航道三維仿真電子圖的製作方法

2023-10-08 10:06:44

專利名稱：航道三維仿真電子圖的製作方法
技術領域：
本發明屬於電子三維仿真技術，具體涉及一種航道三維仿真電子圖。
背景技術：
隨著計算機三維(3D)顯示技術的不斷發展,地圖符號形象化的要 求日漸迫切。地圖符號的抽象化和形象這對矛盾在相互對立而又螺旋 式上升的發展過程中向三維形象化回歸，導致了空間信息三維可視化 成為GIS發展的重要特徵之一。三維可視化技術使傳統二維的、靜態 的地圖表示向三維的、動態的場景表示方向發展，利用虛擬現實(VR) 技術在空間資料庫支持下可以構建虛擬環境，人在進入這一環境後可 以利用計算機實現以視覺為主的全方位交互，這是空間數據可視化最 有發展前景的新領域，已成為被關注的熱點，也是研究、利用數字地球 資源的重要工具。近年來，國內外在空間信息三維可視化方面的研究工 作主要集中在以下兩個方面運用動畫技術製作動態地圖，可用於涉及 時空變化的現象或概念的可視性分析運用虛擬現實技術進行地形環 境仿真，真實再現地景，進行交互觀察和分析。目前此方面的研究主要 有基於影像(遙感圖像、航空圖像等)的地形仿真，影像與空間資料庫 集成的城市景觀重建，電子沙盤的製作與應用等。現有的3DGIS研究 都集中在三維可視化技術方面，對於更為基礎的3DGIS的空間認知問 題的研究顯得很不夠，這在一定程度上也制約了空間信息三維表示技 術的進步和3DGIS的工程應用實踐。本文主要研究3DGIS中具有重 要空間格局與視覺作用的三維模型，三維模型的研究能夠促進傳統平 面地圖符號系統的發展,豐富和增強傳統地圖製圖的表達手法，促進地 圖學理論在三維地理信息表示領域的新應用。

發明內容
本發明的目的在於提供一種集成數字高程模型(DEM )和數字正射 影象與常^i的矢量數據和各種屬性信息在一起，建立一體化的3維數
據輸入、操作與可視化機制，並在此基礎上提出了 3維混合表示的空 間查詢與分析模型。實現本發明目的的技術方案為航道三維仿真電子圖，它是以下 述方法形成的利用DEM地形數據和DOM影像數據，3D模型設計數據 和航拍糹莫型數據通過CREATOR工具、PHOTOSHOP工具和3DMAX工具編 輯後形成FLT地形幾何數據和RGB地形紋理，3D模型幾何數據和RGB 地形紋理；再利用FLT地形幾何數據和RGB地形紋理通過CREATOR工 具形成FLT地形數據；利用3D模型幾何數據和RGB地形紋理通過 CREATOR工具形成FLT地形數據；形成的兩個FLT地形數據在VEGA 中形成航道三維仿真電子圖；其中，DEM地形數據的形成方式為才艮據 已有矢量線劃圖生成基於矢量線劃圖來生產DEM或採用全數字攝影測 量方法生成在VirtuoZo NT全數字4聶影測量系統的環境下，利用數字 影像可自動生成DEM。本航道三維仿真電子圖的模型擴展了可視化概念，將可視化技術 貫穿於整個GIS運行過程。可視化不僅僅是搡作結杲的再現，而且也 為數據處理、空間查詢與分析和各種三維模型操作提供了更加有力的 支持，並且可以為GIS提供一個三維逼真的動態的交互式的運行環境。


圖1 ^it三維仿真電子圖系統原理 圖2航道三維仿真電子圖形成示意圖 圖3 實時繪製流程示意圖具體實施方式
