TW200935353A - Geospatial modeling system and related method using multiple sources of geographic information - Google Patents

Description

200935353 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於地形模型化之領域，且更特定言之，係關 於地理空間模型化系統及其相關方法。 【先前技術】 地理區域之地形模型可被用於許多應用中。例如，地形 模型可被用於飛行模擬器及用於編制軍事任務。此外舉 例而言’人造建築物（如，城市）之地形模型可有助於如蜂 ® 巢式天線佈置、城市規劃、災害防備與分析，及製圖之應 用。 地形模型之各種類型目前正在被運用。—常見的地形模

型係數位高程模型（DEM)或數位表面模型（DSM卜一 dem 係一地理區域之採樣矩陣表示，其可藉由一電腦以一自動 方式產S。在-DEM中，座標點被設為與一高度或高程值 相一致。一影像塊化三角不規則網路（⑴ed trianguuted irregular· network; T-TIN)係地理空間模型之另一類型。如 熟習本技術者應所瞭解，三角不規則網路可包含一獲自不 規則間隔樣點及斷線特徵之表面表示。該丁_丁1?^資料集包 含點與其相鄰三角形之間的拓撲關聯。每一樣點具有一 x’y座標及-表面’或2值。這些點係藉由邊緣連接以形成 -組非重疊的三角形用於代表該表面。Tin也可被稱作不 規則二角網或不規則三角表面模型。 習知的腿通常用於模型化地形，其中從一點到另一點 不同高程（如，山谷、 山脈等）之間的過渡通常係平穩的。 135265.doc 200935353 即’ DEM目前通常以0-30米間隔對地形進行模型化及形成 複數個曲面且其間的任一間斷因此被「抹平」消除。因 此’在一典型的DEM中，明顯目標不會呈現在地形上。 一特別有利的3D定址模型化產品係來自本受讓人哈裏斯 公司（Harris Corp)的 RealSite®。RealSite®可被用於記錄一 重要地理區域之重疊影像’及藉由立體垂直俯視圖技術提 取高解析度的DEM。RealSite®提供一半自動程序用於製 瘳 造包含具有精確紋理和結構邊界的城市之地理區域之三維 立體（3D)地形模型。此外’ Reaisite®模型係地理空間精確 的。即，在模型中的任一給定點的位置高度精確地對應於 該地理區域中的一實際位置。用於產生RealSite⑧模型的資 料可包含如航空衛星攝影、光電、紅外，及光探測與測距 (LIDAR)。 另一用於產生3D定址模型之有利方法係闡明於Rahnies 等人的美國專利第6,654,690號中，其也被讓與給本受讓人 φ 且全文以引用的方式併入本文中。該專利揭示一自動化方 法用於製造一包含地形及其上建築物之區域之地形模型， 其係依據高程對位置的隨機間隔資料。該方法包含依照預 疋位置格柵處理該隨機間隔資料以產生高程對位置之格柵 ，貝料，處理該格柵資料以區分建築物資料與地形資料，及 對建築物資料進行多邊提取以製造包含地形及其上建築物 之區域之地形模型。 產生如DEM的地理空間模型的一個潛在挑戰態樣係高解 析度（亦即，資料點或標諸間隔^1 m)正在成為地形表示的 135265.doc 200935353 標準及如創造3D城市模型（如，虛擬地球）、應急規劃成果 (如洪水面研九）、戰爭損失評估及/或城市規劃成果 (如天際線預估）之過程的一個重要部分。隨著高解析度 dem(hrdem)的資料點的密集度增加，為該等模型而產生 . 料量也增加。在-些應用中，即使是對最強大的地理 空間資料處理電腦來說，這些模型的尺寸仍極度繁重。 一整合式方法利用如來自多個來源的可得資料可有助於 Φ 創造DEM或DSM。例如，該方法應能夠運用多個重叠的與 #重疊的立體影像對’其包含來自例如該等影像及/或區 域相關資料，以及涉及公路及/或水體邊界等已知地面真 實資訊之邊緣資料，及影像分段資料。