馬小龍,李成名,趙占杰

中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理信息系統(tǒng)與地圖工程研究所,北京 100830

道路交叉口自動(dòng)檢測(cè)與基于OpenSceneGraph的三維自動(dòng)建模方法

馬小龍,李成名,趙占杰

中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院地理信息系統(tǒng)與地圖工程研究所,北京 100830

針對(duì)三維道路場(chǎng)景中多條道路交叉時(shí)出現(xiàn)的單純重疊問題,基于開源三維圖形渲染引擎OSG (OpenSceneGraph),提出一種三維道路交叉口的自動(dòng)檢測(cè)與建模方法,該方法通過分析道路矢量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)特點(diǎn)及道路交叉口的設(shè)計(jì)規(guī)范,快速獲取交叉口區(qū)域并識(shí)別其所屬類型,結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和OSG場(chǎng)景渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)道路交叉口的自動(dòng)建模。試驗(yàn)表明,該方法可有效解決三叉型、四叉型、環(huán)島型和分離式立體交叉口的一鍵式生產(chǎn),無須人工干預(yù),為大數(shù)據(jù)三維道路場(chǎng)景的快速構(gòu)建提供了有效方法。

道路交叉口;OpenSceneGraph;矢量數(shù)據(jù);自動(dòng)檢測(cè)與建模

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)、攝影測(cè)量與遙感、數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)及其相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,快速獲取海量空間信息得以實(shí)現(xiàn),這為構(gòu)建三維城市提供了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。道路模型作為三維城市組成要素之一,無論在城市規(guī)劃、市政管理、公共交通,還是在環(huán)境保護(hù)、土地管理、資源調(diào)查等方面,都是重要的支撐信息。

目前三維道路模型的構(gòu)建以傳統(tǒng)建模軟件同GIS軟件相結(jié)合的形式為主。三維建模軟件如3DS Max、Multigen Creator等,接收來自GIS軟件處理加工后的矢量數(shù)據(jù),進(jìn)行模型繪制和渲染,生成真實(shí)感強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的三維道路場(chǎng)景。這種組合建模方式耗時(shí)較長(zhǎng),手工制作過程復(fù)雜冗長(zhǎng),針對(duì)道路及附屬交叉口的處理只能達(dá)到三維可視化的效果,無法對(duì)其進(jìn)行有效的分析[1]。另一種形式則采用三維符號(hào)化建模技術(shù),將具有道路特征的地物類抽取出三維形體特征,建立道路的簡(jiǎn)化模型,通過改變道路相關(guān)參數(shù)來描述各種可能的情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路的統(tǒng)一化描述和表達(dá)[2]。盡管它提高了建模的效率,適應(yīng)空間分析要求,但涉及道路交叉口的處理尚沒有一個(gè)較好的解決方案。文獻(xiàn)[3]采用Vega虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成了符合特定地理環(huán)境下的三維道路模型,但針對(duì)多條道路交叉進(jìn)行建模時(shí)還需一一建立交叉口模型,手動(dòng)匹配達(dá)到近似真實(shí)的道路場(chǎng)景,這些都無法有效地滿足城市決策者對(duì)道路規(guī)劃的深入需求。由此可見,如何解決多條道路交叉時(shí)相應(yīng)路口的快速檢測(cè)與生成,是三維道路自動(dòng)建模面臨的難題之一。

針對(duì)上述難題,本文提出了一種三維道路交叉口自動(dòng)檢測(cè)與建模方法,流程大致可分為幾個(gè)步驟:首先采用包圍盒矩形檢測(cè)技術(shù)[4-6]獲取道路交叉區(qū)域,將此區(qū)域附近的道路節(jié)點(diǎn)打斷[6];然后,根據(jù)交叉口控制點(diǎn)的特征,判斷道路交叉區(qū)域所屬類型;最后,結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)知識(shí),采用OSG三維渲染引擎實(shí)現(xiàn)完整、精確、高仿真的道路交叉口建模。

2 交叉口的自動(dòng)檢測(cè)

