專利名稱：通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)建三維場景的方法，更準(zhǔn)確的，本發(fā)明涉及一 種通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的攝影測量學(xué)方法一般使用航空影像來重建立體模型，觀察 立體效果要配帶立體眼鏡，不方便立體觀測。
隨著攝影測量技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在常用的構(gòu)建三維場景的方法有以
下兩種
一、使用傳統(tǒng)的正射影像和數(shù)字高程模型來構(gòu)建三維場景 航空影像是經(jīng)過中心投影形成的，而正射影像則是由航空影像經(jīng) 過糾正得到的一個接近垂直投影的影像。傳統(tǒng)的正射影像有個缺點，
就是忽略了建筑物，樹木，橋梁等高卑物體的高度，沒有對影像進(jìn)行 徹底的糾正，由于高程差，仍然存在像素位移，因而在傳統(tǒng)的正射影 像上能看到部分物體的側(cè)面，如圖1所示，傳統(tǒng)正射影像與真正射影 像相比較，傳統(tǒng)正射影像上能看到部分物體的側(cè)面，無法精確地進(jìn)行 物體的輪廓勾繪，但在真正射影像上看不到物體的側(cè)面，可以精確地 進(jìn)行輪廓勾繪。
由于傳統(tǒng)正射影像存在上述缺點，無法精確提取到高卑建筑物， 樹木，橋梁等物體的輪廓坐標(biāo)，因而與數(shù)字高程模型結(jié)合后構(gòu)建的三維場景模型圖像不夠精確真實，位置關(guān)系容易錯移。
二、在數(shù)字表面模型上勾繪物體輪廓，進(jìn)而構(gòu)建三維場景 現(xiàn)在可以通過機(jī)載激光掃描系統(tǒng)的方法直接獲取到數(shù)字表面模 型，也可以使用航空攝影測量技術(shù)在影像匹配的基礎(chǔ)上生成數(shù)字表面 模型，然后使用數(shù)字表面模型規(guī)格化的方法來重建三維場景。但數(shù)字 表面模型數(shù)據(jù)本身是沒有顏色的，點集之間通過距離來區(qū)分，數(shù)據(jù)量 大，在計算機(jī)上難以進(jìn)行真實的紋理貼圖，紋理坐標(biāo)難以定位。
同時，數(shù)字表面模型規(guī)格化困難，精度不高。由于數(shù)字表面模型 的精度沒有航空影像的精度高，因而數(shù)字表面模型規(guī)格化不如直接在 航空影像上提取輪廓更好。數(shù)字表面模型是三維表示的，由于數(shù)字表 面模型是一片點集，在計算機(jī)上編輯難于確認(rèn)三維物體的輪廓界線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種構(gòu)建三維建筑物場景的方法，通過獲取航空影
像，使用相關(guān)設(shè)備生成真正射影像(TrueOrthoimage)和數(shù)字表面模 型(DSM)，通過坐標(biāo)對應(yīng)的方式使得建立的三維物體模型具有真實紋 理，達(dá)到快速、高精度的重建三維地理場景的目的。
本發(fā)明的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法，具體 包括以下步驟
1) 通過真正射影像提取建筑物頂面，得到平面矢量圖形，同時得 到矢量的平面坐標(biāo)；
2) 對步驟l)中得到的平面矢量圖形分別進(jìn)行建筑物頂面多邊形 三角化處理和地面多邊形三角化處理，并結(jié)合數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)和數(shù) 字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行高程讀取，生成建筑物模型和地面模型；3)將建筑物模型和地面模型組合生成三維場景模型；
4 )將三維建筑物模型與真正射影像進(jìn)行紋理映射疊加，生成三維
建筑物場景效果圖。
其中，提取建筑物頂面可以使用常用的矢量化制圖工具勾繪建筑 物輪廓線，'得到一個不帶高程Z值的平面矢量圖形文件。