該方法較佳為應能 夠運用相對較小的相關補綴（patch)，如，3X3補綴。 參照不意圖之圖1，當前的方法可包含將補綴P從左右影 像100、102中提取出，使補綴相關以形成一相關表面1〇4 補綴以及尋找其最高點。對最高點的位置進行分析以計算 〇 該兩程標誌的高度與位置，且該過程對一最初標誌格栅上 的多個點可進行重複。該DEM被產生且之後藉由特用（ad_ hoc)技術被修正以合併額外資料。然而，每一個標誌高度 八可藉由區域資料計算而得，該方法通常只可應用於一單 一立體影像對，且運用特用技術結合dem(複合dEm)及額 外真實資料（如，公路、湖泊等）可導致複雜易錯的結果。 此外’該等大的相關補綴（如’ 16x16)可混淆該DEM的詳 細資料與限定解析度’且高程可能產生在非理想標誌位置 且通常被内插以便在該等理想位置得到高度。 135265.doc 200935353 【發明内容】 鑒於前述背景’因此本發明之一目標係為一整合式方法 提供一利用來自多個來源的可得資料來創造一地理空間模 型之系統及相關方法。 藉由一種地理空間模型化系統提供此及其他目標、特徵 與優點，該地理空間模型化系統包含至少一個地理空間資 訊-貝料庫以儲存立體地理影像資料與地理特徵資料。一處 理器與至少一個地理空間資訊資料庫合作以依據立體地理 影像資料之影像匹配運算元產生定義三維立體（3D)成本立 方體之成本係數，依據該地理特徵資料來調整該3D成本立 方體之成本係數以產生一經調整的3D成本立方體，對該經 調整的成本立方體進行求解及依據該經調整的3〇成本立方 體來產生一地理空間模型。 該處理器可產生定義該3D成本立方體之該等成本係數， 纟係藉由至少修正該立體地理影像資料，及從該經修正的 ❹ A體地理影像資料提取相同尺寸的影像補綴。該處理器可 產生定義該3D成本立方體之該等成本係數，其係藉由組合 對於配對的相同尺寸之影像補綴的個別成本係數，及在該 A本立方體巾的x、y、z位置的範圍内重複決定該等成本 該地理特徵資料可與具有一已知地理空間定位的至少一 個已知地理特徵相關聯。該至少—個已知的地理特徵可包 括一已知自然與已知人造特徵中的至少一者。 °亥處理器可與至少一個地理空間資訊 資料庫合作以透過 135265.doc 200935353 該經調整的3D成本立方體尋找一理想成本表面，如一最佳 或最低成本表面《該立體地理影像資料可包括高解析度影 像資料及與之關聯的影像分段資料^ 一顯示器也可被操作 性地連接至该處理器。舉例而言，該處理器可將該地理空 間模型產生為一影像塊化三角不規則網路（Τ_ΤΙΝ)地理空間 模型或一高度值的光栅網格。 一種方法態樣主要係一種地理空間模型化方法，其包含 儲存立體地理影|資料與地理特徵資#，及處理該所儲存 的立體地理影像資料與地理特徵資料以依據該立體地理影 像資料產生定義三維立體（3D)成本立方體之成本係數，依 據該地理特徵資料來調整該3叹本立方體之成本係數以產 生一經調整的3D成本立方體，及依據該經調整的3d成本 立方體來產生一地理空間模型。 φ ^理該所儲存的立體地理影像資料與地理特徵資料以產 生一定義-3D成本立方體之成本係數可包含：修正該立體 地理影像資料’及從該經修正的立體地理影像資料中提取 相同尺寸的影像補綴。處理該所儲存的立體地理影像資料 =理特徵資料以產生定義—3D成本立方體之成本係數可 對相同尺寸的影像補綴對執行影像匹配運算元以計 异相同尺寸的影像補綴的成本係數，及在該成本立方财 =”、2三維像素位置的範圍内重複決㈣等成本係 理特徵資料可包括儲存與至少一個具有一已知地 k位之已知地理特徵(例如-已知自然或已知人造 135265.doc -10. 200935353 特徵）相關聯的地理特徵資料。處理該所儲存的立體地理 影像資料與地理特徵資料可包含透過該經調整的3D成本立 方體尋找理想的最小成本表面以產生該地理空間模型。 儲存該立體地理影像資料也可包括儲存高解析度影像資料 及與之相關的影像分段資料。 