三維GIS建筑物和道路實(shí)體模型與地形模型匹配方法

王愛(ài)愛(ài)，張 錦

(太原理工大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系，山西太原030024)

三維GIS建筑物和道路實(shí)體模型與地形模型匹配方法

王愛(ài)愛(ài)，張 錦

(太原理工大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)系，山西太原030024)

以建筑物和道路實(shí)體模型為例，對(duì)其與地形模型的匹配方法進(jìn)行研究與試驗(yàn)。結(jié)果表明，顧及建筑物與道路實(shí)體模型特征的地形模型匹配結(jié)果更符合實(shí)際建模要求，為構(gòu)建逼真的三維數(shù)字環(huán)境提供了基礎(chǔ)。

三維GIS;建筑物模型;道路模型;地形模型;匹配

一、引 言

三維GIS能更好地模擬真實(shí)的三維環(huán)境，給人以更真實(shí)的感受。三維GIS理論與技術(shù)的發(fā)展必然推動(dòng)GIS在礦山、地質(zhì)、環(huán)境、海洋、城市，以及相關(guān)信息管理領(lǐng)域的應(yīng)用［1］。日漸成熟的三維GIS軟件，如Skyline、ArcGIS等，為地面及地下實(shí)體模型的三維可視化提供了很好的建模技術(shù)與管理環(huán)境，推動(dòng)了三維GIS的進(jìn)一步發(fā)展。

集成三維數(shù)字地形模型，建筑物實(shí)體模型，以及道路、河流等模型，形成完整的三維數(shù)字環(huán)境表達(dá)，是三維GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)。模型集成過(guò)程中是否考慮地物要素與地形的匹配是精細(xì)三維建模和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。如果地物沒(méi)有與地形很好地相融合、相匹配，就會(huì)造成如地物飄在空中和鉆入地下等與客觀事實(shí)不符的情況。目前解決這一問(wèn)題的方法主要是人機(jī)交互式的編輯方式，但沒(méi)有系統(tǒng)和深入地研究。文獻(xiàn)［2-3］中以地物邊界作為地形建模的約束條件，在一定程度上還原了地形的逼真性，但沒(méi)有很好地解決模型集成中地物模型與地形模型的匹配問(wèn)題。為此，本文以建筑物與道路實(shí)體模型為例，對(duì)其與地形模型的匹配方法進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果逼真，初步解決了大比例尺地圖上建筑物和道路實(shí)體模型與地形模型的匹配問(wèn)題。

二、三維GIS模型集成中存在的問(wèn)題

基于大比例尺地圖的三維數(shù)字環(huán)境的構(gòu)建中，視點(diǎn)的接近及應(yīng)用對(duì)細(xì)節(jié)和精度的要求比較高。地形模型要細(xì)致逼真，且能與地物模型準(zhǔn)確融合。然而，實(shí)際自然環(huán)境的地形模型包括逼真的地表形狀和豐富的文化特征［4］，其中各種對(duì)象模型范圍廣泛、種類(lèi)繁多，所以，模型集成時(shí)，地物與地形匹配易受多種因素的影響，會(huì)造成如下所述的情景。

1.建筑物

建筑物是自然環(huán)境的重要組成部分之一，實(shí)際自然環(huán)境中建筑物種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)、造型和用途各不相同［5］。在地球引力的作用下，建筑物不可避免地會(huì)與地形發(fā)生不同程度的關(guān)系。三維建模環(huán)境中，地形是起伏變化的，而建筑物的基準(zhǔn)面是水平的，所以當(dāng)建筑物跨在兩個(gè)或兩個(gè)以上地形模型構(gòu)造面片上時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)建筑物飄在空中或鉆入地下的情景，如圖1所示。

圖1 未與地形模型匹配的建筑物模型

2.道 路

數(shù)字地形中道路與地形的關(guān)系密不可分。數(shù)字三維環(huán)境中道路的特征表現(xiàn)為:道路中心縱截面軸線隨地形起伏，道路表面橫截面高程相同，周?chē)匦斡幸欢ǖ母脑觳⑴c道路無(wú)縫連接［4］。實(shí)際自然環(huán)境中，道路應(yīng)為一定寬度的平面，左右邊界線為一定寬度的平行線。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，道路則是依賴(lài)于地形格網(wǎng)的三維實(shí)體模型。但是，如果將道路特征高程點(diǎn)直接參與地形構(gòu)網(wǎng)生產(chǎn)道路模型，易受周?chē)匦蔚挠绊懀傻牡缆纺Ｐ蜁?huì)與實(shí)際嚴(yán)重不符。如圖2(a)所示，道路兩側(cè)是山坡，地形構(gòu)網(wǎng)時(shí)，山坡上的點(diǎn)參與了道路構(gòu)網(wǎng)，因此會(huì)出現(xiàn)道路嚴(yán)重失真的情形(如圖2(b)所示)。也有一些學(xué)者提出將道路邊界作為約束條件參與構(gòu)網(wǎng)，但該方法不能很好地表達(dá)道路的起伏變化。

圖2 未與地形匹配的道路圖

三、建筑物及道路模型與地形模型的匹配方法

1.建筑物模型與地形模型的匹配方法

目前，解決建筑物與地形的匹配主要有以下兩種方法［4］。

1)改變建筑物模型:如圖3(a)所示，將建筑物放在其覆蓋的地形面片中的最高點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)造建筑物基準(zhǔn)面以下的模型達(dá)到建筑物與地形的融合。實(shí)際地形合成中，可以根據(jù)建筑物覆蓋區(qū)地表的高差將建筑物實(shí)體向下延伸，直至到達(dá)模型所覆蓋的地形區(qū)域的最低處［6］。

