航道三维仿真电子图的制作方法

专利名称：航道三维仿真电子图的制作方法
技术领域：
本发明属于电子三维仿真技术，具体涉及一种航道三维仿真电子图。
背景技术：
计算机三维(3D)显示技术的不断发展，地图符号形象化的要求日渐迫切。地图符号的抽象化和形象这对矛盾在相互对立而又螺旋式上升的发展过程中向三维形象化回归，导致了空间信息三维可视化成为GIS发展的重要特征之一。三维可视化技术使传统二维的、静态的地图表示向三维的、动态的场景表示方向发展，利用虚拟现实(VR)技术在空间数据库支持下可以构建虚拟环境，人在进入这一环境后可以利用计算机实现以视觉为主的全方位交互，这是空间数据可视化最有发展前景的新领域，已成为被关注的热点，也是研究、利用数字地球资源的重要工具。近年来，国内外在空间信息三维可视化方面的研究工作 主要集中在以下两个方面运用动画技术制作动态地图，可用于涉及时空变化的现象或概念的可视性分析运用虚拟现实技术进行地形环境仿真，真实再现地景，进行交互观察和分析。目前此方面的研究主要有基于影像(遥感图像、航空图像等)的地形仿真，影像与空间数据库集成的城市景观重建，电子沙盘的制作与应用等。现有的3D GIS研究都集中在三维可视化技术方面.对于更为基础的3D GIS的空间认知问题的研究显得很不够，这在一定程度上也制约了空间信息三维表示技术的进步和3D GIS的工程应用实践。本文主要研究3DGIS中具有重要空间格局与视觉作用的三维模型，三维模型的研究能够促进传统平面地图符号系统的发展，丰富和增强传统地图制图的表达手法，促进地图学理论在三维地理信息表示领域的新应用。

发明内容
明的目的在于提供一种集成数字高程模型(EM)和数字正射影象与常规的矢量数据和各种属性信息在一起，建立一体化的3维数据输入、操作与可视化机制，并在此基础上提出了 3维混合表示的空间查询与分析模型。实现本发明目的的技术方案为航道三维仿真电子图，它是以下述方法形成的利用DEM地形数据和DOM影像数据，3D模型设计数据和航拍模型数据通过CREATOR工具、PHOTOSHOP工具和3DMAX工具编辑后形成FLT地形几何数据和RGB地形纹理，3D模型几何数据和RGB地形纹理再利用FLT地形几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；利用3D模型几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；形成的两个FLT地形数据在VEGA中形成航道三维仿真电子图；其中，DEM地形数据的形成方式为根据已有矢量线划图生成基于矢量线划图来生产DEM或采用全数字摄影测量方法生成在VirtuoZo NT全数字摄影测量系统的环境下，利用数字
影像可自动生成DEM。本航道三维仿真电子图的模型扩展了可视化概念，将可视化技术贯穿于整个GIS运行过程。可视化不仅仅是操作结果的再现，而且也为数据处理、空间查询与分析和各种三维模型操作提供了更加有力的支持，并且可以为GIS提供一个三维逼真的劫态的交互式的运行环境。


图I航道三维仿真电子图系统原理。图2航道三维仿真电子图形成示意图。图3实时绘制流程示意图。
具体实施例方式如图2所示，航道三维仿真电子图产生主要由空间数据库提供的真三维数据经由前端自主开发的界面图形处理软件形成。其中利用DEM地形数据通过CREATOR工具形成FLT地形几何数据，利用DOM影像数据通过PHOTOSHOP工具形成RGB地形纹理；利用3D模型设计数据通过3DSMAX工具形成3D模型几何数据，利用航拍模型数据通过PHOTOSHOP工具形成RGB地形纹理。再利用FLT地形几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；利用3D模型几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；形成的两个FLT地形数据在VEGA中形成航道三维仿真电子图。