如圖2所示，航道三維仿真電子圖產生主要由空間資料庫提供的 真三維數據經由前端自主開發的界面圖形處理軟體形成。其中利用 DEM地形數據通過CREATOR工具形成FLT地形幾何數據，利用DOM影 像數據通過PHOTOSHOP工具形成RGB地形紋理；利用3D模型設計數據 通過3DSMAX工具形成3D模型幾何數據，利用航拍模型數據通過 PHOTOSHOP工具形成RGB地形紋理。再利用FLT地形幾何數據和RGB 地形紋理通過CREATOR工具形成FLT地形數據；利用3D模型幾何數據 和RGB :l也形紋理通過CREATOR工具形成FLT地形數據；形成的兩個FLT 地形數據在VEGA中形成航道三維仿真電子圖。
VEGA是開發實時禍.覺和聽覺仿真、虛擬實境和通用的視頻應用 軟體系統。VEGA及其可選模塊在視窗WINDOWS 2003 SERVER操 作系統和SGI IRJX作業系統下運行，並支持大量種類的資料庫加栽 器，允許很多種不同的數裾庫的交互應用，和羊或多進程應用的開發。 它把先進的仿真功能和易用的工具結合在一起，創建了 一種使用最簡 單，但最具創造力的體系結構，來創建、編輯和運行高性能的實時應 用，具有下述優點(1)採用商品化產品減少了風險；(2)採用持續 的、兼容的和易用的編程接口； (3)縮短了開發周期；(4)減少了圖 形的編程時間；(5)容易觀察改變參數帶來的變化，具有實時優化性 能；(6)產品的可維護性。這裡數字高程模型的數據生成DEM數據包括平面位置和高程數據兩種信息，可以直接在野外通 過全站儀和GPS、雷射測距儀等進行測量。也可以間接從航空影象或 者遙感圖象以及既有的地形圖上得到。可以採用以上任意一種數據源 來生成DEM數據。生產DEM的方法主要有兩種方式 一種是基於矢量g劃圖，衝艮據 圖中足夠數量的高程點和特徵線(如等高線、山脊線、河坎線等)構 建TIN (不規則三角網)進而生成DEM;另 一種是直接採用全數字攝影 測量方法在立體模型上直接採集特徵點、線，自動生成DEM。1、才艮據已有矢量線劃圖生成基於矢量線劃圖來生產DEM。主要指的是根據不同比例尺的地形圖來生產相應的DEM。採用這 種方法主要是基於充分利用長江航道現有的大量勘測成果，並從節省 資金方面考慮。因為作為現有的航道全線各個水道而言，擁有大量從 1 500到l 40000的地形圖，而且現勢性較強，能夠比較真實地反 映整個長江^it的地形特徵。由矢量線劃圖來生產DEM,針對平坦地 區而言，關鍵在於1 500、 1 IOOO的矢量圖上是否能提供足夠數量 並且分布均勻的高程點；而對於山區而言，則關鍵在於圖面上的等高 線和一些坎線、坡線等地形特徵線是否完備。因為這些因素關係到最 終生成的DEM的精度和質量。所以，在準備資料的時候，就必須對所 要用到的所有矢量線劃圖進行100%的圖面檢查，對高程點密度不夠的 區域和地形特徵線不完備的地方進行外業補測。只有先具備上述條件 後，才可以進行後續工作的實施。基於矢量線劃圖來生產DEM，大多 數人認為只要特徵點、特徵線足夠就可以直接構TIN,生成DEM了。 實際上，根據我們生產過的DEM的經驗來看，由矢量線劃圖作為底圖，
