一種基於s-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法
2023-08-02 12:10:16
一種基於s-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於S-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法，首先基於S-57電子海圖數據結合GDEM數據生成基於電子海圖的高程矢量圖，作為統一數據源；其次，將高程矢量圖經過轉化、簡化和紋理貼圖生成視景三維地形模型；最後，在高程矢量圖的基礎上，通過對數據進行裁剪，根據需要以不同採樣間隔分別完成雷達地形數據的生成和水深數據、導航物標數據的提取。本發明克服現有地形模型數據匹配不一致、精度不高、運行效率差的不足；融合三維地形數據生成技術、GPS定位技術、GIS地理信息技術，在保證三維視景運行效率和逼真度的同時，實現了視景三維地形數據、雷達地形、水深數據和導航物標數據與電子海圖的精確匹配。
【專利說明】一種基於S-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種三維地形和雷達地形生成方法，尤其是適用於基於s-57電子海圖數據的大範圍高精度匹配的航海模擬器視景三維地形和雷達地形生成方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著虛擬實境技術應用的不斷發展，在城市建設、教育、電子商務、軍工等領域都有了成功的應用。其中，國內科研機構和院校自主研發了具有三維視景的船舶操縱模擬器，在船員操船培訓、港航設計論證中發揮了重要作用。
[0003]在船舶操縱模擬器虛擬實境技術的開發應用中，三維視景地形、雷達地形、水深數據以及導航物標的數據提取是整個項目開發的基礎。因此，如何以S-57電子海圖為基準，構建統一數據源的視景三維地形、雷達地形、水深數據生成以及導航物標數據的提取成為關鍵的技術問題。
[0004]目前，國內在該領域通常採用基於電子海圖等高線生成DEM高程數據，導入Multigen Creator進行轉換,生成DED格式文件，同時進行地形紋理、坐標原點等設置,使地形逼真度和坐標與實際視景和電子海圖相匹配，最後，將地形文件轉換為OpenFlight數據格式供視景驅動使用。這種方法存在幾個缺陷:
[0005](I)該方法生成的地形模型精度依賴於電子海圖的高程數據的質量。由於電子海圖對於陸地地形高程信息的描述十分粗略，因而在仿真過程中所提供的數據與實際環境存在較大的差異。此外，這種方法無法提供等高線和等深線之間區域的連續、精確的數據。這些都影響了仿真數據的客觀性和逼真性。
[0006](2)利用這種方法生成的DEM高程數據，在滿足精度需求的同時，造成了地形面數的大幅增加。對於大範圍視景，該方法生成的地形模型必須分塊導入，影響了視景繪製的效率,增加了對硬體的需求。
【發明內容】
[0007]為了克服現有方法的局限性，本發明融合三維地形數據生成技術、GPS定位技術、GIS地理信息技術，提出了基於電子海圖數據統一數據源的視景三維地形數據生成、雷達地形生成、水深數據生成以及導航物標數據提取方法，在保證三維視景繪製效率和逼真度的同時，實現了地形數據、雷達地形、水深數據和導航物標數據與電子海圖的精確匹配。
[0008]本發明所採用技術方案的總體思路是:基於電子海圖統一數據源，生成簡化三維地形模型用於視景顯示，生成高精度地形模型用於雷達地形繪製和水深數據、導航物標數據提取。
[0009]本發明所述基於S-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0010](I)生成基於電子海圖的統一數據源:結合基於s-57電子海圖數據提取的電子海圖高程數據以及從⑶EM (全稱「Global Digital Elevation Model 」，全球數字高程模型)數據提取的等高線和等深線，生成基於電子海圖的高程矢量圖；