本發明之另一態樣主要係一電腦可讀媒體，其包括程式 才3 ·?用於.獲取立體地理影像資料與地理特徵資料；及處 0 $該所獲取的立體地理影像資料與地理特徵資料以依據該 立體地理影I資料產生定義三維立體(3D)成本立方體之成 本係數，依據該地理特徵資料來調整該31)成本立方體之成 本係數以產生一經調整的3D成本立方體，及依據該經調整 的3D成本立方體來產生一地理空間模型。 本發明之該方法可運用多個重疊的與非重疊的立體影像 對，其包含來自例如該等影像及/或區域相關資料以及涉 2公路及/或水體邊界等的地面真實資訊之邊緣資料，及 ❹ 影像分段資料。該方法也可運用相對較小的相關補綴， 如，3X3補綴。該地理空間模型（例如，dem)之解析度， 可藉由運用較小相關補綴的能力而被改良，且可藉由每一 -標誌的多個立體對的運用從而獲取潛在的更高精確度。 【實施方式】 參考附圖，現在將在下文中更充分地描述本發明，其中 .4不本發明之更佳的實施例。然而，本發明可以許多不同 的形式被實施，且不應被解釋為局限於本文所閣明之實施 例。更確切地，這些實施例被提供使得這—揭示係徹底的 135265.doc 200935353 及完全的’且將對熟習本技術者充分傳達本發明之範圍。 全文中相同的數字指代相同的元件。 首先參照圖2與3，一地理空間模型化系統20將被描述。 該地理空間模型化系統可包含至少一個地理空間資訊資料 庫21以儲存立體地理影像資料與地理特徵資料。如熟習本 技術者將所瞭解’該地理空間資訊，亦即，該立體地理影 像資料與地理特徵資料，也可被儲存於多個資料庫。該立 體地理影像資料更佳地係相同位置的兩個或兩個以上影像 10、11、12(例如，如圖3中所闡釋）。舉例說明，該立體地 理影像資料可利用諸如立體光學成像、光探測及測距 (LIDAR)、干涉測量合成孔徑雷達（IFSAR)等各種技術被捕 獲，如熟習本技術者將所瞭解。 該地理特徵資料可與至少一個已知地理特徵相關聯，該 已知地理特徵具有一已知地理定位，如’一水體邊界。該 至少一個已知地理特徵可包括一已知自然（如，一湖泊）與 已知人造（如’公路）特徵中的至少一個。 一處理器22可與至少一個地理空間資訊資料庫21合作以 依據該立體地理影像資料產生定義三維立體（3D)成本立方 體之成本係數。該3〇成本立方體係要素例如三維像素之一 量，在每一三維像素都有一成本係數。該處理器22可依據 該地理特徵資料來調整該3D相關立方體之成本係數以產生 一經調整的3D成本立方體。該處理器22可依據該經調整的 3D成本立方體來產生一地理空間模型（如，圖6中所顯示之 一 DEM)。 135265.doc •12· 200935353 舉例說明’該處理器22可為一如pc、Mac、或其他古十算 工作站之中央處理器（CPU)。在所闡釋實施例中，一顯示 器23也被操作性地耦合至該處理器22以顯示地理空間模型 化資料，如將在下文中被進一步描述。

如圖3中示意性地閣釋，藉由在一位於該成本立方體（：(： 中的一點（x，y，z)之修正表面RS上修正該立體地理影像資 料，該處理器22可產生該成本立方體cc。該調整表面rs 可具有任一定向，其對於優化該成本計算為必需。相同尺 寸的影像補綴P被提取自位於X、y、z的該經調整的立體地 理影像資料。一影像匹配運算被應用於所有相同尺寸的補 綴對以獲取成本係數且來自所有對的該等係數被組合成一 單一值，該值被指派給位於X、y、z的該成本立方體三維 像素。該過程對該成本立方體内的所有三維像素進行重 複。該成本立方體X、y與z尺寸可為測量得到的緯度、經 度與高度的座標或北距、東距與高度的UTM座標或任一其 他實體地面座標的表示。 該處理器22可與該地理空間資訊資料庫21合作以透過該 經調整的3D成本立方體尋找一理想成本表面，如一最佳或 最低成本表面。該理想成本表面可以一用於每一三維像素 及相鄰三維像素之成本函數表示，例如，強相關性=低成 本及弱相關性=高成本。 該立體地理影像資料可包括高解析度影像資料及與之相 關的影像分段資料。