龍四春,劉文彬,林 劍,李朝奎,陶建軍,李博超

(湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,湖南湘潭 411201)

基于 JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)的DE M和 DLG改進(jìn)方法

龍四春,劉文彬,林 劍,李朝奎,陶建軍,李博超

(湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,湖南湘潭 411201)

針對 JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)測得的DEM在建筑物地基和路面可能存在的不合理凹凸,以及DLG數(shù)據(jù)中建筑物高度信息的缺失,提出一套改進(jìn)的DEM和DLG生產(chǎn)方法。該方法將建筑物地基和路面DEM鏟平并將建筑物的高度信息添加到 DLG中。改進(jìn)后的DEM和DLG可以與DOM結(jié)合生成更高精度的DTM和建筑物模型,為建立高效率、高精度的三維數(shù)字城市奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字?jǐn)z影測量;DEM;DLG;三維建模

JX4(JieXi4)全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)能生產(chǎn)高精度、高密度的數(shù)字高程模型 (DEM)、數(shù)字正射影像圖 (DOM)、數(shù)字線劃圖 (DLG)和數(shù)字柵格圖 (DRG)等產(chǎn)品,具有半自動化、實用性強(qiáng)、人機(jī)交互功能好的優(yōu)點[1],能為建立三維數(shù)字城市提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但 JX4沒有對建筑物地基和路面處的 DEM進(jìn)行特殊處理,而且測得的 DLG中沒有存儲建筑物的高度信息,因此,將其產(chǎn)品直接用于建立三維數(shù)字城市還需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與加工。

本文針對 JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)測得的DEM中可能存在的不合理凹凸,以及 DLG中建筑物高度信息的缺失進(jìn)行改正,設(shè)計并實現(xiàn)了改進(jìn)算法程序,以對改進(jìn)算法進(jìn)行對比和定量分析。同時對其在三維數(shù)字城市建設(shè)以及三維空間分析等方面的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

一、JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)生產(chǎn) DEM和 DLG產(chǎn)品的生產(chǎn)流程及存在的問題

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字圖像處理、模式識別、人工智能、專家系統(tǒng)以及計算機(jī)視覺等學(xué)科的不斷發(fā)展,數(shù)字?jǐn)z影測量研究的內(nèi)容從模擬、解析發(fā)展到了全自動的數(shù)字化階段。在 JX4中,DEM和DLG的生產(chǎn)流程如圖 1所示。

圖 1 DEM和DLG的生產(chǎn)流程

根據(jù) DEM和 DLG的生產(chǎn)流程和實際測圖經(jīng)驗,在生產(chǎn)DEM時不會考慮建筑物地基和路面處的平整,且在制作DEM時不會量測每棟建筑物每個腳點處高程的真值,并很少關(guān)心地基的平整度,現(xiàn)有三維建模軟件都不能直接用 JX4生產(chǎn)的 DEM和DOM生成數(shù)字表面模型 (DS M)[1-9]。而且,JX4生成的 DLG數(shù)據(jù)中沒有存儲建筑物的高度信息,建立三維建筑物模型時還要實時計算,降低建模效率。

二、生產(chǎn) DEM和 DLG數(shù)據(jù)的改進(jìn)方法

1.數(shù)據(jù)改進(jìn)步驟與流程

直接由 JX4生產(chǎn)的 DEM數(shù)據(jù)是等間距的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù),若所測得的可視地面區(qū)域的 DEM準(zhǔn)確,用 JX4所測的建筑物頂部棱廓和道路兩邊線的DLG正確,且建筑物地基水平以及路面在垂直于道路走向的方向是平的,則對 DEM和 DLG數(shù)據(jù)可進(jìn)行一定程度的改進(jìn)。步驟如下:

1)根據(jù)建筑物頂部棱廓點 Pn的 XY方向上的坐標(biāo) (Xn,Yn)找到其所在的 DEM網(wǎng)格 (如圖 2所示)。

圖 2 DEM中找最近結(jié)點

取構(gòu)成網(wǎng)格的四個結(jié)點中離 Pn最近結(jié)點的高程為 Pn點投影到地面的高程。

3)在 DLG中的建筑物數(shù)據(jù)后加存 H值,可實現(xiàn)建筑物和DEM的無縫銜接。

4)根據(jù) DLG中存儲道路的水平位置和高程,用與步驟 1)相同的方法找出其 DEM的位置,以DLG中的高程值為其真值,對路面處的 DEM進(jìn)行改正,具體數(shù)據(jù)改進(jìn)流程如圖 3所示。