城市道路交叉口是城市道路網(wǎng)的交匯點(diǎn),是行人、車輛的匯合、轉(zhuǎn)向、分流的地方,也是道路網(wǎng)靈活性的關(guān)鍵所在。道路交叉口可分為平面交叉口和立體交叉口兩類,而本文主要圍繞平面交叉中的三叉型、四叉型、環(huán)島型交叉口以及立體交叉中的分離式立體交叉口展開研究,可通過道路間在不同維度的拓?fù)潢P(guān)系對(duì)其所屬大類進(jìn)行結(jié)構(gòu)化識(shí)別[7-8]。如圖1所示,道路AC和道路BD在三維空間中沒有交點(diǎn),忽略Z軸方向上,道路BD在二維平面內(nèi)的投影B′D′和道路AC卻有一個(gè)交點(diǎn)O,則可判斷出道路AC與道路BD在三維場(chǎng)景中是立體交叉關(guān)系;如圖2所示,道路AD和道路BC在三維空間中存在交點(diǎn)O,則可判斷出道路AD與道路BC在三維場(chǎng)景中是平面交叉關(guān)系。

基于道路規(guī)劃中針對(duì)平面交叉路口的設(shè)計(jì)規(guī)范,結(jié)合點(diǎn)O與道路首尾點(diǎn)在三維空間中的關(guān)系判斷該交叉口所屬平面交叉具體類型,具體步驟如下:

圖1 立體交叉Fig.1 Vertical crossing relation

圖2 平面交叉Fig.2 Grade crossing relation

(1)如果有兩條道路段相交,求得這兩條道路首尾點(diǎn)以及交點(diǎn)的坐標(biāo),如果此交點(diǎn)與前一路段的尾點(diǎn)、后一路段的首點(diǎn)同時(shí)重合,則此交叉路口為彎道。

(2)如果有兩條路段相交,求得這兩條路段首尾點(diǎn)以及交點(diǎn)的坐標(biāo),如果此交點(diǎn)僅與前一路段的首點(diǎn)或者尾點(diǎn)重合(此交點(diǎn)僅與后一路段的首點(diǎn)或者其尾點(diǎn)重合),則此交叉路口為三叉型交叉口,再根據(jù)各岔路的方向向量確定是T型交叉口還是R型交叉口。

(3)如果有兩條路段相交,求得這兩條路段首尾點(diǎn)以及交點(diǎn)的坐標(biāo),不滿足步驟(1)和(2)則此交叉路口為四叉型交叉口。

(4)如果有3條路段相交,求得這3條路段首尾點(diǎn)以及交點(diǎn)的坐標(biāo),如果每條路段的首點(diǎn)或者尾點(diǎn)均與交點(diǎn)重合,則此交叉路口為Y型交叉口。

3 常見交叉口的自動(dòng)建模

3.1 四叉型交叉口

四叉型交叉口是指在交叉處有4條支路,沒有交通島,為分道轉(zhuǎn)彎式交叉口的一種[9]。經(jīng)過上述交叉口檢測(cè)過程后,如果判斷此交叉路口為四叉型路口,則對(duì)道路交匯點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記存儲(chǔ)后,開始四叉口的自動(dòng)建模:

(1)首先,獲取兩路段的交點(diǎn)O,分別將其與每條路段的首尾點(diǎn)相連,提取路段原始中心線;根據(jù)交點(diǎn)O、道路寬度等參數(shù),采用包圍盒矩形判斷法,提取圖3中重合區(qū)域的輪廓,計(jì)算可得該輪廓的最長(zhǎng)邊l。

圖3 四叉口建模1Fig.3 Structure 1 of the four-way intersection

(2)由交點(diǎn)O出發(fā),沿著各路段方向向量上縮小指定距離,可得到交叉路口的4個(gè)控制點(diǎn),即B點(diǎn)、E點(diǎn)、H點(diǎn)和K點(diǎn)。將控制點(diǎn)分別與該岔路尾點(diǎn)相連,形成如圖4中所示的4條新道路中心線[10]。其中,縮小距離可選取1.5～2倍的l (經(jīng)驗(yàn)值)。

