高数据，以每座建筑物边框(A)为建筑物底面沿Z轴向上移动比高H，形成建筑物顶部的外轮廓线和顶面，连接相应点，形成侧面，建立了描述建筑物的体、面、线、点之间的关系的三维数据链；

(3)三维地图整饰：在图幅内方里网格网交点上按给定的视角α设立三维立体标尺和图廓三维数据链，图幅四角亦设立三维立体标尺并标注量测刻度三维数据链；

(4)等视角投影变换：对上述建筑物三维模型按照给定的视角α将建筑物轮廓线从空间投影到平面上，建立建筑物的三维空间顶点与二维平面图之间的映射关系，连接同名轮廓线拐点，形成既有立体感又可量测建筑物比高的视觉模型；

(5)三维模型消隐处理：①首先绘制所有建筑物模型的底面，②以所有建筑物的三维模型的侧面到视点的距离为依据，由远到近排序，分别绘制，③以所有建筑物模型的顶面比高为依据，由低到高排序，并按由低到高的次序分别绘制；

(6)三维模型渲染处理：根据城市三维模型和模拟光照，运用数学模拟的方法分别对模型中的每一个表面计算着色，生成城市三维模型图像；

(7)对生成立体效果图进行平面整饰：①将上述城市三维模型图像、地表矢量图层和正射影像图层叠加，②对图幅周边增加三维比例尺和立体效果示例；

(8)成图输出：按照不同要求，输出或存储上述成果图。

本发明采用传统地形图制作方法和原则基本不变，即新的城区三维地形图是传统地形图的自然发展与延伸；城区三维地形图立体可视，即凭视觉可观察城区景观和分辨建筑物的高低；城区建筑物的比高可量测，量测精度视成图比例尺而定，如比例尺为1∶1000时，量测精度优于±0.5米。本发明适用于制作各种比例尺(1∶50-1∶100000)、各种视角(0°-360°)的三维立体数字地形图。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为建筑物三维模型示意图。

图3为建筑物三维模型投影示意图。

图4为本发明立体效果图。

具体实施方式

本发明按照如下步骤实施：

1、数据采集

采集某城区矢量数字地图数据、DEM数据以及正射影像图数据，DEM数据间距10*10米，量测每座建筑物比高，量测精度要求至0.1米。建筑物比高数据采集方法可有以下三种：1)实地调绘与量测建筑物比高；2)立体摄影测量建筑物比高；3)激光雷达技术直接量测建筑物顶部的三维坐标。其中激光雷达技术自动化程度最高，精度最好，且作业效率最高。

2、建筑物三维建模

建筑物三维建模是根据：由矢量数字地图数据提供建筑物顶部在地图平面的投影X、Y和建筑物比高以及数字高程模型，在虚拟三维空间中进行的，根据上述采集的建筑物的边框和比高数据，如图2所示，以每座建筑物边框数据构成建筑物底面A，由面A沿Z轴向上移动比高h，形成建筑物顶部的外轮廓线和顶面，连接相应点，形成侧面，建立了描述建筑物的体、面、线、点之间的关系的三维数据链；以此方法可以建立图幅内的所有建筑物的三维模型。

3、立体标尺和图廓的整饰

参考现有地图标准，在三维环境下对已有三维模型，进行地图整饰，添加立体标尺和图廓。在图幅内方里网格网交点上按给定的视角α设立立体标尺，其顶部与底部以十字丝表示；图幅四角亦有立体标尺并有量测刻划，以便于建筑物高度的量测。至此，在图幅内的虚拟三维空间所有建筑物及立体标尺已经建立，并以相应的三维数据链表示。

4、等视角投影变换

根据建筑物轮廓线的平面位置与其对应的比高，在考虑到地表高程的条件下，按照给定的视角α将建筑物轮廓线从空间投影到平面上，如(1)式所示，连接同名轮廓线拐点，形成既有立体感又可量测建筑物比高的视觉模型。对已有的建筑物三维模型进行等视角投影，建立三维模型与平面图之间的映射关系，使得在平面图上的建筑物顶部的偏移量可以代表建筑物的高程。

如图3所示，面A是数据采集过程得到的建筑物边框，角α是相对于y轴正方向的视角，h是采集而得的建筑物比高，面B是面A投影变换后得到的。p′(m，n)是投影后得到的屋角的坐标，p(x，y)是x和y轴的交点，也是同p′(m，n)点相对应的屋角的地面上的点。

投影变换算法过程：

1)数据整理：

对采集而得的每个建筑物的模型判断每一个面的属性，区分开底面A、侧面、顶面B。

2)投影计算

对于面B的所有顶点p(x，y，z)投影变换到p′(m，n)。这里的z＝h(平顶房屋的比高)，对于不是平顶的房屋，屋顶各个顶点有不同的比高。

$\left\{\begin{array}{c}m=x+z\×\cos a\\ n=y+z\×\sin a\end{array}\right.---\left(1\right)$