得到的平面矢量圖形文件，是關(guān)于建筑物的平面位置信息，要正 確地把建筑物三維表現(xiàn)出來，就要結(jié)合數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型 來獲取建筑物頂面高度和地面高度；該方法是把建筑物頂面多邊形和 地面多邊形三角化，主要使用Delaunay三角剖分技術(shù)，而對于雙層塔 式屋頂面結(jié)構(gòu)，則使用帶洞多邊形的Delaunay三角剖分技術(shù)。對于建 筑物頂面為三角形的，先計算縮小的三角形，如果是平面則取三角形 中點高度，如果是多個三角形則取平均值，如果是傾斜三角面，則求 得平面方程，進(jìn)一步求得原來各頂點的高程；結(jié)合數(shù)字表面模型數(shù)據(jù) 和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)計算并確定建筑物頂面各點的三維坐標(biāo)。
建筑物的高程包括兩部分頂面高程和底面高程。建筑物模型的 頂面多邊形和底面多邊形形狀相同，其中頂面的高程值需要從DSM數(shù) 據(jù)文件中讀取到，底面的高程值直接從DEM數(shù)據(jù)文件中讀取。
本發(fā)明所述的紋理映射技術(shù)是指將一個紋理圖像用函數(shù)映射到三 維物體表面來描述景物的表面細(xì)節(jié)，是真實感圖形生成的有效途徑。 二維紋理定義在一平面區(qū)域內(nèi)，它可以用數(shù)學(xué)函數(shù)解釋地表示，亦可 以用各種數(shù)字化圖像來離散定義。該平面區(qū)域上的每一點處均定義有 一灰度值或顏色值，稱該平面區(qū)域為紋理空間。在圖形繪制時，應(yīng)用 紋理映射方法可方《更地確定景物表面上任一可見點在紋理空間中的對 應(yīng)位置；該對應(yīng)位置所定義的紋理值或顏色值即描述了景物表面在所述點處的紋理屬性，如表面法向量、漫反射系數(shù)等。
由于采用了上述技術(shù)方案，使得本發(fā)明具備如下技術(shù)效果 (1)本發(fā)明的建筑物模型是在真正射影像上提取建立的，其是利 用數(shù)字微分糾正技術(shù)，改正了原始航空影像的幾何變形，經(jīng)過影像重 采樣后的影像視角都被糾正為垂直視角，與傳統(tǒng)的正射影像相比，在 大比例尺影像圖中，避免了高大建筑的傾斜對其它地面物體的遮擋， 在拼接地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑自然的過渡；
(2 )本發(fā)明的真正射影像與數(shù)字表面模型的坐標(biāo)關(guān)系存在一個接 近正直投影的對應(yīng)關(guān)系，其三維坐標(biāo)與數(shù)字表面^i型同樣存在一個直 接的對應(yīng)關(guān)系，同時本發(fā)明還對不同形狀的建筑物頂面多邊形和地面 多邊形進(jìn)行了不同的三角化處理，從而使得到的三維場景模型更加精 確真實；
(3)本發(fā)明將三維建筑物模型與真正射影像進(jìn)行紋理映射疊加， 由于得到的三維場景模型位置關(guān)系精確，容易確定紋理坐標(biāo)，紋理映 射疊加后生成的三維建筑物場景效果圖也更加準(zhǔn)確，色彩自然，輪廓
清晰；
(4 )本發(fā)明全部操作均有可由計算機(jī)完成，加快了三維建筑場景 的建模速度，減少了模型貼圖的手工操作時間；
(5 )本發(fā)明是使用整個區(qū)域的真正射影像作為對象，不需要進(jìn)行 影像建筑物頂面的裁剪，各個建筑物頂面會根據(jù)坐標(biāo)自動紋理映射。 因而可以對一特定區(qū)域進(jìn)行一次整體的建模與紋理映射，得到真實有 效的三維視覺效果，大大降低了場景建才莫的工作量。
總之，通過本發(fā)明方法得到的三維建筑物場景幾乎不存在位置上 的錯移，輪廓清晰自然，精度高，建模速度塊，工作量小。


圖l是傳統(tǒng)正射影像與真正射影像比較圖，其中圖1A是傳統(tǒng)正射 影像圖，圖IB是真正射影像圖2為本發(fā)明的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法 流程圖3是提取矢量輪廓線示意圖，其中圖3A是真正射影像圖，圖3B 是對3A提取矢量輪廓線的示意圖；；