保留所有的高程點和等高線，然後在AutoCAD Map2000環境下對圖面 上的道路、農田、河流、溝坎等地形、地貌特徵處用三維矢量線進行 編輯，儘可能構成特徵面，用這樣方法得到的三維矢量圖來構TIN生 成的DEM是比較有效的方法。經過檢驗，其精度情況很好，能夠比較 真實地反映地形地起伏變化。2、採用全數字攝影測量方法生成在VirtuoZo NT全數字攝影測量 系統的環境下，利用數字影像可自動生成DEM。這種方法主要針對無 圖區域(沒有現成的1 500和1 1000的線劃圖)，其方法具體分為 以下三個步驟(1) 自動完成內定向、相對定向和絕對定向，得到各種定向參數；(2) 自動完成影像匹配。利用基於灰度的影像匹配或基於特徵的 影像匹配算法，在立體像對重疊部分匹配一定數量的同名像點，由其 左右影像坐標及定向參數求出相應的地面坐標，作為生成規則格網狀 DEM的已知數據點。(3 )針對模型中匹配錯誤的區域進行編輯，然後採用適合的DEM 數據內插方法，根據已知數據點內插生成規則格網的DEM或三角網 DEM。事實上，為了保證DEM的精度，我們在VirtuoZo NT全數字攝影 測量系統的環境下仍然是只做三維數據的採集，將採集來的三維矢量 圖導出，最終在GeoTin軟體環境下構建TIN,從而生成DEM。為保證 格網點精度要求，平坦地區按平均100cm2 有10-25個高程點進行 立體三維數據採集，點位選擇為鋪裝路面、地勢變換處、面狀水域水 涯線等；對於象山頭、窪地、鞍部等地形特徵點、特徵線(包括山脊 線、山谷線、面狀水域水涯線、斷裂線等)及計曲線也進行立體三維 數據採集。至於樹高，可以在立體模型上切樹頂和樹底差為準。另夕卜，凡是用於內插DEM的數掂(如視差曲線、像方格網模型等)，均通過與 影像立體模型配準，進行人機互動編輯，改正自動匹配造成的誤差以 及林地、樓宇高差，使之切準地面，去除粗差。數字高程模型的數據生成應注意的問題 1、 DEM誤差的來源與性質DEM的實際精度主要由原始數據的採集誤差和高程誤差兩方面決 定的。DEM的點的誤差是數字地面建模過程中所傳播的各種誤差的綜 合。它主要受以下幾個因素的影響地形表面的特徵、原始數據的精 度、密度和分布、表面建模的方法等。總體而言，可將誤差分為三種 即系統誤差、偶然誤差和粗差。同系統誤差、偶然誤差相比，粗差實
際上是一種錯誤，它們在測量中出現的可能性很小。但是與前兩種誤 差相比，粗差對數字高程模型所反映的空間變化的扭曲極為嚴重。在有些情況下，粗差的存在還會導致DEM及其產品嚴重失真甚至完全不 能應用。2、 DEM粗差檢測的技術方法傳統的粗差處理都是基於平差原理的，如果不存在平差問題，也 就不能在平差過程中對粗差進行自動定位。因此要檢查DEM數據中的 錯誤，顯然要進行更加妥善的處理，而不能簡單借用一般的平差方法， 同時僅僅分析單個的獨立數據也是不夠的，只有從整體或局部對數據 進行分析處理才能使問題得到解決。目前常用的DEM的數據粗差檢測 方法主要有以下三種(1)基於趨勢面按照自然地形地貌的成因，絕大多數自然地形表 面符合一定的自然趨勢，表現為連續的空間漸變模型，並且，這種連 續變化可以用一種光滑的數學表面一趨勢面來加以描述。對粗差的檢 測，可以通過模型誤差即實際觀測值與趨勢面計算值(模型值)之差 來判定其是否屬於異常數據。由此可見，可以採用趨勢,分析找出偏 離總趨勢超過一定閾值的可疑數據。通過趨勢面分析可以找出大部分 可疑數據，從而把問題局部化、簡單化。但是，趨勢面分析的一個缺 點就是儘管可以找出可疑數據，但不能確定數據是否是真正的粗差。(2 )基於坡度信息由於坡度是地表面的一個基本屬性，因此可利 用坡度的連續性和一致性來檢測格網數據中的粗差。如果在一個點的 周圍一定局部區域內約束的坡度和允許坡度變化量大於給定的約束條 件(閾值)，我們就可以認為該點可能存在粗差。這就是基於局部區域 的坡度約束技術的原理。