一种地形地貌三维动态模拟显示方法和系统与流程

本发明涉及地理信息技术领域，具体而言，涉及一种地形地貌三维动态模拟显示方法和系统。

背景技术：
地形地貌是指地势高低起伏的变化，作为室外场景的常见表现内容，地形地貌不仅能够作为虚拟场景的主要背景，还能够为场景中的其它元素提供定位标准，具有十分重要的作用。如何对地形地貌进行准确表达（例如以电子图像的形式显示），是本领域技术人员的重要研究课题之一。传统的地形地貌表达方式往往是静态的，即在整个场景的模拟过程中，地形数据一经载入就不能进行修改。然而，随着人们对三维场景真实感要求的不断提高，地形地貌的静态表达方式已经不能满足大众的需求。在这种背景下，动态地形的概念于近些年被提出来，其定义为：随应用环境而能够动态改变的具有几何属性和非几何属性的地形。与静态地形相比较，动态地形具有更好的真实感，能够更逼真的反映模拟场景中地表随时间的变化状况。动态地形可视化研究的目的在于增强仿真模拟场景的真实感和沉浸感。目前，对动态地形可视化的研究尚处于起步阶段。相关技术中，一种动态地形建模和实时可视化方式为基于多分辨率LOD的动态地形可视化方法。基于多分辨率LOD实现动态地形的方法通常采用多分辨率LOD构建地形模型，通过假定地形变化的几何数据和纹理数据来表现动态地形效果。然而该方法大多局限于小场景的地形表达，并不支持大规模地形绘制。综上，相关技术中的动态地形表达方法，存在不支持大规模地形绘制的技术缺陷。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种地形地貌三维动态模拟显示方法和系统，以解决上述的问题。在本发明的实施例中提供了一种地形地貌三维动态模拟显示方法，包括步骤：步骤A，预先采集将被显示地形地貌的空间属性信息；步骤B，将采集的所述空间属性信息中所记载的真实时间通过多个第一时间节点进行分隔，将进行三维动态模拟显示的模拟时间通过多个第二时间节点进行分隔，按照时间长度比例关系将真实时间与模拟时间映射到同一时间轴上；步骤C，根据所述第一时间节点对应的空间属性信息以及第一时间节点与第二时间节点在所述时间轴上的位置关系，线性计算第二时间节点的空间属性信息，对第二时间节点进行空间属性信息的线性插值；步骤D，遍历时间轴上的每一个第二时间节点，显示相应的第二时间节点对应的空间属性信息并刷新。其中，所述空间属性信息包括DEM数据和DOM数据。其中，所述步骤A之前还包括：预先设置进行三维动态模拟显示的第二起始时间节点和第二终止时间节点以及模拟时间间隔。其中，所述步骤B包括步骤：读取所述DEM数据与DOM数据，根据其所记载的真实时间，从第一起始时间节点到第一终止时间节点分别赋值为T1，T2，......，Ti，......Tn-1，Tn；根据预设的第二起始时间节点、第二终止时间节点和模拟时间间隔，从第二起始时间节点开始，将模拟时间按所述模拟时间间隔进行均匀分隔，每一个分隔点记录为一个第二时间节点，从第二起始时间节点开始到第二终止时间节点，分别赋值为t1，t2，......，tk，......tm-1，tm，模拟时间间隔记为△t；根据第一起始时间节点T1、第一终止时间节点Tn和第二起始时间节点t1、第二终止时间节点tm，分别计算真实时间总范围与模拟时间总范围，根据真实时间总范围与模拟时间总范围的比值关系，建立真实时间与模拟时间的映射关系，将真实时间按比例进行缩放，把第一时间节点与第二时间节点统一到同一时间轴下。其中，所述DEM数据包括高程值H，所述DOM数据包括每个像素点的透明度信息A、红色信息R、绿色信息G和蓝色信息B。其中，所述步骤C包括步骤：从第一起始时间节点T1开始，依次提取时间轴上任意两个相邻的第一时间节点Ti与Ti+1，i=1，2，......n-2，n-1，以及相应第一时间节点上的真实像素值DOMi（Ai，Ri，Gi，Bi）、DOMi+1（Ai+1，Ri+1，Gi+1，Bi+1）和真实高程值DEMi（Hi）、DEMi+1（Hi+1）；按照如下公式，计算时间段Ti～Ti+1上的时间差值△ti、像素值差值△DOMi与高程值差值△DEMi：△Ti=Ti+1-Ti△DOMi=DOMi+1-DOMi△DEMi=DEMi+1-DEMi根据计算出的时间差值△ti与像素值差值△DOMi，建立时间与DOM像素值间的映射关系，构建DOM过程值生成函数，如下公式所示：根据计算出的时间差值△ti与高程值差值△DEMi，建立时间与DEM高程值间的映射关系，构建DEM过程值生成函数，如下公式所示：分别通过DOM过程值生成函数与DEM过程值生成函数依次计算时间段Ti～Ti+1范围内所有第二时间节点的DOM像素插值与DEM高程插值，对时间段Ti～Ti+1范围内的各个第二时间节点进行DOM与DEM的线性插值。