圖4是從真正射影像上矢量化建筑頂面示意圖5是建筑物頂面矢量圖形；
圖6是數(shù)字表面模型文件格式示意圖7是獲取高度信息示意圖8是三角化示意圖，其中圖8A是簡單建筑頂面三角化示意圖， 圖8B是雙層塔式建筑頂面三角化示意圖9是將屋頂多邊形三角化后縮小三角形示意圖IO是建筑物模型結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖IOA是頂面圖，圖IOB是 側(cè)面展開圖ll是地面模型結(jié)構(gòu)示意圖12是單建筑的三角化處理示意圖13是單個建筑頂面紋理映射示意圖14是整個建筑物場景模型與真正射影像的對應(yīng)關(guān)系圖15是真正射影像與三維建筑物模型紋理映射疊加圖，其中圖 15A是三維矢量模型圖，圖15B是真正映射像圖，圖15C是紋理映射 效果圖；圖16是整個三維建筑物場景的效果圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明的較佳實施例。 根據(jù)本發(fā)明的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法， 具體包括以下步驟
1) 通過真正射影^象提取建筑物頂面，得到平面矢量圖形，同時得 到矢量的平面坐標(biāo)
使用法國的像素工廠(Pixel Factory)系統(tǒng)設(shè)備處理航空影像， 生成真正射影像、數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型，三者是各自獨立的 產(chǎn)品，同時它們之間存在關(guān)聯(lián)。
然后使用ESRI公司的ArcGIS軟件對真正射影像進(jìn)行矢量化，即 用直線連接角點，得到一個不帶高程Z值的平面矢量圖形文件。
如圖3所示為提取矢量輪廓線示意圖。其中圖3A為真正射影像， 圖3B在圖3A基礎(chǔ)上勾繪建筑物輪廓線，即用直線連結(jié)角點，從圖3A 可以清晰看出建筑物的角點輪廓，圖3B將各角點連結(jié)，勾繪完成后得 到一個不帶高程Z值的平面矢量圖形文件。
2) 對步驟1)中得到的平面矢量圖形分別進(jìn)行建筑頂面三角化處 理和地面多邊形三角化處理，并結(jié)合數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模 型數(shù)據(jù)生成建筑物模型和地面模型
矢量化結(jié)束后最終得到的是關(guān)于建筑物的平面位置信息，要正確 地把建筑物三維表現(xiàn)出來，就要結(jié)合數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型來 獲取表面高度和地面高度。數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型的數(shù)據(jù)存儲 格式釆用國際標(biāo)準(zhǔn)的ASCII格式。先計算高程點的平面坐標(biāo)，再求取高程點的高度值。高程點平面坐標(biāo)確定公式如下:
<formula>formula see original document page 10</formula>
X。， Y。為數(shù)字表面模型或數(shù)字高程模型塊左下角起點平面坐標(biāo)， cellsize為數(shù)字表面才莫型或數(shù)字高程;漠型分辨率間距，column和row 分別表示數(shù)據(jù)所在的行列數(shù)。圖6所示為數(shù)字表面模型文件格式示意 圖；xllcenter, yllcenter指示了左下角起點平面坐標(biāo)值497246, 3139213。例如左上角平面坐標(biāo)由公式計算為(497246,3139879 ),數(shù) 字表面模型高度值為75. 0。
根據(jù)建筑物頂面的角點平面坐標(biāo)來獲取高度信息是不可靠的，因 為邊界是高度變化的地方，無法確保獲得的是屋頂?shù)母叨然虻孛娴母?度。更好的辦法是把屋頂多邊形三角化處理，計算縮小的三角形，如 果屋頂是水平面則以三角形中點高度來代替頂面高度，如果是多個三 角形則取平均值，但是有些屋頂并非是水平面的，如屋頂由傾斜三角 面組成在國內(nèi)外都很常見，可靠的方法是求得平面方程，再根據(jù)原多 邊形各頂點的平面坐標(biāo)計算高程坐標(biāo)。