VEGA是开发实时视觉和听觉仿真、虚拟现实和通用的视频应用软件系统。VEGA及其可选模块在视窗WINDOWS 2003 SERVER操作系统和SGI IRIX操作系统下运行，并支持大量种类的数据库加载器，允许很多种不同的数据库的交互应用，和单或多进程应用的开发。它把先进的仿真功能和易用的工具结合在一起，创建了一种使用最简单，但最具创造力的体系结构，来创建、编辑和运行高性能的实时应用，具有下述优点(I)采用商品化产品减少了风险；(2)采用持续的、兼容的和易用的编程接口 (3)缩短了开发周期；(4)减少了图形的编程时间；(5)容易观察改变参数带来的变化，具有实时优化性能(6)产品的可维护性。数字高程模型的数据生成
DEM数据包括平面位置和高程数据两种信息，可以直接在野外通过全站仪和GPS、激光测距仪等进行测量。也可以间接从航空影象或者遥感图象以及既有的地形图上得到。可以采用以上任意一种数据源来生成DEM数据。生产DEM的方法主要有两种方式一种是基于矢量线划图，根据图中足够数量的高程点和特征(如等高线、山脊线、河坎线等)构建TIN (不规则三角网)进而生成DEM;另一种足直接采用全数字摄影测量方法在立体模型上直接采集特征点、线，自动生成DEM。I、根据已有矢量线划图生成基于矢量线划图来生产DEM。主要指的是根据不同比例尺的地形图来生产相应的DEM。采用这种方法主要是基于充分利用长江航道现有的大量勘测成果，并从节省资金方面考虑。因为作为现有的航道全线各个水道而言，拥有大量从I 500到I 40000的地形图，而且现势性较强，能够比较真实地反映整个长江航道的地形特征。由矢量线划图来生产DEM，针对平坦地区而言，关键在于I 500、I 1000的矢量图上是否能提供足够数量并且分布均匀的高程点；而对于山区而言，则关键在于图面上的等高线和一些坎线、坡线等地形特征线是否完备。因为这些因素关系到最终生成的DEM的精度和质量。所以，在准备资料的时候，就必须对所要用到的所有矢量线划图进行100c}/o的图面检查，对高程点密度不够的区域和地形特征线不完备的地方进行外业补测。只有先具备上述条件后，才可以进行后续工作的实施。基于矢量线划图来生产DEM，大多数人认为只要特征点、特征线足够就可以直接构TIN，生成DEM 了。实际上，根据我们生产过的DEM的经验来看，由矢量线划图作为底图，保留所有的高程点和等高线，然后在AutoCAD Map2000环境下对图面上的道路、农田、河流、沟坎等地形、地貌特征处用三维矢量线进行编辑，尽可能构成特征面，用这样方法得到的三维矢量图来构TIN生成的DEM是比较有效的方法。经过检验，其精度情况很好，能够比较真实地反映地形地起伏变化。2、采用全数字摄影测量方法生成在VirtuoZo NT全数字摄影测量系统的环境下，利用数字影像可自动生成DEM。这种方法主要针对无图区域(没有现成的I 500和I 1000的线划图)，其方法具体分为以下三个步骤
(1)自动完成内定向、相对定向和绝对定向，得到各种定向参数；
(2)自动完成影像匹配。利用基于灰度的影像匹配或基于特征的影像匹配算法，在立体像对重叠部分匹配一定数量的同名像点，由其左右影像坐标及定向参数求出相应的地面坐标，作为生成规则格网状DEM的已知数据点。(3)针对模型中匹配错误的区域进行编辑，然后采用适合的DEM数据内插方法，根据已知数据点内插生成规则格网的DEM或三角网DEM。事实上，为了保证DEM的精度，我们在VirtuoZo NT全数字摄影测量系统的环境下仍然是只做三维数据酌采集，将采集来的三维矢量图导出，最终在GeoTin软件环境下构建TIN，从而生成DEM。为保证格网点精度要求，平坦地区按平均100cm2 有10-25个高程点进行立体三维数据采集，点位选择为铺装路面、地势变换处、面状水域水涯线等对于象山头、洼地、鞍部等地形特征点、特征线(包括山脊线、山谷线、面状水域水涯线、断裂线等)及计曲线也进行立体三维数据采集。至于树高，可以在立体模型上切树顶和树底差为准。另外，凡是用于内插DEM的数据(如视差曲线、像方格网模型等)，均通过与影像立体模型配准，进行人机交互编辑，改正自动匹配造成的误差以及林地、楼宇高差，使之切准地面，去除粗差。数字高程模型的数据生成应注意的问题 UDEM误差的来源与性质