本发明实施例还提供一种地形地貌三维动态模拟显示系统，包括采集模块和显控模块；所述采集模块，用于预先采集将被显示地形地貌的空间属性信息；所述显控模块，用于将采集的所述空间属性信息中所记载的真实时间通过多个第一时间节点进行分隔，将进行三维动态模拟显示的模拟时间通过多个第二时间节点进行分隔，按照时间长度比例关系将真实时间与模拟时间映射到同一时间轴上；并根据所述第一时间节点对应的空间属性信息以及第一时间节点与第二时间节点在所述时间轴上的位置关系，线性计算第二时间节点的空间属性信息，对第二时间节点进行空间属性信息的线性插值；之后遍历时间轴上的每一个第二时间节点，显示相应的第二时间节点对应的空间属性信息并刷新。其中，还包括用户交互界面；所述用户交互界面，用于预先设置进行三维动态模拟显示的第二起始时间节点和第二终止时间节点以及模拟时间间隔。其中，所述显控模块，用于：读取所述DEM数据与DOM数据，根据其所记载的真实时间，从第一起始时间节点到第一终止时间节点分别赋值为T1，T2，......，Ti，......Tn-1，Tn；根据预设的第二起始时间节点、第二终止时间节点和模拟时间间隔，从第二起始时间节点开始，将模拟时间按所述模拟时间间隔进行均匀分隔，每一个分隔点记录为一个第二时间节点，从模拟起始时间节点开始到模拟终止时间节点，分别赋值为t1，t2，......，tk，......tm-1，tm，模拟时间间隔记为△t；根据第一起始时间节点T1、第一终止时间节点Tn和第二起始时间节点t1、第二终止时间节点tm，分别计算真实时间总范围与模拟时间总范围，根据真实时间总范围与模拟时间总范围的比值关系，建立真实时间与模拟时间的映射关系，将真实时间按比例进行缩放，把第一时间节点与第二时间节点统一到同一时间轴下。其中，所述显控模块，用于：从第一起始时间节点T1开始，依次提取时间轴上任意两个相邻的第一时间节点Ti与Ti+1，i=1，2，......n-2，n-1，以及相应第一时间节点上的真实像素值DOMi（Ai，Ri，Gi，Bi）、DOMi+1（Ai+1，Ri+1，Gi+1，Bi+1）和真实高程值DEMi（Hi）、DEMi+1（Hi+1）；按照如下公式，计算时间段Ti～Ti+1上的时间差值△ti、像素值差值△DOMi与高程值差值△DEMi：△Ti=Ti+1-Ti△DOMi=DOMi+1-DOMi△DEMi=DEMi+1-DEMi根据计算出的时间差值△ti与像素值差值△DOMi，建立时间与DOM像素值间的映射关系，构建DOM过程值生成函数，如下公式所示：据计算出的时间差值△ti与高程值差值△DEMi，建立时间与DEM高程值间的映射关系，构建DEM过程值生成函数，如下公式所示：分别通过DOM过程值生成函数与DEM过程值生成函数依次计算时间段Ti～Ti+1范围内所有第二时间节点的DOM像素插值与DEM高程插值，对时间段Ti～Ti+1范围内的各个第二时间节点进行DOM与DEM的线性插值。本发明上述实施例的一种地形地貌三维动态模拟显示方法和系统，通过采集实际的地形地貌的空间属性信息，建立采集数据时的真实时间与动态显示的模拟时间的映射关系，通过对第二时间节点进行线性插值，这样，在模拟显示的帧间距小于采集空间属性信息时的帧间距时，可以在采集的真实图像帧数据之间补足模拟帧数据，从而进行更高图像精度的模拟显示，此种方式由于不受采集区域的大小限制，因此无论对于小场景还是大规模场景，此种方式均适用。附图说明图1为本发明的一种地形地貌三维动态模拟显示方法的一个实施例的流程图；图2为本发明的一种地形地貌三维动态模拟显示系统的一个实施例的结构示意图。