2.修正建筑物地基DEM

為了實現(xiàn)三維數(shù)字城市的真三維顯示和三維空間分析,JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)生產(chǎn)的DEM數(shù)據(jù)還需進(jìn)行修正,根據(jù) DEM所處位置和高程的不同,綜合考慮環(huán)境因素與鄰近建構(gòu)筑物的特征,可選擇以下兩種方法。

圖 3 數(shù)據(jù)改進(jìn)流程

(1)建筑物地基DEM鏟平

根據(jù)式(1)計算建筑物每個腳點高程并計算該建筑物腳點高程的平均值,判斷 Pn是否在建筑物正投影多邊形內(nèi)。如果在多邊形內(nèi),則將 Pn的高程值修改為否則不修改,根據(jù)這個原則修改每個建筑物地基高程 (如圖 4所示)。

圖 4 修改建筑物地基高程

用建筑物地基 DEM鏟平方法建立的三維地形模型中,建筑物、DEM和 DOM可放在不同圖層,可以對建筑物貼紋理,使輸出的三維地圖視覺效果更好。但一棟建筑物可能是由兩個或兩個以上不同高度的部分組成,并且同一建筑物不同高度的部分連接處是無縫的,而用 JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行向量測圖時很難測量銜接處的公共邊。因此,需要把這些建筑物看作幾個不同高度的平頂建筑物,重建之后的建筑物模型之間就形成了縫隙或重疊在一起 (如圖 5所示)。

圖 5 復(fù)雜建筑物的重建與分解

在這種情況下,重建的三維模型不利于進(jìn)行三維空間分析。

(2)建筑物地基 DEM抬升

針對方法 (1)的不足,不將 DEM中建筑物底面多邊形區(qū)域內(nèi)各點的高程 ZPn設(shè)為其腳點高程的平均值,而是設(shè)為其頂點高程值 Z,這樣就等于是把建筑物的頂部與表面看成地貌。而且,由于格網(wǎng)DEM的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重建出現(xiàn)的縫隙和重疊部分的寬度,在一定程度上,縫隙或重疊的部分可忽略。三維顯示時不再顯示建筑物層,而顯示根據(jù)DEM拉伸了的DOM,以此模型作為DS M。在運行需要的同時考慮地貌和建筑物的三維空間分析時只要分析一種數(shù)據(jù),即改進(jìn)后的 DEM。此方法有利于三維空間分析,且不會影響分析的精度,但顯示出來的圖像不如方法 (1)美觀。

3.修正路面DEM

讀取地物矢量數(shù)據(jù)中的道路數(shù)據(jù),將組成道路兩邊的三維點串分別存入道路對象的兩個點數(shù)組Left和 Right中。沿道路的測量方向從左右邊線數(shù)組中各取兩個在相同里程處且相鄰點將道路分成若干四邊形區(qū)段 (如圖 6所示)。

圖 6 道路修改算法示意

計算各個區(qū)段沿道路走向的高差 h和長度 d

再計算各個區(qū)段內(nèi)單位距離內(nèi)的高程增加值Δh

修改 Pn點的高程值

則 A1和 B1的高程的平均值 Z0可表示為

經(jīng)過上述處理后,各個區(qū)段法線的正投影線都將平行于該處道路的走向,使道路上的各個區(qū)段都成為沿道路方向的斜面,從而達(dá)到鏟平道路的效果。

4.改進(jìn) DLG數(shù)據(jù)

通過上述 DE M修正后,將 DLG中的建筑物頂點高程 Z減去建筑物地基 Z0高程后的值D可表示為

建筑物模型中建筑物底部點的高程就和地貌中相應(yīng)位置的高程一致了,從而能實現(xiàn)建筑物模型與地貌模型的無縫連接。將 D存于 DLG建筑物數(shù)據(jù)層相應(yīng)位置,便于建筑物模型重建。