DEM的实际精度主要由原始数据的采集误差和高程误差两方面决定的。DEM的点的误差是数字地面建模过程中所传播的各种误差的综合。它主要受以下几个因素的影响地形表面的特征、原始数据的精度、密度和分布、表面建模的方法等。总体而言，可将误差分为三种即系统误差、偶然误差和粗差。同系统误差、偶然误差相比，粗差实际上是一种错误，它们在测量中出现的可能性很小。但是与前两种误差相比，粗差对数字高程模型所反映的空间变化的扭曲极为严重。在有些情况下，粗差的存在还会导致DEM及其产品严重失真甚至完全不能应用。2、DEM粗差检测的技术方法
传统的粗差处理都是基于平差原理的，如果不存在平差问题，也就不能在平差过程中对粗差进行自动定位。因此要检查DEM数据中的错误，显然要进行更加妥善的处理，而不能简单借用一般的平差方法，同时仅仅分析单个的独立数据也是不够的，只有从整体或局部对数据进行分析处理才能使问题得到解决。目前常用的DEM的数据粗差检测方法主要有以下三种
(I)基于趋势面按照自然地形地貌的成因，绝大多数自然地形表面符合一定的自然趋势，表现为连续的空间渐变模型，并且，这种连续变化可以用一种光滑的数学表面一趋势面来加以描述。对粗差的检测，可以通过模型误差即实际观测值与趋势面计算值(模型值)之差来判定其是否属于异常数据。由此可见，可以采用趋势面分析找出偏离总趋势超过一定阂值的可疑数据。通过趋势面分析可以找出大部分可疑数据，从而把问题局部化、简单化。但是，趋势面分析的一个缺点就是尽管可以找出可疑数掘，但不能确定数据是否是真正的粗差。(2)基于坡度信息由于坡度是地表面的一个基本属性，因此可利用坡度的连续性和一致性来检测格网数据中的粗差。如果在一个点的周围一定局部区域内约束的坡度和允许坡度变化量大于给定的约束条件(阈值)，我们就可以认为该点可能存在粗差。这就是基于局部区域的坡度约束技术的原理。(3)可视化方法采用DEM三维可视化技术，该方法可以交互式地来检查DEM中出现的可疑数据，并剔除严重影响数据质量的粗差或错误。一般对于一个特定的研究区域，在三 维透视图上可疑点是否表现
为粗差非常直观，很容易据此做出正确地判断。实际上，由于DEM有着非常适宜于建立三维可视化的特点，所以可以首先通过目视效果对粗差进行检测。通常有粗差的地形是很不自然的。因此在实际应用中，可以首先通过目视进行粗差的检测。以上三种粗差的检测方法各有特色。3、DEM的质量检查为了确保DEM的精度符合要求，在DEM的生产环节上必须制定严格的质量检查程序
DEM的质量检查内容大致包括以下三个方面DEM的形态检查、DEM的精度检查和DEM的完整性检查。(I) DEM形态检查a)利用DEM数据，进一步生成同范围的数字正射影像，目视检查数字影像，若无变形、扭曲等现象发生，则DEM进入下工序检查，否则在立体模型上对DEM进行编辑、修改，直到符合精度要求。b)根据DEM数据，生成一定间距的等高线，将之与正射影像进行叠加，目视检查等高线有无突变情况，对突变处均在立体模型上进行DEM的编辑、修改；就地势平缓区域，则采用格网点分色显示，对层色较密集的地方。返回立体模型检查DEM是否存在粗差点，并对DEM进行编辑、修改，使之贴近地面。(2) DEM精度检查a)同名格网点高程精度的检测在各测区中，任意抽取一定比例的DEM图幅，按静态方式采用DEM格网点作为参考点，在VirtuoZo全数字摄影测量工作站上立体采集这些同名格网点的高程，两值进行比较，根据其差值统计出DEM格网点高程中误差；b)高程注记点的检测在测区中按2%的比例随机抽取DEM图幅，在所抽取的每幅图中按均匀分布的原则布设检测点，点数视具体惰况而定。在野外实测这些点的高程，然后将之与对应DEM的附加矢量文件中相应位置的注记点高程做比较，来检验DEM的精度情况；c) DEM插求点精度检测用野外散点法对DEM插求点进行精度检测。