具体实施方式下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。本发明实施例提供了一种地形地貌三维动态模拟显示方法，通过一个时间轴对象，利用空间属性线性插值，控制、模拟并实现真实世界地形地貌的动态三维可视化。其实现主要包括3个部分：可视化模拟时间轴建立，时间元素初始化；空间属性线性插值计算；动态三维可视化显示。具体地，参见图1所示，包括步骤：步骤S110：预先采集将被显示地形地貌的空间属性信息。在本发明实施例中，优选地，所述空间属性信息包括地形数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）数据、地貌数字正射影像（DigitalOrthophotoMap，DOM）数据。在本发明中，除非特别说明，所述DEM数据均指地形数字高程模型数据，DOM数据均指地貌数字正射影像数据。步骤S111：将采集的所述空间属性信息中所记载的真实时间通过多个第一时间节点进行分隔，将进行三维动态模拟显示的模拟时间通过多个第二时间节点进行分隔，按照时间长度比例关系将真实时间与模拟时间映射到同一时间轴上。本方法通过构建一个时间轴对象，直观控制、模拟并实现真实世界地形地貌的动态三维可视化。该时间轴对象所含元素包括：起始真实时间（第一起始时间节点）、终止真实时间（第一终止时间节点）、起始模拟时间（第二起始时间节点）、终止模拟时间（第二终止时间节点）、模拟时间间隔。在本发明中，所述真实时间，即为数据采集过程中所真实经历的时间，第一时间节点为真实时间轴上的、用于将真实时间进行分隔的时间节点，即真实时间节点；而第一起始时间节点和第一终止时间节点，则分别为真实时间轴上的起始时间节点和终止时间节点。所述模拟时间，即动态三维展示地形地貌时的模拟显示时间，所述第二时间节点，为模拟时间轴上的、用于将模拟时间进行分隔的时间节点；而第二起始时间节点和第二终止时间节点，则分别为模拟时间轴上的起始时间节点和终止时间节点。模拟时间的长短可以设定，按照实际需要，模拟时间可以大于真实时间也可以小于真实时间，例如，真实时间为一天的地形地貌的影像数据，可以在十分钟的模拟时间内进行快速展示，而真实时间为十分钟的地形地貌影像数据，可以在20分钟或者更长的模拟时间内进行展示。具体地，作为一种可实施方式，从真实时间到模拟时间的映射过程包括步骤：首先，是真实时间节点构建立。读取所述DEM数据与DOM数据，根据其所记载的真实时间信息，将真实时间均匀分隔为多个第一时间节点，从第一起始时间节点到第一终止时间节点分别赋值为T1，T2，......，Ti，......Tn-1，Tn。即，根据读入数据的不同时间属性，定义时间轴上的真实时间节点，即T1，T2，......，Ti，......Tn-1，Tn，其中T1为真实时间节点中的最小时间值，Tn为最大时间值。将起始真实时间赋值为T1，终止真实时间赋值为Tn。其次，是模拟时间节点构建。根据预设的第二起始时间节点、第二终止时间节点和模拟时间间隔，从第二起始时间节点开始，将模拟时间按所述模拟时间间隔进行均匀分隔，每一个分隔点记录为一个第二时间节点，从第二起始时间节点开始到第二终止时间节点，分别赋值为t1，t2，......，tk，......tm-1，tm，模拟时间间隔记为△t。也就是说，根据按用户需求定义的起始模拟时间t1、终止模拟时间tm以及模拟时间间隔△t计算模拟时间节点。从起始模拟时间t1开始，将模拟时间段t1至tm按间隔△t进行均匀分割，每一个分段点记录为一个模拟时间节点，模拟时间节点：t1，t2，......，tk，......tm-1，tm。之后，建立真实时间与模拟时间的映射关系，将真实时间节点与模拟时间节点统一到模拟时间轴下。根据第一起始时间节点T1、第一终止时间节点Tn和第二起始时间节点t1、第二终止时间节点tm，分别计算真实时间总范围与模拟时间总范围，根据真实时间总范围与模拟时间总范围的比值关系，建立真实时间与模拟时间的映射关系，将真实时间按比例进行缩放，把第一时间节点与第二时间节点统一到同一时间轴下。