(3)可視化方法採用DEM三維可視化技術，該方法可以交互式地 來;f企查DEM中出現的可疑數據，並剔除嚴重影響數據質量的粗差或錯 誤。 一般對於一個特定的研究區域，在三維透視圖上可疑點是否表現 為粗差非常直觀，很容易據此做出正確地判斷。實際上，由於DEM有 著非常適宜於建立三維可視化的特點，所以可以首先通過目視效果對 粗差進行檢測。通常有粗差的地形是很不自然的。因此在實際應用中， 可以首先通過目視進行粗差的檢測。以上三種粗差的檢測方法各有特 色。3、 DEM的質量檢查為了確保DEM的精度符合要求，在DEM的生產 環節上必須制定嚴格的質量檢奎程序DEM的質量檢查內容大致包括以下三個方面DEM的形態檢查、DEM 的精度檢查和DEM的完整性檢查。(1) DEM形態檢查a)利用DEM數據，進一步生成同範圍的數字正 射影像，目視檢查數字影像，若無變形、扭曲等現象發生，則DEM進 入下工序檢查，否則在立體模型上對DEM進行編輯、修改，直到符合 精度要求。b)根據DEM數據，生成一定間距的等高線，將之與正射 影像進行疊加，目視檢查等高線有無突變情況，對突變處均在立體模 型上進行DEM的編輯、修 文；就地勢平緩區域，則採用格網點分色顯 示，對層色較密集的地方，返回立體模型檢查DEM是否存在粗差點， 並對DEM進行編輯、修改，使之貼近地面。(2)DEM精度檢查a)同名格網點高程精度的檢測在各測區中， 任意抽取一定比例的DEM圖幅，按靜態方式採用DEM格網點作為參考 點，在VirtuoZo全數字攝影測量工作站上立體採集這些同名格網點的 高程，兩值進行比較，根據其差值統計出DEM格網點高程中誤差；b) 高程註記點的檢測在測區中按29&的比例隨機抽取DEM圖幅，在所抽 取的每幅圖中按均勻分布的原則布設檢測點，點數視具體情況而定。 在野外實測這些點的高程，然後將之與對應DEM的附加矢量文件中相 應位置的註記點高程做比較，來檢驗DEM的精度情況；c) DEM插求 點精度檢測用野外散點法對DEM插求點進行精度檢測。為確保檢查 的全面性和代表性，隨機抽取各測區5%比例的圖幅，用GPS-RTK和全 站儀設站測定檢測點三維坐標，內業取其對應位置高程(內插值)，並 計算出內插值與實測值差值和中誤差；d) DEM接邊差的檢查對於 編輯好的DEM通過GeoTIN檢查相鄰圖幅DEM間重疊部分同名點的差值 檢查接邊精度，系統自動計算並顯示接邊中誤差、總點數、誤差分布 統計及最大接邊差點位。當接邊中誤差不超過5(5為相應地形DEM 中誤差)且最大接邊差不超過2 5時，由GeoTIN自動接邊，取其中數 作為格網點高程，否則，在立體模型上對相應位置點位進行編輯，直 到符合要求，確保了 DEM圖幅接邊的正確性。(3 ) DEM完整性檢查主要檢查DEM的覆蓋範圍是否正確，兩數字 高程模型間相鄰行(列)格網點平面坐標是否連續，高程是否符合地 形連續的總體特徵，生成的DEM中間是否存在漏洞等。方法是利用該 DEM進一步生成數字正射影像，檢查數字影像的範圍及其中有無黑洞。再對數據進行處理時，大範圍(區域)場景的複雜程度取決於可