2)改變地形模型:如圖3(b)所示，通過(guò)對(duì)地形模型的改造，使建筑物覆蓋區(qū)的地表水平。具體方法為:將建筑物覆蓋區(qū)多邊形內(nèi)部高程置平，然后將多邊形經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格進(jìn)行重新剖分。

圖3 建筑物模型與地形匹配的兩種方式

本文中建筑物對(duì)地形的適應(yīng)處理為改變地形模型。具體方法為:

1)將試驗(yàn)區(qū)影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及該區(qū)對(duì)應(yīng)的地形數(shù)據(jù)疊加，若沒(méi)有地形數(shù)據(jù)則通過(guò)影像矢量化來(lái)獲取，確定失真的建筑物底面區(qū)域。

2)提取各失真建筑物底面范圍內(nèi)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，將各區(qū)域高程平均值作為該建筑物底面高程值H，并參與該區(qū)地形構(gòu)網(wǎng)。

2.道路模型與地形模型的匹配方法

道路模型是依賴(lài)于地形格網(wǎng)的三維實(shí)體模型，需要通過(guò)對(duì)地形的改造完成道路模型與地形模型的匹配。目前，道路對(duì)地形的改造方法主要是基于約束Delauany三角網(wǎng)理論的道路拼合法［7］，即將邊界線作為特征線嵌入到地形模型中，局部重新構(gòu)網(wǎng)。該方法能保證道路模型與地形模型在銜接處緊密連接，但是不能很好地表達(dá)道路的起伏變化。本文利用道路坡度這一屬性，以道路坡度的改變來(lái)描述道路的起伏變化。具體方法如下:

1)通過(guò)試驗(yàn)區(qū)的影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及該區(qū)對(duì)應(yīng)的地形數(shù)據(jù)確定失真的道路區(qū)域［8］。

2)道路中心縱截面軸線隨地形起伏的，按道路起伏變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)將道路分成若干子段，放大后如圖4所示，提取每個(gè)道路子段橫截面中心軸線上首尾高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，由式(1)計(jì)算各子段道路坡度

式中，i為坡度;h為A、B兩點(diǎn)間高差;D為兩點(diǎn)間平距;下同。

圖4 道路分段圖

3)每隔一定距離提取各子段上一定數(shù)量的道路邊界點(diǎn)，根據(jù)該子段坡度由式(2)計(jì)算各邊界點(diǎn)高程

4)將所求的所有道路邊界高程點(diǎn)數(shù)據(jù)加入原始高程點(diǎn)數(shù)據(jù)中參與構(gòu)網(wǎng)，即可建立與地形模型相匹配的三維道路模型。

綜上所述，建筑物及道路模型與地形模型匹配流程如圖5所示。

圖5 建筑物及道路模型與地形模型匹配流程

四、實(shí) 例

1.建筑物模型與地形模型的匹配

以圖1中建筑物為例，對(duì)該建筑物模型與地形模型進(jìn)行匹配處理，具體步驟如下:

1)疊加試驗(yàn)區(qū)影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)及該建筑對(duì)應(yīng)的地形數(shù)據(jù)，如圖6所示。

2)提取該建筑物底面區(qū)域內(nèi)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)并計(jì)算其平均高程H，同時(shí)賦予建筑物底面高程均值H，將帶有高程屬性的建筑物底面參與該區(qū)地形構(gòu)網(wǎng)，結(jié)果如圖7所示。

圖6 高程數(shù)據(jù)與該區(qū)地形數(shù)據(jù)疊加圖

圖7 建筑物模型與地形模型匹配結(jié)果圖

2.道路模型與地形模型的匹配

以圖2道路為例，道路對(duì)地形模型的改造具體步驟如下:

1)按道路高程數(shù)據(jù)起伏變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)將道路分成若干子段，基于VB編程，由道路各子段橫截面中心軸線上首尾高程點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算各子段道路坡度，如圖8(a)所示。

2)如圖8(b)所示，將所求的所有邊界點(diǎn)高程數(shù)據(jù)加入地形高程數(shù)據(jù)中，參與地形構(gòu)網(wǎng)，最后根據(jù)實(shí)際情況映射不同的紋理，結(jié)果如圖9所示。

圖8 道路邊界點(diǎn)高程計(jì)算

圖9 道路模型與地形模型匹配結(jié)果圖

由試驗(yàn)結(jié)果圖7及圖9可以看出，文中所提出的匹配方案具有較高的實(shí)用性。經(jīng)過(guò)文中方法匹配后，建筑物及道路模型與地形模型能很好地融合銜接，滿(mǎn)足視覺(jué)觀察要求的同時(shí)大大改善了三維數(shù)字環(huán)境的可視化效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

以建筑物和道路為例，針對(duì)三維GIS建模中建筑物及道路實(shí)體模型與地形模型集成時(shí)存在的模型不匹配問(wèn)題進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，最終使建筑物及道路模型與地形模型完美融合。試驗(yàn)結(jié)果逼真，初步解決了大比例尺地圖上建筑物及道路模型與地形模型的匹配問(wèn)題，對(duì)數(shù)字三維環(huán)境中地形場(chǎng)景的創(chuàng)建有重要的參考價(jià)值。

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Matching Method of Entity Model and Terrain Model on Buildings and Roads in Three-dimensional GIS

WANG Aiai，ZHANG Jin

0494-0911(2012)06-0084-03

P208

B

2011-12-09;

2012-02-10

王愛(ài)愛(ài)(1986—)，女，山西文水人，碩士生，主要研究方向?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)采集方法與數(shù)據(jù)處理。