也就是说，首先根据起始真实时间T1、终止真实时间Tn和起始模拟时间t1、终止模拟时间tm，分别计算真实时间总范围与模拟时间总范围，其次根据真实时间总范围与模拟时间总范围的比值关系，建立真实时间与模拟时间的映射关系，即将真实时间按比例进行缩放，把真实时间节点与模拟时间节点统一到同一个时间轴下。其中，模拟时间的起始时间节点和终止时间节点，以及模拟时间间隔，可由用户自行输入或者选择。模拟时间间隔，也就是进行模拟显示时每帧图像之间的帧间距。因此，在进行模拟显示前，应预先设置进行三维动态模拟显示的第二起始时间节点和第二终止时间节点以及模拟时间间隔。而真实时间的时间间隔，由实际的数据采集时的本身时间属性决定。步骤S112：根据所述第一时间节点对应的空间属性信息以及第一时间节点与第二时间节点在所述时间轴上的位置关系，线性计算第二时间节点的空间属性信息，对第二时间节点进行空间属性信息的线性插值。由于获取到的DEM、DOM数据在时间维度上的分辨率不一定能满足真实的可视化地形地貌变化的需求，因此需要对真实时间节点的DOM、DEM数据进行线性插值，补足时间轴上的属性信息。当进行模拟显示的模拟时间大于真实时间，而每秒播放画面的帧数不变时，则为了保证视频播放的连续性和画面精度，需要在采集的真实图像帧数据之间补足模拟帧数据，即进行线性插值。或者进行模拟显示时，要求每秒播放的帧数大于采集时的帧数，则即使模拟时间等于真实时间，也需要对模拟数据进行线性插值。另一种是，当进行模拟显示的模拟时间小于真实时间时，即真实数据相对盈余时，则可根据模拟时间轴和真实时间轴的线性对应关系，舍弃真实时间轴上的一些节点数据，并根据真实时间轴上的节点数据进行线性计算，对模拟时间轴上的一些节点数据进行补足。其中作为一种可实施方式，本发明实施例中，DOM数据包括每个像素的透明度信息A、红色信息R、绿色信息G、蓝色信息B，DEM数据包括高程值H。空间属性线性插值计算包括DOM像素值插值计算以及DEM高程值插值计算，具体步骤如下：从第一起始时间节点T1开始，依次提取时间轴上任意两个相邻的第一时间节点Ti与Ti+1，i=1，2，......n-2，n-1，以及相应第一时间节点上的真实像素值DOMi（Ai，Ri，Gi，Bi）、DOMi+1（Ai+1，Ri+1，Gi+1，Bi+1）和真实高程值DEMi（Hi）、DEMi+1（Hi+1）；按照如下公式，计算时间段Ti～Ti+1上的时间差值△ti、像素值差值△DOMi与高程值差值△DEMi：△Ti=Ti+1-Ti△DOMi=DOMi+1-DOMi△DEMi=DEMi+1-DEMi其中，所述△DOMi包括△Ai、△Ri、△Gi、△Bi。△DEMi包括△Hi。根据计算出的时间差值△ti与像素值差值，建立时间与DOM像素值间的映射关系，构建DOM过程值生成函数，如下公式所示：根据计算出的时间差值△ti与高程值差值△DEMi，建立时间与DEM高程值间的映射关系，构建DEM过程值生成函数，如下公式所示：分别通过DOM过程值生成函数与DEM过程值生成函数依次计算时间段Ti～Ti+1范围内所有第二时间节点的DOM像素插值与DEM高程插值，对时间段Ti～Ti+1范围内的各个第二时间节点进行DOM与DEM的线性插值。步骤S113：遍历时间轴上的每一个第二时间节点，显示相应的第二时间节点对应的空间属性信息并刷新。从模拟时间轴的起始时间节点开始，遍历每一个时间节点，包括真实时间节点与模拟时间节点，依次在计算机视图中显示相应节点对应的空间属性信息并刷新视图，实现DEM和DOM随时间推移的协同变化，通过动态三维快速渲染，直观生动的反映现实世界中地形地貌的时间特征和变化规律。本发明实施例还提供一种地形地貌三维动态模拟显示系统，包括采集模块1和显控模块2。所述采集模块1，用于预先采集将被显示地形地貌的空间属性信息。所述显控模块2，用于：将采集的所述空间属性信息中所记载的真实时间通过多个第一时间节点进行分隔，将进行三维动态模拟显示的模拟时间通过多个第二时间节点进行分隔，按照时间长度比例关系将真实时间与模拟时间映射到同一时间轴上；根据所述第一时间节点对应的空间属性信息以及第一时间节点与第二时间节点在所述时间轴上的位置关系，线性计算第二时间节点的空间属性信息，对第二时间节点进行空间属性信息的线性插值，遍历时间轴上的每一个第二时间节点，显示相应的第二时间节点对应的空间属性信息并刷新。