對于帶建筑頂面的地面多邊形各頂點的高程坐標(biāo)可以直接從數(shù)字 表面模型和數(shù)字高程模型中讀取得到。建筑物的高程包括兩部分頂 面高程和底面高程。建筑物模型的頂面多邊形和底面多邊形形狀相同， 其中頂面的高程值需要從DSM數(shù)據(jù)文件中讀取到，底面的高程值需要 從DEM數(shù)據(jù)文件中讀取到。
三角化技術(shù)主要使用Delaunay三角剖分技術(shù)，對于雙層塔式屋頂 面結(jié)構(gòu)，本方法使用了帶洞多邊形的Delaunay三角剖分算法，洞是指 外多邊形內(nèi)部還含有多邊形。圖8是三角化示意圖，其中圖8A是簡單建筑頂面三角化示意圖， 圖8B是雙層塔式建筑頂面三角化示意如圖9所示為將屋頂多邊形三角化后縮小三角形示意圖，將各個 三角形按一定比例縮小，縮小系數(shù)可設(shè)為0.8。
如下公式1用于求取DSM和DEM高度，直接從數(shù)據(jù)文件中讀??； 公式2用于平面擬合；公式3求取三角形中點坐標(biāo)，再用公式l即可 讀取到DSM和DEM高度。運用此三公式即可計算出建筑物角點的高度 值，這種計算方法是可靠的，縮小的三角形保證了頂點位于建筑物屋 頂面上，因而得到的是屋頂面的高程。
Z-尸U " (公式1)
》=tA;F=t}; (公式3)
3)將建筑物模型和地面模型組合生成三維場景模型 建筑物模型表面可簡單地分為頂面、側(cè)面、底面， 一般來說，底 面與地面重疊，無需描述底面，因而模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存放順序一般為 {頂面+側(cè)面};三角化后地面模型將生成Delaunay三角網(wǎng)，將兩個模 型組合起來就能得到三維建筑物場景模型。
圖IO是建筑物才莫型結(jié)構(gòu)示意圖，建筑物頂面和側(cè)面采用三角形條 帶方式來存儲，即頂點順序走Z字形。頂面頂點存儲順序為{ k， & & ^，側(cè)面上方頂點為Fi-75,下方頂點為f;-^，因為是側(cè)面閉合的， 兩邊界頂點相同，存寸諸順序為(f1'， k， r2, K， r3'， K， F4， f5'，
& w，這里的頂點均是帶三維坐標(biāo)的。
圖12是單建筑的三角化處理示意圖，建筑物模型頂面和側(cè)面經(jīng)過三角化處理后由多個三角面相連4妄構(gòu)成。
圖ll是地面模型結(jié)構(gòu)示意圖，地面模型采用三角形集合的方式來 存儲，如示意圖，實際地面情況要復(fù)雜得多，每個三角形用三個頂點
來表示，圖中僅標(biāo)示了編號為l， 2， 3的三角形，三角形集合為UK, K， W, { K, K, rj, { K， K, W,…，}。
4)將三維建筑物模型與真正射影像進(jìn)行紋理映射疊加，生成三維 建筑物場景效果圖
在圖形繪制時，應(yīng)用紋理映射方法可方便地確定景物表面上任一 可見點P在紋理空間中的對應(yīng)位置(w， 0 ,而(fy， ^處所定義的紋理 值或顏色值即描述了景物表面在P點處的某種紋理屬性，如表面法向 量、漫反射系數(shù)等。如圖13所示為單個建筑頂面紋理映射示意若集合A表示某區(qū)域D上各點三維坐標(biāo)向量的集合
<formula>formula see original document page 12</formula>
集合B為二維影像各像素坐標(biāo)與其灰度(顏色)的集合
其中d為與D相對應(yīng)的影像區(qū)域。
真正射影像與數(shù)字表面模型的坐標(biāo)關(guān)系存在一個接近正直投影的 對應(yīng)關(guān)系。建筑物模型是從真正射影像上提取建立的，其三維坐標(biāo)與 數(shù)字表面模型同樣存在一個直接的對應(yīng)關(guān)系，可以對要表達(dá)的三維場 景模型區(qū)域進(jìn)行一次總體的頂面紋理映射，圖14是整個建筑物場景模 型與真正映射像的對應(yīng)關(guān)系圖。