[0011](2)生成視景三維地形模型:將高程矢量圖生成DWG格式文件，通過三維模型簡化技術簡化地形模型，並在Multigen Creator中進行紋理編輯,生成視景三維地形模型；
[0012](3)生成高程數據文件:在高程矢量圖的基礎上，對矢量進行插值計算，提取高程信息，生成數據文件，分別完成雷達地形數據的生成和水深數據、導航物標數據的提取。
[0013]優選地，所述步驟(I)的具體步驟為:
[0014](1.1)提取原始數據:基於電子海圖源數據，採用GIS軟體Global Mapper提取海圖高程信息；將⑶EM數據導入Global Mapper中，依據海圖坐標設置和投影方式對⑶EM數據進行校正；提取GDEM數據等高線和等深線；
[0015](1.2)數據處理:以電子海圖為基本參照，針對海圖高程數據缺失部分、通過編輯高程矢量線的方法將海圖高程數據和GDEM提取的等高線和等深線數據進行合併處理；
[0016]優選地，所述(1.1)根據⑶EM數據提取等高線和等深線的過程中，提取範圍為海圖高程信息缺少區域，提取間隔距離為2米。
[0017]優選地，所述步驟(1.2)中，數據處理過程，要確保海圖的岸線、碼頭、導航物、航道建築與原海圖保持一致；對於有特殊精細要求地域的高程數據，採用人工測量，手工輸入的方法。
[0018]優選地，所述步驟(2)的具體步驟為:
[0019](2.1)數據預處理:對基於電子海圖的統一數據源進行簡化，只保留山體的等高線；對於岸線局部進行手工繪製；最後，將數據輸出為矢量數據文件，保存為DWG格式；
[0020](2.2)3D Max建模處理:將地形矢量數據文件導入到3D Max中，編輯等高線，並為其賦值，利用3D Max中的Terrain工具,生成沿岸陸地、島ill與和山體；最後,利用PloyTrans插件轉換所有地形，保存為OpenFlight格式文件,供Multigen Creator使用；
[0021](2.3) Creator紋理貼圖:將包含真實地形表面細節的紋理貼圖到生成的地形三維幾何模型上。
[0022]優選地，所述步驟(2.3)中，所述包含真實地形表面細節的紋理為衛星影像；所述衛星影像必須經Photoshop圖像軟體進行以下兩方面的處理:①對衛星影像進行處理，使其色彩與真實的環境色彩更加接近把大範圍的衛星影像裁切成2n大小的小範圍影像，其中I < η < 20，並把裁切後圖像以RGB或者RGBA格式存貯；根據所要處理的地形模型的地理範圍，將紋理映射的起始位置設為地形三維幾何模型的左下角，以三點映射的方法進行貼圖。
[0023]優選地，所述步驟(3)中生成雷達地形數據的具體步驟為:
[0024]刪除統一數據源中高程數值小於O的矢量線；依據電子海圖坐標手工繪製航道上的高出水面的助航標誌的等高線；利用Glabal Mapper自帶的3D矢量生成高程網格功能，通過插值計算，生成高程網格模型，得到連續、逼真的高程數據；對應雷達量程的變化，以量程越大採樣間隔越大、量程越小採樣間隔越小的原則，分別以不同採樣間隔提取雷達地形數據，並將提取的雷達地形數據保存為Arc ASCII網格數據文件。
[0025]優選地，所述步驟(3)中生成水深數據的具體步驟為:
[0026]僅保留統一數據源中岸線航道範圍內的所有等深線、水深點、岸線、碼頭的矢量數據，依據電子海圖坐標手工繪製航道上的高出水面的助航標誌、碼頭、橋梁的等高線；最後，利用Glabal Mapper自帶的3D矢量生成高程網格功能,通過插值計算,生成高程網格模型，得到連續、逼真的水深數據；根據需要分別以不同採樣間隔提取水深數據，並將提取的水深數據保存為Arc ASCII網格數據文件。
[0027]優選地，所述步驟(3)中提取導航物標數據的具體步驟為:
[0028](3.1)根據S-57電子海圖的文件格式，建立包含導航相關物標的物標代碼、物標屬性、圖元類型的物標對象類信息表格文件，需要提取的物標屬性使用分號分開；
[0029](3.2)從物標對象類信息表格文件中讀取物標，遍歷物標圖元類型；
[0030](3.3)遍歷每一優先級下的圖元；