为确保检查的全面性和代表性，随机抽取各测区5%比例的图幅，用GPS-RTK和全站仪设站测定检测点三维坐标，内业取其对应位置高程(内插值)，并计算出内插值与实测值差值和中误差；d)DEM接边差的检查对于编辑好的DEM通过GeoTIN检查相邻图幅DEM间重叠部分同名点的差值检查接边精度，系统自动计算并显示接边中误差、总点数、误差分布统计及最大接边差点位。当接边中误差不超过S ( S为相应地形DEM中误差)且最大接边差不超过2 δ时，由GeoTIN自动接边，取其中数作为格网点高程，否则，在立体模型上对相应位置点位进行编辑，直到符合要求，确保了 DEM图幅接边的正确性。(3) DEM完整性检查主要检查DEM的覆盖范围是否正确，两数字高程模型间相邻行(列)格网点平面坐标是否连续，高程是否符合地形连续的总体特征，生成的DEM中间是否存在漏洞等。方法是利用该DEM进一步生成数字正射影像，检查数字影像的范围及其中有无黑洞。再时数据进行处理时，大范围(区域)场景的复杂程度取决于可见的数量和与分辨率相关的景物显示细节。因此，快速将所需的相关信息调入内存是场号管理的首要任务，也是本系统的一个重要内容。绘制后续的实时图形，实时绘制流程示意图如图3所示。同时，考虑给主机预留出额外的资源，解决图形负载的动态变化及调整场景数据库。从而搭建了数据库。图形绘制算法还涉及到可见性计算，通过计算将位于视域四棱锥内的物体投射到 观察者中，使场景管理区始终在一定的模型数据数量内。对于复杂的地形，则选择LOD算法，实现近处部分的网格精细，而远处的网格粗糙。在实时场景绘制时，程序应根据一定的标准选择一个适当层次的模型来绘制号物。普遍的LOD则应选择标准这其中包括物体离视点的距离、视线夹角、物体在屏幕上的面积及可见像素的数目等内容。要提高实时绘制的效率，场景的空间组织应将采用树结构，场景的实时遍历包括场景管理遍历和碰撞检测遍历。采用数据动态加载高质量的三维仿真都要求能在大面积复杂数据库上连续运行而无延迟。高精度和真实地理信息方面的要求增加了三维GIS应用的复杂性。因而，一次驻留在机器内的数据库越来越大也越复杂。虽然利用数据库子集技术可以满足内存不足的问题，但同时也带来由干装入新数据库而延迟的结果。针对这个问题，解决的方案是先定义再动态地分配一个可移动的数据，地面坐标系的点将采用双精度型，从而满足观察者的最佳效果。如观察者远离数据库的初始原点时，则自动消除了显示上的任何跳动。对实时非同步数据库进行处理，同时提出内存和存储设备要求，相应地对几何元素和纹理实行有效的管理，对计算机系统内存予以有效地分配和使用。同时考虑用户的浏览，对计算机后台设计一条线程方便调入，同时设置线程的优先级，实现数据的异步装载。实现漫游时无缝光滑连接。原理如图2所示航道三维电子图将所有的矢量对象均设计为三维空间目标，即其空间位置信息包括X、Y和Z三个坐标分量，直接将常规的二维平面坐标数据模型推广到三维空间，并引入数字高程模型DHM和正射影象数据，至于其他复杂的声、视、图多媒体数据和三维空间拓扑关系描述则通过简单的数据库关联方法加以解决。这种数据模型为后续的三维操作提供了基本保证。本电子图从最底层进行光照模型计算、矩阵变换等一系列三维坐标变换和三维图形明暗绘制的处理，实现了动态交互式模型的基本框架。在这个版本中，三维可视化模型与矢量数据和属性数据的处理相互联系的，不论是数据库还是交互操作都集成在一起，基于客户/服务器体系结构、采用集成的数据库(包括矢量数据、属性数据、DEM、数字影象、以及各种语音和视频图象等)。并且，所有三维操作均在OpenGL环境下实现，从而避免了从底层进行光照模型计算、矩阵变换等一系列三维坐标变换和三维图形明暗绘制的处理，在很大程度上提高了图形处理的效率，并能使用标准的图形加速卡，使得借助于普通微机实现三维地形动态生成与实时动态漫游成为可能。因此，系统的设计开发主要致力于各种复杂的数字建模、交互操作、动态变化以及模型仿真等。 ·
权利要求