圖4 四叉口建模2Fig.4 Structure 2 of the four-way intersection

(3)沿著各岔路的方向向量的垂直方向,以控制點(diǎn)為中心,以道路寬度為平移距離,計(jì)算出各路段兩側(cè)控制點(diǎn),如圖5中控制點(diǎn)B對(duì)著點(diǎn)C和點(diǎn)A,控制點(diǎn)E對(duì)應(yīng)著點(diǎn)D和點(diǎn)F,控制點(diǎn)H對(duì)著點(diǎn)G和點(diǎn)I,控制點(diǎn)K對(duì)著點(diǎn)J和點(diǎn)L。

圖5 四叉口建模3Fig.5 Structure 3 of the four-way intersection

(4)新建一個(gè)點(diǎn)數(shù)組Crossing Array,按逆時(shí)針順序依次存入圖6中的點(diǎn)B、點(diǎn)C;以點(diǎn)C和點(diǎn)D作為首尾兩個(gè)點(diǎn),中心點(diǎn)O為曲線拐彎參考點(diǎn),通過二階貝塞爾獲得點(diǎn)C、點(diǎn)D之間的弧線段,并將此弧線段上的點(diǎn)依次存入點(diǎn)數(shù)組Crossing Array;如圖7所示,將剩余的點(diǎn)E存入點(diǎn)數(shù)組Crossing Array中,交叉口1/4部分的輪廓點(diǎn)已經(jīng)完成,其余部分依次類推。

圖6 四叉口建模4Fig.6 Structure 4 of the four-way intersection

圖7 四叉口建模5Fig.7 Structure 5 of the four-way intersection

(5)當(dāng)點(diǎn)數(shù)組Crossing Array中存儲(chǔ)滿交叉口所有的輪廓點(diǎn)后,設(shè)置點(diǎn)O為繪制中心,應(yīng)用OSG繪制多邊形的方式之一,即osg::Primitive-Set::TRIANGLE_FAN來繪制多個(gè)三角扇形,如圖8所示,通過這種方式填充整個(gè)多邊形,最終形成三維場(chǎng)景中的四叉型交叉口[11]。

圖8 四叉口建模6Fig.8 Structure 6 of the four-way intersection

3.2 三叉型交叉口

三叉型交叉口主要包括R字型交叉口和T字型交叉口。建模原理上大體與四叉型交叉口一致,唯一需要注意的是,各自所含弧段數(shù)的不同。如圖9、圖10所示,R字型交叉口和T字型交叉口均只含有兩條弧段。

圖9 R型交叉口Fig.9 R intersection

圖10 T型交叉口Fig.10 T intersection

交叉口建模的過程中,往往還需創(chuàng)建一些道路附屬設(shè)施。無論是三叉型路口還是四叉型路口,正如圖中10中的紅綠燈,它會(huì)根據(jù)路口各岔路的情況,進(jìn)行自適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié),更好地貼近真實(shí)道路。具體步驟:由于紅綠燈屬于三維點(diǎn)符號(hào)模型,諸如紅綠燈支柱的高度、紋理貼圖以及各個(gè)方向燈的大小等參數(shù)均可調(diào)節(jié),首先手動(dòng)設(shè)置模型的初始姿態(tài),將其初始坐標(biāo)置零;OSG中的矩陣變換節(jié)點(diǎn)Matrix Transform可對(duì)加載至三維場(chǎng)景中的紅綠燈模型進(jìn)行空間變換,其類函數(shù)make Translate()將紅綠燈模型平移到交叉口中心位置,再根據(jù)各岔路的方向向量求得道路間夾角度數(shù),運(yùn)用類函數(shù)makeRotate()將紅綠燈上各個(gè)方向燈沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)調(diào)整,當(dāng)旋轉(zhuǎn)至與各自所在岔路成垂直方向后,紅綠燈建模完成。

3.3 環(huán)島型交叉口

三叉環(huán)交叉口是指在交叉處有3條支路且設(shè)有交通島[9]。經(jīng)過上述交叉口檢測(cè)過程后,如果判斷此交叉路口為三叉環(huán)型路口,則對(duì)道路交匯點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記存儲(chǔ)后,開始三叉環(huán)的自動(dòng)建模:

(1)首先,獲取3條路段的交點(diǎn)O,分別將其與每條路段的首尾點(diǎn)相連,如圖11所示,提取道路原始中心線。

圖11 三叉口建模1Fig.11 Structure 1 of the three-way intersection

(2)根據(jù)交點(diǎn)O、道路寬度等參數(shù),采用包圍盒矩形判斷法,提取重合區(qū)域的輪廓,計(jì)算可得該輪廓的最長(zhǎng)邊l。

(3)由交點(diǎn)O出發(fā),沿著各自路段方向向量上縮小指定距離,可得到交叉路口的3個(gè)控制點(diǎn),即圖12中的A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)。將控制點(diǎn)分別與該岔路尾點(diǎn)相連,形成3條新的道路中心線。其中,縮小距離可選取1.5～2倍的l(經(jīng)驗(yàn)值)。

圖12 三叉口建模2Fig.12 Structure 2 of the three-way intersection

(4)針對(duì)圖13中每個(gè)控制點(diǎn),根據(jù)用戶指定的路寬以及各條岔路的方向向量,計(jì)算出以控制點(diǎn)為中心的路兩側(cè)點(diǎn),如圖14所示,控制點(diǎn)A對(duì)著點(diǎn)D和點(diǎn)I,控制點(diǎn)B對(duì)應(yīng)著點(diǎn)E和點(diǎn)F,控制點(diǎn)C對(duì)著點(diǎn)G和點(diǎn)H;然后,建立點(diǎn)數(shù)組R按逆時(shí)針順序依次存入點(diǎn)A、點(diǎn)D;以點(diǎn)D和點(diǎn)E作為首尾兩個(gè)點(diǎn),中心點(diǎn)O為曲線拐彎參考點(diǎn),通過二階貝塞爾獲得點(diǎn)D、點(diǎn)E之間的弧線段,并將此弧線段上的點(diǎn)依次存入點(diǎn)數(shù)組R;接著,將剩余的點(diǎn)B存入數(shù)組R中,三叉環(huán)輪廓的1/3已經(jīng)完成,其余部分依次類推。

(5)根據(jù)用戶設(shè)置的半徑長(zhǎng)度,獲取以點(diǎn)O為圓心的中心島輪廓點(diǎn),并將它們從數(shù)組R的尾端插入(如圖15所示)。

圖13 三叉口建模3Fig.13 Structure 3 of the three-way intersection

圖14 三叉口建模4Fig.14 Structure 4 of the three-way intersection

圖15 三叉口建模5Fig.15 Structure 5 of the three-way intersection

(6)設(shè)點(diǎn)O為繪制中心,應(yīng)用OSG繪制多邊形的方式之一的TRIANGLE_FAN來繪制多個(gè)三角扇形進(jìn)行填充,并通過osg Util::Tessellator實(shí)現(xiàn)這種自交叉多邊形的分格化處理。

(7)針對(duì)空出的中心島區(qū)域,用戶可針對(duì)不同需求更換道路模板,符號(hào)化生成草坪、花壇、路標(biāo)以及噴水池等道路附屬設(shè)施[12],如圖16所示,最終形成一個(gè)完整的三叉型環(huán)島交叉口。

3.4 分離式立體交叉口

分離式立體交叉按其形式不同,可分為隧道式和路跨式兩種。分離式立體交叉的上、下公路沒有交換道路(匝道)連接,車輛不能互相轉(zhuǎn)換,但它占地少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且造價(jià)較低。

圖16 三叉口建模6Fig.16 Structure 6 of the three-way intersection

常見的碰撞檢測(cè)方法[13]可以實(shí)現(xiàn)道路與任意地形的自適應(yīng)匹配,但無法適用于這種立體交叉關(guān)系的道路。尤其是針對(duì)分離式立體交叉口,道路節(jié)點(diǎn)如何既能保持與地勢(shì)起伏的匹配,又能根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系分離存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)立體交叉的效果,這是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。譬如,圖17中所示道路與立交橋上的道路互為分離式立體交叉關(guān)系,其途經(jīng)的立交橋是由上橋板、下橋板、電線層和橋墩組成的精細(xì)模型;圖18中所示高架橋間彼此交錯(cuò)延伸。以上兩種情況的道路在與場(chǎng)景碰撞求交時(shí),除了地面(或本層橋梁)上的交點(diǎn)外,檢測(cè)線段往往會(huì)與分離的橋梁局部碰撞生成若干個(gè)交點(diǎn)(白球所示),使得道路數(shù)組無法準(zhǔn)確選取正確的交點(diǎn),無法生成與實(shí)際匹配的道路,道路突起或塌陷現(xiàn)象頻發(fā)。