其中，该系统还包括用户交互界面。所述用户交互界面，用于预先设置进行三维动态模拟显示的第二起始时间节点和第二终止时间节点以及模拟时间间隔。优选地，在本发明实施例中，所述显控模块2，用于：读取所述DEM数据与DOM数据，根据其所记载的真实时间，从第一起始时间节点到第一终止时间节点分别赋值为T1，T2，......，Ti，......Tn-1，Tn；根据预设的第二起始时间节点、第二终止时间节点和模拟时间间隔，从第二起始时间节点开始，将模拟时间按所述模拟时间间隔进行均匀分隔，每一个分隔点记录为一个第二时间节点，从模拟起始时间节点开始到模拟终止时间节点，分别赋值为t1，t2，......，tk，......tm-1，tm，模拟时间间隔记为△t；根据第一起始时间节点T1、第一终止时间节点Tn和第二起始时间节点t1、第二终止时间节点tm，分别计算真实时间总范围与模拟时间总范围，根据真实时间总范围与模拟时间总范围的比值关系，建立真实时间与模拟时间的映射关系，将真实时间按比例进行缩放，把第一时间节点与第二时间节点统一到同一时间轴下。优选地，在本发明实施例中，所述显控模块2，用于：从第一起始时间节点T1开始，依次提取时间轴上任意两个相邻的第一时间节点Ti与Ti+1，i=1，2，......n-2，n-1，以及相应第一时间节点上的真实像素值DOMi（Ai，Ri，Gi，Bi）、DOMi+1（Ai+1，Ri+1，Gi+1，Bi+1）和真实高程值DEMi（Hi）、DEMi+1（Hi+1）；按照如下公式，计算时间段Ti～Ti+1上的时间差值△ti、像素值差值△DOMi与高程值差值△DEMi：△Ti=Ti+1-Ti△DOMi=DOMi+1-DOMi△DEMi=DEMi+1-DENi根据计算出的时间差值△ti与像素值差值△DOMi，建立时间与DOM像素值间的映射关系，构建DOM过程值生成函数，如下公式所示：根据计算出的时间差值△ti与高程值差值△DEMi，建立时间与DEM高程值间的映射关系，构建DEM过程值生成函数，如下公式所示：分别通过DOM过程值生成函数与DEM过程值生成函数依次计算时间段Ti～Ti+1范围内所有第二时间节点的DOM像素插值与DEM高程插值，对时间段Ti～Ti+1范围内的各个第二时间节点进行DOM与DEM的线性插值。相关技术中的基于多分辨率LOD的动态地形可视化方法，除了不适应大规模场景以外，且地形地貌仅具备简单纹理，没有结合真实的物理模型，对地形地貌的表达缺乏真实感。本发明实施例的技术方案，通过对模拟时间节点进行线性插值，补足真实数据采集的数据空白点，使得画面显示连续性更好，更加真实。此外，相关技术中，还有一种方法，是基于粒子系统与物理属性结合的动态地形可视化方法，主要通过将地形细分成若干粒子，采用参数控制的等体积变形方法实现动态地形效果。但是，在大规模地形场景中，随着场景规模的增大，场景内部的粒子数量会成平方倍增加，致使系统负载迅速增加，难以达到地形表达实时交互的目的。而本发明实施例的技术方案，基于DEM和DOM数据基础之上进行处理运算，仅需要进行简单的线性计算，运算难度小，运算量小，运用于大规模场景时，也不会大量增加系统负载，可实施性较好。除上述两种方式外，其他针对静态地形或简单的动态地形的仿真模拟算法，大多是以假定地形表面各处的几何属性和非几何属性在整个场景模拟过程中不发生变化为基础而实现的。基于该种假设可以减少绘制帧循环时的计算量，从而达到实时性要求，但是许多实际用例中，地形表面各处的几何属性和非几何属性并不是一成不变的，并不满足这样的假定条件，显然这些算法没有真实地表达地形地貌的动态变化，在场景模拟过程中已经不能满足大规模地形实时、逼真可视化的要求。而本发明实施例所提供的方案，首先采集的DEM数据和DOM数据是实时更新的，在此基础上还进行实时的数据补充处理，使得模拟画面更加真实。本发明为大场景动态地形的动态三维可视化提供了技术性框架，具有较高的稳健性和较好的拓展性。所述方法能够实现大场景地形地貌变化的动态可视化，有效解决了现有动态地形可视化技术无法支持大场景动态地形、不能满足地形实时变化的技术缺陷。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。