見的數量和與解析度相關的景物顯示細節。因此，快速將所需的相關 信息調入內存是場景管理的首要任務，也是本系統的一個重要內容。繪製後續的實時圖形，實時繪製流程示意圖如圖3所示。同時，考慮給主機預留出額外的資源，解決囝形負栽的動態變化及調整場景數據 庫。從而搭建了資料庫。圖形繪製算法還涉及到可見性計算，通過計 算將位於視域四稜錐內的物體投射到觀察者中，使場景管理區始終在 一定的模型數據數量內。對於複雜的地形，則選擇LOD算法，實現近處部分的網格精細， 而遠處的網格粗糙。在實時場景繪製時，程序應根據一定的標準選擇 一個適當層次的模型來繪製景物。普遍的LOD則應選擇標準這其中 包括物體離視點的距離、視線夾角、物體在屏幕上的面積及可見像素 的數目等內容。要提高實時繪製的效率，場景的空間組織應將採用樹結構，場景 的實時遍歷包括場景管理遍歷和碰撞檢測遍歷。採用數據動態加載高質量的三維仿真都要求能在大面積複雜數 據庫上連續運行而無延遲。高精度和真實地理信息方面的要求增加了 三維GIS應用的複雜性。因而， 一次駐留在機器內的數礙庫越來越大 也越複雜。雖然利用資料庫子集技術可以滿足內存不足"問題，但同 時也帶來由於裝入新資料庫而延遲的結果。針對這個問題，解決的方 案是先定義再動態地分配一個可移動的數據，地面坐標系的點將採用 雙精度型，從而滿足觀察者的最佳效果。如觀察者遠離lt據庫的初始 原點時，則自動消除了顯示上的任何跳動。對實時非同步資料庫進行 處理，同時提出內存和存儲設備要求，相應地對幾何元素和紋理實行 有效的管理，對計算機系統內存予以有效地分配和使用。同時考慮用 戶的瀏覽，對計算機後臺設計一條線程方便調入，同時設置線程的優 先級，實現數據的異步裝載。實現漫遊時無縫光滑連接。原理如圖2所示航道三維電子圖將所有的矢量對象均設計為三維 空間目標，即其空間位置信息包括X、 Y和Z三個坐標分量，直接將常 規的二維平面坐標數據模型推廣到三維空間，並引入數字高程模型 DEM和正射影象數據，至於其他複雜的聲、視、圖多媒體數據和三維 空間拓樸關係描述則通過簡單的資料庫關聯方法加以解決。這種數據 模型為後續的三維操作提供了基本保證。本電子圖從最底層進行光照 模型計算、矩陣變換等一系列三維坐標變換和三維圖形明暗繪製的處 理，實現了動態交互式^=莫型的基本框架。在這個版本中，三維可視化
模型與矢量數據和屬性數據的處理相互聯繫的，不論是資料庫還是交 互操作都集成在一起，基於客戶/伺服器體系結構、採用集成的資料庫(包括矢量數據、屬性數據、DEM、數字影象、以及各種語音和視頻圖 象等)。並且，所有三維操作均在OpenGL環境下實現，從而避免了從 底層進行光照模型計算、矩陣變換等一系列三維坐標變換和三維圖形 明暗繪製的處理，在很大程度上提高了圖形處理的效率，並能使用標準 的圖形加速卡，使得藉助於普通微機實現三維地形動態生成與實時動 態漫遊成為可能。因此，系統的設計開發主要致力於各種複雜的數字 建模、交互操作、動態變化以及模型仿真等。
權利要求
1、一種航道三維仿真電子圖，它是以下述方法形成的利用DEM地形數據和DOM影像數據，3D模型設計數據和航拍模型數據通過CREATOR工具、PHOTOSHOP工具和3DSMAX工具編輯後形成FLT地形幾何數據和RGB地形紋理，3D模型幾何數據和RGB地形紋理；再利用FLT地形幾何數據和RGB地形紋理通過CREATOR工具形成FLT地形數據；利用3D模型幾何數據和RGB地形紋理通過CREATOR工具形成FLT地形數據；形成的兩個FLT地形數據在VEGA中形成航道三維仿真電子圖；其中，DEM地形數據的形成方式為根據已有矢量線劃圖生成基於矢量線劃圖來生產DEM或採用全數字攝影測量方法生成在VirtuoZo NT全數字攝影測量系統的環境下，利用數字影像可自動生成DEM。