圖17 交叉口異常1Fig.17 One of abnormal conditions of overpass

圖18 交叉口異常2Fig.18 The other abnormal condition of overpass

對(duì)于這種分離式立體交叉關(guān)系,可在碰撞檢測(cè)的過程中,針對(duì)各個(gè)細(xì)化節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),通過檢測(cè)線段與場(chǎng)景求交,將此坐標(biāo)點(diǎn)Z軸方向上獲得的交點(diǎn)集進(jìn)行條件揀選。首先將首尾兩點(diǎn)間的高度差設(shè)為h,在碰撞檢測(cè)的過程中,針對(duì)檢測(cè)線段求得的N個(gè)交點(diǎn)集進(jìn)行內(nèi)部遍歷,計(jì)算出各交點(diǎn)與首點(diǎn)、尾點(diǎn)的高度差h1和h2;比較上述3種類型的高度差,將h1和h2均小于h的交點(diǎn)提取并存儲(chǔ)至最終的道路點(diǎn)數(shù)組中,通過三維符號(hào)化建模生成的最終道路。

具體建模流程為:

(1)如圖19所示,點(diǎn)A和點(diǎn)B分別是道路AB的首點(diǎn)和尾點(diǎn),點(diǎn)C0和點(diǎn)C1分別為道路AB的細(xì)化節(jié)點(diǎn),基于點(diǎn)C0中x、y值的檢測(cè)線段1與場(chǎng)景求交,獲得一個(gè)交點(diǎn)C;基于點(diǎn)C1中x、y值的檢測(cè)線段2與場(chǎng)景求交,獲得兩個(gè)交點(diǎn)D′和D。

圖19 分離式立體交叉結(jié)構(gòu)圖Fig.19 Breakdown drawing of vertical crossing

(2)針對(duì)檢測(cè)線段1求得的交點(diǎn)集進(jìn)行條件揀選:首先求得首尾點(diǎn)間的高度差值DAB,交點(diǎn)C與點(diǎn)A、點(diǎn)B間的高度差值DCA和DCB,由于DCA、DCB均小于DAB,且此交點(diǎn)集僅有一個(gè)交點(diǎn),將此交點(diǎn)存儲(chǔ)至新數(shù)組中,停止交點(diǎn)集內(nèi)部遍歷,進(jìn)入下一檢測(cè)線段處理。

(3)針對(duì)檢測(cè)線段2求得的交點(diǎn)集進(jìn)行條件揀選:首先求得首尾點(diǎn)間的高度差值DAB,交點(diǎn)D′與點(diǎn)A、點(diǎn)B間的高度差值DD′A和DD′B,交點(diǎn)D與點(diǎn)A、點(diǎn)B間的高度差值DDA和DDB,接著分別比較DD′A、DD′B、DDA、DDB與DAB的大小關(guān)系,由于交點(diǎn)集含有多個(gè)交點(diǎn),可知地面上方存在立體交叉建筑,而DD′A、DD′B均大于DAB,可判斷D′點(diǎn)為突?；吸c(diǎn),將其剔除;DDB、DDA均小于DAB,將交點(diǎn)D存儲(chǔ)至新數(shù)組中,停止交點(diǎn)集內(nèi)部遍歷,進(jìn)入下一細(xì)化點(diǎn)的檢測(cè)線段處理。

(4)依次類推,最終得到由起點(diǎn)A、經(jīng)檢測(cè)處理的各個(gè)節(jié)點(diǎn)以及終點(diǎn)B組成的數(shù)組,三維符號(hào)化建模生成圖20所示的道路。