將真正射影像與三維建筑物模型進(jìn)行紋理映射疊加即得到紋理映 射效果圖如圖15所示，其中圖15A是三維矢量模型圖，圖15B是真正 映射像圖，圖15C是紋理映射效果圖。圖16是整個三維建筑物場景的效果圖。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的較佳實施例和附圖，但是熟悉本 領(lǐng)域技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)， 可作各種替換、變化和潤飾。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于較佳實施例和 附圖所公開的內(nèi)容，本發(fā)明的保護(hù)范圍以所附的權(quán)利要求書所界定的 范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法，具體包括以下步驟1)通過真正射影像提取建筑物頂面，得到平面矢量圖形，同時得到矢量的平面坐標(biāo)；2)對步驟1)中得到的平面矢量圖形分別進(jìn)行建筑物頂面多邊形三角化處理和地面多邊形三角化處理，并結(jié)合數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行高程讀取，生成建筑物模型和地面模型；3)將建筑物模型和地面模型組合生成三維場景模型；4)將三維建筑物模型與真正射影像進(jìn)行紋理映射疊加，生成三維建筑物場景效果圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場 景的方法，其特征在于，所述提取建筑物頂面使用矢量化制圖工具勾 繪建筑物輪廓線。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場 景的方法，其特征在于，所述建筑物頂面多邊形三角化處理和地面多 邊形三角化處理，使用Delaunay三角剖分技術(shù)或帶洞多邊形的 Delaunay三角剖分l支術(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場 景的方法，其特征在于，所述建筑物頂面三角化處理后，先進(jìn)行縮小三角形處理，然后結(jié)合數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，對建筑物頂面是水平面的取三角形中點高度；多個三角形取平均值；對建 筑物頂面是傾斜三角面的，求取平面方程，計算并確定建筑物頂面各 點的三維坐標(biāo)，根據(jù)三維坐標(biāo)生成建筑物模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場 景的方法，其特征在于，所述地面多邊形三角化處理后，結(jié)合數(shù)字高 程模型數(shù)據(jù)生成地面模型。'
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過真正射影像快速構(gòu)建三維建筑物場景的方法，具體包括以下步驟1)通過真正射影像提取建筑物頂面，得到平面矢量圖形，同時得到矢量的平面坐標(biāo)；2)對步驟1)中得到的平面矢量圖形分別進(jìn)行建筑頂面三角化處理和地面多邊形三角化處理，并結(jié)合數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)生成建筑物模型和地面模型；3)將建筑物模型和地面模型組合生成三維場景模型；4)將三維建筑物模型與真正射影像進(jìn)行紋理映射疊加，生成三維建筑物場景效果圖。本方法加快了三維建筑場景的建模速度，減少了模型貼圖的手工操作時間。利用本方法，可以對一特定區(qū)域進(jìn)行一次整體的建模與紋理映射，得到真實有效的三維視覺效果，大大降低了場景建模的工作量。
文檔編號G01C11/00GK101290222SQ200810114958
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者關(guān)鴻亮, 江恒彪 申請人:北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司