1.一种航道三维仿真电子图，它是以下述方法形成的利用DEM地形数据和DOM影像数据，3D模型设计数据和航拍模型数据通过CREATOR工具、PHOTOSHOP工具和3DSMAX工具编辑后形成FLT地形几何数据和RGB地形纹理，3D模型几何数据和RGB地形纹理再利用FLT地形几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据利用3D模型几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；形成的两个FLT地形数据在VEGA中形成航道三维仿真电子图；其中，DEM地形数据的形成方式为根据已有矢量线划图生成基于矢量线划图来生产DEM或采用全数字摄影测量方法生成在VirtuoZo NT全数字摄影测量系统的环境下，利用数字影像可自动生成DEM。
2.如权利要求I所述航道三维仿真电子图，其特征是所述根据已有矢量线划图生成基于矢量线划图来生产DEM为以矢量线划图作为底图，保留所有的高程点和等高线，然后在AutoCAD环境下对图面上的道路、农田、河流、沟坎等地形、地貌特征处用三维矢量线进行编辑，构成特征面。
3.如权利要求I所述航道三维仿真电子图，其特征足所述采用全数字摄影测量方法生成在VirtuoZo NT全数字摄影测量系统的环境下，利用数字影像可自动生成DEM方法为I、自动完成内定向、相对定向和绝对定向，求得各种定向参数；2、自动完成影像匹配利用基于灰度的影像匹配或基于特征的影像匹配算法，在立体像对重叠部分匹配一定数量的同名像点，由其左右影像坐标及定向参数求出相应的地面坐标，作为生成规则格网状DEM的已知数据点；3、针对模型中匹配错误的区域进行编辑，然后采用适合的DEM数据内插方法，根据已知数据点内插生成规则格网的DEM或三角网DEM。
4.如权利要求I所述航道三维仿真电子图，其特征是DEM地形数据的形成时具有质量检查过程，它包括DEM的形态检查、DEM的精度检查和DEM的完整性检查。
5.如权利要求4所述航道三维仿真电子图，其特征是所述DEM的形态检查包括a)利用DEM数据，进一步生成同范围的数字正射影像，目视检查数字像，若无变形、扭曲等现象发生，则DEM进入下工序检查，否则在立体模型上对DEM进行编辑、修改，直到符合精度要求；b)根据DEM数据，生成一定间距的等高线，将之与正射影像进行叠加，目视检查等高线有无突变情况，时突变处均在立体模型上进行DEM的编辑、修改；就地势平缓区域，则采用格网点分色显示，对层色较密集的地方，返回立体模型检查DEM是否存在粗差点，并对DEM进行编辑、修改，使之贴近地面。
6.如权利要求4所述航道三维仿真电子图，其特征是所述DEM的精度检查a)同名格网点高程精度的检测；b)高程注记点的检测c) DEM插求点精度检测；d) DEM接边差的检查。
7.如权利要求4所述航道三维仿真电子图，其特征是所述DEM的完整性检查是利用DEM进一步生成数字正射影像，检查数字影像的范围及其中有无黑洞。
全文摘要
本发明公开了一种航道三维仿真电子图，它是以下述方法形成的利用DEM地形数据和DOM影像数据，3D模型设计数据和航拍模型数据通过CREATOR工具、PHOTOSHOP工具和3DMAX工具编辑后形成FLT地形几何数据和RGB地形纹理，3D模型几何数据和RGB地形纹理；再利用FLT地形几何数据和RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；利用3D模型几何数据祁RGB地形纹理通过CREATOR工具形成FLT地形数据；形成的两个FLT地形数据在VEGA中形成航道三维仿真电子图。本航道三维仿真电子图的模型扩展了可视化概念，将可视化技术贯穿于整个GIS运行过程。
文档编号G06T17/05GK102830960SQ201110163260
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者不公告发明人 申请人:上海日浦信息技术有限公司