[0031](3.4)比較物標圖元是否為需要導出圖元,對於每一個物標圖元,建立一個xml文本的物標節點；
[0032](3.5)根據不同圖元類型，讀取圖元數據建立圖元數據xml節點；
[0033](3.6)從物標對象類信息表格文件中讀取物標的屬性，並根據S-57電子海圖所定義的數字含義，將其轉換為有可讀意義的本文，並在「 O」中，註明其值。
[0034]優選地，所述(3.2)中所述物標圖元類型分為Point、Line和Area ;所述(3.5)中Point放入一個地理位置點節點，Line放入組成線的多個地理位置點節點，Area放入由閉合線組成的區域。
[0035]本發明，基於S-57電子海圖數據，並利用GDEM彌補海圖陸地高程信息的缺失，得到完整、詳盡的高程矢量圖作為基於電子海圖的統一數據源，克服現有，數據提取方法獲得的地形模型數據匹配不一致、精度不高、運行效率差等不足。本發明融合三維地形數據生成技術、GPS定位技術、GIS地理信息技術，提出了基於電子海圖數據統一數據源的視景三維地形數據生成、雷達地形生成、水深數據生成以及導航物標數據提取方法，在保證三維視景運行效率和逼真度的同時，實現了視景三維地形數據、雷達地形、水深數據和導航物標數據與電子海圖的精確匹配。
[0036]在導航雷達仿真應用中，根據所生成的陸岸地形高程數據，進行地物回波的繪製；在電子海圖相關應用中，利用該數據源生成全航道水深數據。在此基礎上，構建了江陰長江大橋至長江口(150海裡)長江航道地理、水文三維數位化環境，實現了三維視景、電子海圖與導航雷達三者之間數據精確匹配。經多次反覆測試，三維視景與電子海圖數據源誤差精度基本控制在I米以內，大幅提高了船舶駕駛仿真訓練中對陸標定位的精度和水下航道地形判斷的準確性，為開展複雜條件下航行指揮演練和安全性、穩定性驗證與評估提供了現實環境與規劃論證的可視化平臺，為決策支持、宏觀管理提供更加有力的依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1是本發明所述基於S-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法的流程圖。
[0038]圖2是生成視景地形模型的流程圖。
[0039]圖3是提取導航物標數據的流程圖。
【具體實施方式】[0040]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0041]以提取長江航道江陰大橋至長江口航段地形模型數據為實例，本發明所述基於S-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法的【具體實施方式】如下:
[0042]首先，在計算機上安裝以下軟體:
[0043]I) Global Mapperll ；
[0044]2) 3D Max7 及 PloyTrans 插件；
[0045]3) Multigen Creator3.0。
[0046]I統一數據源生成
[0047]1.1原始數據提取
[0048]基於電子海圖源數據，採用GIS軟體Global Mapper提取海圖高程信息，主要包括岸線、等高線、等深線、水深點等。將⑶EM數據導入Global Mapper中，依據電子海圖坐標設置和投影方式對⑶EM數據進行校正，提取⑶EM數據等高線和等深線。在提取等高線和等深線的過程中，可根據需要選擇等高線和等深線的提取範圍和間隔距離，本實施例中，所述提取範圍主要針對海圖高程信息缺少區域，提取間隔距離為2米。
[0049]1.2數據處理
[0050]數據處理主要任務是將海圖高程數據和GDEM提取的等高線和等深線數據進行合併處理，處理結果直接影響生成的地形模型質量，是本發明實例方法的重要環節。整個數據處理過程主要通過編輯高程矢量線的方法來實現；在處理過程中，以電子海圖為基本參照，主要針對海圖高程數據缺失部分，例如橋梁、樓宇、碼頭、山丘等，利用GDEM高程數據進行補充；要確保海圖的岸線、碼頭、導航物、航道建築與原海圖保持一致；對於有特殊精細要求地域的高程數據，也可以採用人工測量，手工輸入的方法。