該處理器22可將該地理空間模型產生 為一影像塊化三角不規則網路（T_TIN)地理空間模型。如熟 135265.doc •13· 200935353 s本技術者將所瞭解，三角不規則網路可包含—獲自不規 則間隔樣點及斷線特徵之表面表示。該t tin資料集包含 點與其相鄰三角形之間的拓撲關係。每一個樣點具有一 X' y座標與__表面’或2值。這些點係藉由邊緣連接以形 & 一用於表示該表面之非重叠三角形集合。Tin也被稱作 不規則三角網或不規則三角表面模型。 该處理器22也可將該地理空間模型或DEM產生為有規律 地間隔開且每一點都具有一高度值之格栅點。例如，一典 型的格柵可在50與500米之間。 因此，該系統20可利用多個重疊與非重疊的立體影像 對，其包含來自例如該等影像及/或區域相關資料以及涉 及A路及/或水體邊界專的已知地面真實資訊之邊緣資 料，及影像分段資料以產生該成本立方體。該方法也可對 相關性運用相對較小的影像補綴，如，3χ3補綴。 一種方法態樣將參照圖4與5被論述且主要係一種地理空 ❿ 間模型化方法。該方法開始（方塊30)及包含於方塊32，儲 存立體地理影像資料與地理特徵資料。處理該所儲存的立 體地理影像資料與地理特徵資料包+:依據該立體地理影 像-貝料產生疋義二維立體（3D)成本立方體之成本係數（方 塊34)，依據該地理特徵資料來調整該3〇相關立方體之成 本係數以產生一經調整的3D成本立方體（方塊36)，及在於 方塊42的結束之前，依據該經調整的3D相關立方體來產生 一地理空間模型（例如，如圖6中所顯示）（方塊4〇)。處理該 所儲存的立體地理影像資料與地理特徵資料也可包含，於 135265.doc -14- 200935353 方塊38’透過該經調整的3D成本立方體尋找一理想成本表 面以產生該地理空間模型，如以上所論述。 更具體參照圖5之流程圖’處理該所儲存的立體地理影 像資料與地理特徵資料以產生定義該3D成本立方體之該等 成本係數可開始於方塊50。該過程可包含在該成本立方體 内挑選一三維像素位置（x，y，z)及在該點定義一修正表面 (52)，且在該修正表面rs上調整該立體地理影像資料 (54)。此外，其可包含自該經修正的立體地理影像資料提 取相同尺寸的影像補綴（56)，及計算對於部分或所有配對 的相同尺寸之影像補綴的成本係數（58)。該等成本係數可 依據任一影像匹配運算元，如相關性、影像漸層、最大 熵、像素差異等，或任一此等運算元之組合。所有配對的 相同尺寸之影像補綴的成本係數可被組合成一單一值該 值可被指旅給該三維像素位置（6〇)。該過程對該成本立方 體内的每一三維像素進行重複（62)β此過程於方塊64結 束。 種電腦可讀媒體可包含程式指令用以執行上述方法。 例如，邊等程式指令可控制一處理器22或電腦以獲取及/ 或儲存立體地理影像資料與地理特徵資才斗，及處理該所獲 取的立體地理影像資料與地理特徵資料以依據該 立體地理 Κ象資料產生定義三維立體(3D)成本立方體之成本係數， 依據該地理特徵資料來調整該扣成本立方體之成本係數以 產生經調整的3D成本立方體，及依據該經調整的3D成 本立方體來產生一地理空間模型。再者，該理空間模型可 135265.d〇( -15· 200935353 被顯示於一顯示器，如，顯示器23。 本文所描述之該系統及相關方法可將所有可得資料合併 入一自然問題空間（亦即，該成本立方體）。該理想或最終 表面代表一整體法以對該成本立方體進行求解以得一最低 成本表面。該地理空間模型例如DEM之解析度，可藉由運 用較小相關補綴的能力而被改良，且可藉由每一標誌的多 個立體對的運用從而獲取潛在的更高精確度。用以組合多 個資料源的特用方法可被避免《此外，該方法包含運用如 水體邊界、影像分段資料、與影像中邊緣的位置等資訊的 額外來源的能力。 s玄方法可為現有的影像來源提供更快DEM產生，及更高 解析度DEM，如從3米到0.1米的標誌間距，及/或對每影像 像素計算一標誌的潛力。