3)三维模型重组

在原有三维点、线、面关系基础上，由投影变换过的p′(m，n，z)坐标替换原来的坐标p(x，y，z)。

5、消隐处理

根据观察者的方向，按照前挡后的原则进行消隐处理，但原始正射位置的建筑物轮廓线仍予以保留，稍作弱化处理。根据城市三维模型中的面与面相互位置关系和视点所处的位置，通过对建筑物顶面、侧面的压盖绘制来模拟现实世界中城市建筑的遮盖。具体处理过程如下：

1)首先绘制所有建筑物模型的底面A；

2)以所有建筑物的三维模型的侧面到视点的距离为依据，有远到近排序，分别绘制；

3)以所有建筑物模型的顶面B比高h为依据，由低到高排序，并按由低到高的次序分别绘制；

6、渲染处理

为了使建筑立体效果图立体感更好，根据城市三维模型和模拟光照，运用数学模拟的方法分别对建筑物模型中的每一个侧表面计算着色，产生更加逼真的效果，生成城市三维模型图像。

根据LAMBERT定律，落在物体表面上的光能是随着光线入射角余弦而变化的。

I＝r×P×cosδ

其中：δ为光线入射角，r为反射系数，

P为光源发光强度，I为落在表面上的光能.

表明物体表面的亮度是随着δ角(在0°到90°的范围内)的增加而减小的，如果δ角超过90°则对光源而言，该表面为隐藏面。

7、叠加正射影像

对生成立体效果图进行平面整饰，以立体图廓和正射影像进行配准，在地表叠加正射影像。

1)根据需要将立体效果图、地表矢量图层和正射影像图层叠加。

2)对图幅周边增加三维比例尺和立体效果示例。

8、成图输出

按照不同要求，输出和存储成果图。

Claims (4)

1、一种城区三维可视与可量测立体地形图制作方法，其特征在于：采用下述步骤：

(1)数据采集：通过矢量数字地图数据、DEM数据采集建筑物边框三维坐标，采集每座建筑物比高H；

(2)城市建筑物三维建模：根据上述采集的建筑物的边框和比高数据，以每座建筑物边框为建筑物底面沿Z轴向上移动比高H，形成建筑物顶部的外轮廓线和顶面，连接相应点，形成侧面，建立了描述建筑物的体、面、线、点之间的关系的三维数据链；

(3)三维地图整饰：在图幅内方里网格网交点上按给定的视角α设立三维立体标尺和图廓三维数据链，图幅四角亦设立三维立体标尺并标注量测刻度三维数据链；

(4)等视角投影变换：对上述建筑物三维模型按照给定的视角α将建筑物轮廓线从空间投影到平面上，建立建筑物的三维空间顶点与二维平面图之间的映射关系，连接同名轮廓线拐点，形成既有立体感又可量测建筑物比高的视觉模型；

(5)三维模型消隐处理：①首先绘制所有建筑物模型的底面，②以所有建筑物的三维模型的侧面到视点的距离为依据，由远到近排序，分别绘制，③以所有建筑物模型的顶面比高为依据，由低到高排序，并按由低到高的次序分别绘制；

(6)三维模型渲染处理：根据城市三维模型和模拟光照，运用数学模拟的方法分别对模型中的每一个表面计算着色，生成城市三维模型图像；

(7)对生成立体效果图进行平面整饰：①将上述城市三维模型图像、地表矢量图层和正射影像图层叠加，②对图幅周边增加三维比例尺和立体效果示例；

(8)成图输出：按照不同要求，输出或存储上述成果图。

2、如权利要求1所述的城区三维可视与可量测立体地形图制作方法，其特征在于：等视角投影变换算法过程如下：

①数据整理：

对采集而得的每个建筑物的模型判断每一个面的属性，区分开底面A、侧面、顶面B。

②投影计算

对于顶面B的所有顶点p(x，y，z)投影变换到p′(m，n)。这里的z＝h，对于不是平顶的房屋，屋顶各个顶点有不同的比高。

$\left\{\begin{array}{c}m=x+z\×\cos a\\ n=y+z\×\sin a\end{array}\right.---\left(1\right)$

底面A是数据采集过程得到的建筑物边框，角α是相对于y轴正方向的视角，h是采集而得的建筑物比高，面B是面A投影变换后得到的。p′(m，n)是投影后得到的屋角的坐标，p(x，y)是x和y轴的交点，也是同p′(m，n)点相对应的屋角的地面上的点。

③三维模型重组

在原有三维点、线、面关系基础上，由投影变换过的p′(m，n，z)坐标替换原来的坐标p(x，y，z)。

3、如权利要求1所述的城区三维可视与可量测立体地形图制作方法，其特征在于：三维模型每一个表面模拟光照计算公式：

I＝r×P×cosδ

其中：δ为入射角，r为反射系数，

       P为光源发光强度，I为落在表面上的光能。

4、如权利要求1所述的城区三维可视与可量测立体地形图制作方法，其特征在于：所述的视角α为0°～360°。

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