2、 如權利要求l所述航道三維仿真電子圖，其特徵是所述根據 已有矢量線劃圖生成基於矢量線劃圖來生產DEM為以矢量線劃圖作 為底圖，保留所有的高程點和等高線，然後在AutoCAD環境下對圖面 上的道路、農田、河流、溝坎等地形、地貌特徵處用三維矢量線進行 編4專，構成4爭徵面。
3、 如權利要求l所述航道三維仿真電子圖，其特徵是所述採用 全數字攝影測量方法生成在VirtuoZo NT全數字攝影測量系統的環境 下，利用數字影像可自動生成DEM方法為1、自動完成內定向、相對 定向和絕對定向，求得各種定向參數；2、自動完成影像匹配利用基 於灰度的影像匹配或基於特徵的影像匹配算法，在立體像對重疊部分 匹配一定數量的同名像點，由其左右影像坐標及定向參數求出相應的 地面坐標，作為生成規則格網狀DEM的已知數據點；3、針對模型中匹 配錯誤的區域進行編輯，然後採用適合的DEM數據內插方法，根據已 知數據點內插生成規則;f各網的DEM或三角網DEM。
4、 如權利要求1所述航道三維仿真電子圖，其特徵是DEM地形 數據的形成時具有質量檢查過程，它包括DEM的形態檢查、DEM的精 度檢查和DEM的完整性檢查。
5、 如權利要求4所述航道三維仿真電子圖，其特徵是所述DEM 的形態檢查包括a)利用DEM數據，進一步生成同範圍的數字正射影 像，目視/險查數字影像，若無變形、扭曲等現象發生，則DEM進入下 工序檢查，否則在立體模型上對DEM進行編輯、修改，直到符合精度 要求。b)才艮據DEM數據，生成一定間距的等高線，將之與正射影像 進行疊加，目視檢查等高線有無突變情況，對突變處均在立體模型上2 進行DEM的編輯、修改；就地勢平緩區域，則採用格網點分色顯示， 對層色較密集的地方，返回立體模型檢查DEM是否存在粗差點，並對 DEM進行編輯、修改，使之貼近地面。
6、 如權利要求4所迷航道三維仿真電於圖，其特徵是所述DEM 的精度檢查a)同名格網點高程精度的檢測；b)高程註記點的檢測； c) DEM插求點精度檢測；d) DEM接邊差的檢查。
7、 如權利要求4所述航道三維仿真電子圖，其特徵是所述DEM 的完整性檢查是利用DEM進一步生成數字正射影像，檢查數字影像 的範圍及其中有無黑洞。
全文摘要
本發明公開了一種航道三維仿真電子圖，它是以下述方法形成的利用DEM地形數據和DOM影像數據，3D模型設計數據和航拍模型數據通過CREATOR工具、PHOTOSHOP工具和3DMAX工具編輯後形成FLT地形幾何數據和RGB地形紋理，3D模型幾何數據和RGB地形紋理；再利用FLT地形幾何數據和RGB地形紋理通過CREATOR工具形成FLT地形數據；利用3D模型幾何數據和RGB地形紋理通過CREATOR工具形成FLT地形數據；形成的兩個FLT地形數據在VEGA中形成航道三維仿真電子圖。本航道三維仿真電子圖的模型擴展了可視化概念，將可視化技術貫穿於整個GIS運行過程。可視化不僅僅是操作結果的再現，而且也為數據處理、空間查詢與分析和各種三維模型操作提供了更加有力的支持，並且可以為GIS提供一個三維逼真的動態的交互式的運行環境。
文檔編號G06T17/50GK101154295SQ20061012463
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者立 吳, 慶 朱, 昕 李, 楊瑞慶 申請人:長江航道規劃設計研究院