由於在一單一標誌的多個立體影 像對的運用可提供在一或多個該等立體對中為模糊不清的 區域仍能被獲取的高程資料，因此更精確的DEM可被產生 用於域市區域。 【圖式簡單說明】 圖1係一示意圖，其閣釋一依照先前技術之用於產生一 數位高程模型（DEM)之習知方法。 圖2係一示意圖，其闡釋一依照本發明之運用來自多個 來源的地理資料的地理空間模型化系統。 圖3係一示意圖，其闡釋—依照本發明之用於產生一地 理空間模型之方法。 圖4係一流程圖，其闡釋—依照本發明之用於產生一地 135265.doc -16- 200935353 理空間模型之方法之各個步驟。 圖5係一流程圖，其闡釋在圖4之方法中產生一3D成本立 方體之進一步步驟。 圖6係一依照本發明之方法而產生的地理空間模型之顯 示影像。 【主要元件符號說明】 10 11 12 20 21 22 23 ❹ 影像 影像 影像 地理空間模型化系統 地理空間資訊資料庫 處理器 顯示器

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Claims (1)

1. 200935353 十、申請專利範圍： 1. 一種地理空間模型化系統，其包括： 至少一個地理空間資訊資料庫，用以儲存立體地理影 像資料與地理特徵資料；及 一處理器’其與該至少一個地理空間資訊資料庫合作 用以 依據該立體地理影像資料產生定義一個三維立體 (3D)成本立方體之成本係數， 依據該地理特徵資料來調整該3D成本立方體之該 等成本係數以產生一經調整的3D成本立方體，及 依據該經調整的3D成本立方體來產生一地理空間 模型<* 2·如叫求項1之地理空間模型化系統，其中該處理器藉由 執行至少以下步驟而產生定義該3D成本立方體之該等成 本係數： 修正該立體地理影像資料；及 同尺寸的影 從該經修正的立體地理影像資料中提取相 像補綴。 3.如請求項1之地理空間模型化系銥，甘士#上 惕玉化系統’其中該處理器藉由 執行至少以下步驟而產生宏羞 本係數. ㈣扣成本立方體之該等成 像補綴的成本係數；及 y、z三維像素位置的範 圍 組合對於配對的相同尺寸之影 對於在該成本立方體尹的x、 内重複決定該等成本係數。 135265.doc 200935353 4. 如請求们之地理空間模型化系統，其中該地理特徵資 料係與具有-已知地理空間定位的至少一個已知地理特 徵相關聯。 5. 如請求们之地理空間模型化系統，其中該處理器與該 至少一個地理空間資訊資料庫合作以透過該經調整的3D 成本立方體尋找一理想成本表面。 6· 一種地理空間模型化方法，其包括： φ 儲存立體地理影像資料與地理特徵資料； 處理該所儲存的立體地理影像資料與地理特徵資料以 依據該立體地理影像資料產生定義一個三維立體 (3D)成本立方體之成本係數， 依據該地理特徵資料來調整該3D成本立方體之該等 成本係數以產生一經調整的3D成本立方體，及 依據該經調整的3D成本立方體來產生一地理空間模 型；及 瘳 在—顯示器上顯示該地理空間模型。 7·如請求項6之地理空間模型化方法，其中處理該所儲存 的立體地理影像資料與地理特徵資料以產生定義該沁成 本立方體之該等成本係數，該處理包含至少： ，修正該立體地理影像資料；及 從該經修正的立體地理影像資料中提取相同尺寸的影 像補綴。 8.如叫求項6之地理空間模型化方法，其中處理該經儲存 的立體地理影像資料與地理特徵資料以產生定義該3〇成 135265.doc 200935353 本立方體之該等成本係數，該處理包含至少： 決定對於配對的相同尺寸影 丁心苏诼補辍的組合成本係 歎，及 在該成本立方體中的 9. 重複决定該等成本係數。-、”、位置的範圍内 如請求項6之地理空間模型化方法， 徵資料包括：储存鱼具右p u“ 予/地理特 子〇具有一已知地理空間定位的至少一 固已去地理特徵才目關聯的地理特徵資料。 10.如請求項6之地理空間模型化方法’其中處理該所储存 的立體地理影像資料與地理特徵資料包含：透過該經調 D成本立方體尋找一理想成本表面以產生該地理办 間模型。 "" 135265.doc