[0051]利用⑶EM彌補海圖陸地高程信息的缺失，由此得到基於電子海圖的統一數據源，得到完整、詳盡的高程矢量圖，為後續的視景三維地形建立和高程數據的提取奠定基礎。
[0052]2視景三維地形模型生成
[0053]由於視景系統對於岸線、橋梁、山體、重要導航物標等有特殊顯示要求，對於高程的細微特徵可以忽略，所以可以通過紋理貼圖來實現地形模型簡化。視景三維地形模型的生成流程見圖2。
[0054]2.1數據預處理
[0055]對基於電子海圖的統一數據源進行簡化，只保留山體的等高線，將其餘無關的等高線刪除。對於其岸線局部要考慮岸線地形並進行手工繪製，例如，建有岸壁式碼頭的岸線和灘涂是有區別的。最後，將所有數據輸出為矢量數據文件，保存為DWG格式。
[0056]2.23D Max 建模處理
[0057]將地形矢量數據文件導入到3D Max中，此處應注意:
[0058]I)單位的設定要與實際保持一致；
[0059]2)不要將所有等高線作為一個物體，分開顯示。
[0060]編輯等高線，並為其賦值,利用3D Max中的Terrain工具，生成沿岸陸地、島ill與和山體。最後，利用PloyTrans插件轉換所有地形，保存為OpenFlight格式文件。由於PloyTrans插件在使用過程中設置參數較多，使用者需詳細閱讀幫助說明，此處不再累述。
[0061]2.3Creator 紋理貼圖[0062]紋理是指映射到3維物體表面的二維圖像。將包含真實地形表面細節的紋理應用到生成的地形三維幾何模型上，能夠使地形模型在視景實時仿真系統中呈現出更加逼真的視覺效果。在本實施例中選用衛星影像來進行紋理貼圖。在把衛星影像作為紋理數據輸入之前，必須使用Photoshop圖像軟體進行兩方面的處理:一是對已有高解析度衛星影像進行處理，使其色彩與真實的環境色彩更加接近；二是把大範圍的高解析度衛星影像裁切成2n大小的小範圍影像，其中I < η < 20，通過減少紋理數據量保證圖形繪製速度與顯示效果。將裁切後圖像以RGB或者RGBA格式存貯。根據所要處理的地形模型的地理範圍，將紋理映射的起始位置設為地形三維幾何模型的左下角，以三點映射的方法進行貼圖。
[0063]3高程數據文件生成
[0064]基於電子海圖的統一數據源生成雷達地形和水深數據。
[0065]3.1雷達地形數據文件生成
[0066]刪除基於電子海圖的統一數據源中高程數值小於O的矢量線。對於航道上的燈樁、燈浮等高出水面的助航標誌，依據電子海圖坐標進行手工繪製其等高線。利用GlabalMapper自帶的3D矢量生成高程網格功能，通過插值計算，生成高程網格模型，得到連續、逼真的高程數據。在生成過程中，應設定生成範圍，從而減少數據量，提高工作效率。
[0067]對應雷達量程的變化，分別以不同採樣間隔提取雷達地形數據。量程越大，採樣間隔越大；量程越小，採樣間隔越小。將提取的雷達地形數據保存為Arc ASCII網格數據文件，其內容如下:
[0068]ncols1716
[0069]nrows1120
[0070]xllcorner 13376355.556
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[0080]3.2水深數據生成
[0081]水深數據的生成與雷達地形生成原理相同。
[0082]保留基於電子海圖的統一數據源中岸線航道範圍內的所有等深線、水深點等矢量數據，包括岸線、碼頭矢量線，其他全部刪除。對於航道上的燈樁、燈浮等高出水面的助航標誌，依據電子海圖坐標進行手工繪製其等高線。對於碼頭、橋梁應依據電子海圖坐標進行手工繪製其等高線。最後，利用Glabal Mapper自帶的3D矢量生成高程網格功能，通過插值計算，生成高程網格模型，得到連續、逼真的水深數據。
[0083]根據需要分別以不同採樣間隔提取水深數據。例如，離靠碼頭時，使用採樣間隔小的水深數據；航行時，採用採樣間隔大的水深數據。將提取的水深數據保存為Arc ASCII網格數據文件，其內容與雷達地形數據文件相似。