三、應(yīng)用實例驗證

1.實例數(shù)據(jù)與條件

先基于 JX4系統(tǒng)中附帶的測試數(shù)據(jù)制作一份DE M、DOM和 DLG,然后在 VS2005平臺上用 C#語言開發(fā)了一個數(shù)據(jù)改進(jìn)程序。實例所用的數(shù)據(jù)為 JX4系統(tǒng)中附帶的測試數(shù)據(jù),總面積是 4.475 km2,DEM格網(wǎng)間距為 1m,DOM精度為 ±0.2 m,建筑物數(shù)為269棟,大小道路有 24條。

2.實例核心代碼

本試驗通過對 DEM和 DLG的改進(jìn),在建立三維數(shù)字城市時能提高建模精度和速度,使建筑物模型與地面實現(xiàn)無縫銜接,使原本可能在路面和建筑物地基處出現(xiàn)的不平消失,使生成的DS M能清晰地反映出建筑物的大小和位置。其核心原代碼如下

3.實例結(jié)果

針對兩種建筑物地基 DEM的修正效果進(jìn)行試驗,其效果比對如圖 7所示。

圖 7 建筑物改進(jìn)效果比對

圖 7中 (a)為修改前的效果圖,(b)為修改后的效果圖。從圖中可以看出 (a)在陡坎處的變化比(b)平緩,(a)在建筑物處還有凹凸起伏,而 (b)比較平緩,但在陡坎附近的建筑物地基依然不平,主要是由于 ArcScene軟件的內(nèi)部建模機(jī)制無法使用1m間距的DEM,造成抽析現(xiàn)象所致。

圖 8中沒有進(jìn)行修正前的 (a)中道路存在明顯的不合理,其路面的右側(cè)明顯高于左側(cè),而采用本文提出的道路修正方法修正后的 (b),其路面平緩,相對更加合理。

圖 8 道路DEM改進(jìn)效果比對

通過對上述建筑物和道路進(jìn)行DEM修正后,能實現(xiàn)建筑物模型與地貌模型的無縫連接,能建立精度較高的 DS M,具體如圖 9所示。

圖 9 改進(jìn)后的 DS M

圖上表示墻體部分基本垂直于地面,墻體的投影寬度不超過 1m,從而提高了模型精度。

4.改進(jìn)后數(shù)字產(chǎn)品生成系統(tǒng)的特點

1)通過建筑物頂部頂點坐標(biāo)數(shù)據(jù)和 DEM數(shù)據(jù),系統(tǒng)能自動計算出房屋的腳點坐標(biāo)和房屋的高度。

2)系統(tǒng)可以多次讀取矢量數(shù)據(jù)文件,并將矢量數(shù)據(jù)無重復(fù)的存儲。

3)通過數(shù)據(jù)修正,系統(tǒng)實現(xiàn)了建筑模型與DEM的無縫連接、建筑物底部和道路處的 DEM整平,使DEM與現(xiàn)實擬合得更好。

4)處理速度快。試驗數(shù)據(jù)所用的三維地形圖的面積是 4.475 km2,精度為 ±1 m,建筑物數(shù)有 269棟,道路有 24條。從數(shù)據(jù)的讀取到最后建筑模型顯示,用時不到 10 min,雙核 2 GB以上的 CPU能在6min內(nèi)完成,如果不包括數(shù)據(jù)修正和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化,用時將節(jié)省一半以上。

四、結(jié)束語

數(shù)字?jǐn)z影測量是一種能快速獲取高精度三維地理數(shù)據(jù)的技術(shù),在三維數(shù)字城市建設(shè)中起到巨大的作用。本文主要就JX4全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)生產(chǎn)的DEM和DLG數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理改進(jìn),實現(xiàn)了建筑物模型與 DEM的無縫銜接,對道路用 DEM修正后使得道路被鏟平,比原有路面高程傾斜數(shù)據(jù)更合理。但這兩種改進(jìn)方法是從不同的角度對其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的,而綜合的改進(jìn)方法還有待進(jìn)一步研究。

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I mprovement in DEM and DLG of JieXi4 D igital Photogrammetry System

LONG Sichun,L IU Wenbin,L IN Jian,L IChaokui,TAO Jianjun,L IBochao

0494-0911(2011)02-0012-05

P231.5

B

2010-04-04

地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室基金資助項目(08-01-05);江西省數(shù)字國土重點實驗室基金資助(DLLJ201010);湖南省哲學(xué)社會科學(xué)基金資助 (09YBB157)

龍四春 (1975—),男,湖南漣源人,博士,講師,主要研究方向為地表災(zāi)害監(jiān)測與遙感圖像處理。