[0084]3.3導航物標數據提取
[0085]本實例基於S-57的統一海圖數據，提取包括方位立標、側面立標、孤立威脅物立標、安全水域立標的各種立標(Beacon )，包括方位浮標、作業浮標、孤立威脅物浮標、側面浮標、安全水域浮標、專用/通用浮標的各種浮標(Buoy)，陸標，燈標，燈浮，燈船等導航物標對象數據標，提取的物標屬性包括物標的經緯度位置、顏色、是否雷達可見、是否視覺可見、高度、形狀、類別、彩色圖案、信號周期、信號組、燈質等，最終生成xml數據文件，供視景、雷達等仿真系統構建導航物標視景和物標回波仿真使用。
[0086]導航物標數據的基本提取過程如圖3所示，包括以下步驟:
[0087]I)根據S-57電子海圖文件格式，建立包含導航相關物標的物標代碼、物標屬性、圖元類型等內容的物標對象類信息表格文件，需要提取的物標屬性使用分號分開。
[0088]2)從物標對象類信息表格文件中讀取物標，遍歷物標圖元類型，對物標的每一種圖元類型進行提取，圖元可以分為點(Point)、線(Line)和面(Area)。
[0089]3)遍歷每一優先級下的圖元。由於S-57電子海圖使用分優先級存儲的方式存儲數據，因此對於每一種圖元，還需要提取不同優先級下的圖元。
[0090]4)比較物標圖元是否為需要導出圖元,對於每一個物標圖元,建立一個xml文本的物標節點。
[0091]5)根據不同圖元類型，讀取圖元數據建立圖元數據xml節點。Point放入一個地理位置點節點，Line放入組成線的多個地理位置點節點，Area放入由閉合線組成的區域。
[0092]6)從物標對象類信息表格文件中讀取物標的屬性，並根據S-57電子海圖所定義的數字含義，將其轉換為有可讀意義的本文，並在「 O」中，註明其值。
[0093]導出的燈標xml數據文件內容如下。
[0094]
【權利要求】
1.一種基於S-57電子海圖數據的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)生成基於電子海圖的統一數據源:結合基於S-57電子海圖數據提取的電子海圖高程數據以及從GDEM數據提取的等高線和等深線，生成基於電子海圖的高程矢量圖； (2)生成視景三維地形模型:將高程矢量圖生成DWG格式文件，通過三維模型簡化技術簡化地形模型，並在Multigen Creator中進行紋理編輯,生成視景三維地形模型； (3)生成高程數據文件:在高程矢量圖的基礎上，對矢量進行插值計算，提取高程信息，生成數據文件，分別完成雷達地形數據的生成和水深數據、導航物標數據的提取。
2.根據權利要求1所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(I)的具體步驟為: (1.1)提取原始數據:基於電子海圖源數據，採用GIS軟體Global Mapper提取海圖高程信息；將⑶EM數據導入Global Mapper中，依據海圖坐標設置和投影方式對⑶EM數據進行校正；提取⑶EM數據等高線和等深線； (1.2)數據處理:以電子海圖為基本參照，針對海圖高程數據缺失部分、通過編輯高程矢量線的方法將海圖高程數據和GDEM提取的等高線和等深線數據進行合併處理。
3.根據權利要求2所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述(1.1)根據GDEM數據提取等高線和等深線的過程中，提取範圍為海圖高程信息缺少區域，提取間隔距離為2米。
4.根據權利要求2所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(1.2)中，數據處理過程，要確保海圖的岸線、碼頭、導航物、航道建築與原海圖保持一致；對於有特殊精細要求地域的高程數據，採用人工測量，手工輸入的方法。
5.根據權利要求1所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(2)的具體步驟為: (2.1)數據預處理:對基於電子海圖的統一數據源進行簡化，只保留山體的等高線；對於岸線局部進行手工繪製；最後，將所有數據輸出為矢量數據文件，保存為DWG格式； (2.2)3D Max建模處理:將地形矢量數據文件導入到3D Max中，編輯等高線，並為其賦值，利用3D Max中的Terrain工具,生成沿岸陸地、島ill與和山體；最後,利用PloyTrans插件轉換所有地形，保存為OpenFlight格式文件,供Multigen Creator使用； (2.3) Creator紋理貼圖:將包含真實地形表面細節的紋理貼圖到生成的地形三維幾何模型上。
6.根據權利要求5所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(2.3)中，所述包含真實地形表面細節的紋理為衛星影像；所述衛星影像必須經Photoshop圖像軟體進行以下兩方面的處理:①對衛星影像進行處理，使其色彩與真實的環境色彩更加接近把大範圍的衛星影像裁切成2n大小的小範圍影像，其中I < η < 20，並把裁切後圖像以RGB或者RGBA格式存貯；根據所要處理的地形模型的地理範圍，將紋理映射的起始位置設為地形三維幾何模型的左下角，以三點映射的方法進行貼圖。
7.根據權利要求1所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(3)中生成雷達地形數據的具體步驟為:刪除統一數據源中高程數值小於O的矢量線；依據電子海圖坐標手工繪製航道上的高出水面的助航標誌的等高線；利用Glabal Mapper自帶的3D矢量生成高程網格功能，通過插值計算，生成高程網格模型，得到連續、逼真的高程數據；對應雷達量程的變化，以量程越大採樣間隔越大、量程越小採樣間隔越小的原則，分別以不同採樣間隔提取雷達地形數據，並將提取的雷達地形數據保存為Arc ASCII網格數據文件。
8.根據權利要求1所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(3)中生成水深數據的具體步驟為:僅保留統一數據源中岸線航道範圍內的所有等深線、水深點、岸線、碼頭的矢量數據，依據電子海圖坐標手工繪製航道上的高出水面的助航標誌、碼頭、橋梁的等高線；最後，利用Glabal Mapper自帶的3D矢量生成高程網格功能，通過插值計算，生成高程網格模型，得到連續、逼真的水深數據；根據需要分別以不同採樣間隔提取水深數據，並將提取的水深數據保存為Arc ASCII網格數據文件。
9.根據權利要求1所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述步驟(3)中提取導航物標數據的具體步驟為: (3.1)根據S-57電子海圖的文件格式，建立包含導航相關物標的物標代碼、物標屬性、圖元類型的物標對象類信息表格文件，需要提取的物標屬性使用分號分開； (3.2)從物標對象類信息表格文件中讀取物標，遍歷物標圖元類型； (3.3)遍歷每一優先級下的圖元； (3.4)比較物標圖元是否為需要導出圖元,對於每一個物標圖元,建立一個xml文本的物標節點； (3.5)根據不同圖元類型，讀取圖元數據建立圖元數據xml節點； (3.6)從物標對象類信息表 格文件中讀取物標的屬性，並根據S-57電子海圖所定義的數字含義，將其轉換為有可讀意義的本文，並在「 O」中，註明其值。
10.根據權利要求9所述的三維地形和雷達地形生成方法，其特徵在於，所述(3.2)中所述物標圖元類型分為Point、Line和Area ;所述(3.5)中Point放入一個地理位置點節點，Line放入組成線的多個地理位置點節點，Area放入由閉合線組成的區域。
【文檔編號】G06T17/05GK103456041SQ201310383175
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】宋元, 牛海, 李彩霞, 汪志凱, 許林周, 周晶, 劉喜作, 李智, 王藝, 胡蕾 申請人:中國人民解放軍海軍大連艦艇學院