圖20 最終效果Fig.20 Effect picture of overpass

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)及成果分析

4.1 OSG的基本介紹

OpenSceneGraph(OSG)使用OpenGL技術(shù)開發(fā),是一套基于C＋＋平臺(tái)的應(yīng)用程序接口(API)。OpenGL技術(shù)為圖形元素(多邊形、線、點(diǎn)等)和狀態(tài)(光照、材質(zhì)、陰影等)的編程提供了標(biāo)準(zhǔn)化的接口。而OSG開發(fā)的主要意義在于,將3D場(chǎng)景定義為空間中一系列連續(xù)的對(duì)象,以進(jìn)行三維世界的管理。正是由于場(chǎng)景及其參數(shù)定義的特點(diǎn),通過狀態(tài)轉(zhuǎn)化、繪圖管道和自定制等操作,OSG還可以用于優(yōu)化渲染性能?？梢赃\(yùn)行OSG的平臺(tái)需要具備OpenGL的支持能力,以及C＋＋的編譯環(huán)境,支持OSG的系統(tǒng)包括Solaris、IRIX、Windows、Mac OSX等[14]。

目前,部分高性能的軟件已經(jīng)使用了OSG來渲染復(fù)雜的2D和3D場(chǎng)景。雖然大部分基于OSG的軟件更適用于可視化設(shè)計(jì)和工業(yè)仿真,但是在使用3D圖形的每個(gè)領(lǐng)域,都已經(jīng)出現(xiàn)了OSG的身影。這其中包括了地理信息系統(tǒng)(GIS)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、建模和數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作(DCC)、數(shù)據(jù)庫開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫、游戲和娛樂業(yè)。

4.2 試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)從道路要素角度出發(fā),兼顧地理信息空間數(shù)據(jù)處理以及三維符號(hào)庫架構(gòu),采用目前主流的C＋＋編程語言和獨(dú)立于硬件的OSG圖形渲染引擎開發(fā)了一個(gè)三維道路的快速構(gòu)建工具。該工具將導(dǎo)入的shp數(shù)據(jù)進(jìn)行諸如條件揀選、碰撞檢測(cè)、交叉口檢測(cè)等處理,獲得最終的道路節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)交叉口對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn),將這些點(diǎn)的坐標(biāo)同道路寬度、道路紋理等參數(shù)一同傳入主函數(shù)生成所需道路[15],如圖21、圖22所示,除樓房建筑物需要精細(xì)建模外,道路及附屬交叉口、綠化植被、紅綠燈均可通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成。

圖21 場(chǎng)景道路特寫Fig.21 The feature of road scene

圖22 場(chǎng)景交叉口特寫Fig.22 The feature of road intersections

結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)方面的研究進(jìn)展[16-18],在此對(duì)本研究進(jìn)行討論分析。本研究特色有:① 在數(shù)據(jù)分析階段,它支持道路節(jié)點(diǎn)選取的任意性,無須考慮每條道路在場(chǎng)景中的主方向,為后續(xù)道路交叉口檢測(cè)與生成,乃至整個(gè)道路場(chǎng)景的構(gòu)建奠定基礎(chǔ);② 道路場(chǎng)景中涉及的基礎(chǔ)道路、道路交叉口及其附屬設(shè)施均采用三維符號(hào)化技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)建模,如圖21所示,無須人工3Dmax等軟件進(jìn)行干預(yù),節(jié)省建模時(shí)間,提高工作效率;③本方法有效地解決一些復(fù)雜路段的交叉口建模,加快計(jì)算機(jī)處理速度,提升場(chǎng)景渲染及分析能力,如圖23、圖24中所示,密集的樓房群共有16個(gè)十字路口,從數(shù)據(jù)讀入到建模完成只需要5 s;④ 該方法所提供的道路內(nèi)置函數(shù)中已加入與整個(gè)場(chǎng)景的碰撞檢測(cè),同時(shí)將每條道路的邊界作為路基的約束條件,在一定程度上改變所途經(jīng)的地形模型,當(dāng)?shù)缆方徊婵诘母鼽c(diǎn)不共面時(shí),使其與地面起伏進(jìn)行較好的自適應(yīng)性匹配[19－20],避免造成如道路及其附屬交叉口飄在空中或鉆入地下等與客觀事實(shí)不符的情況;⑤ 由于此方法生成的道路是以二維矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[21],針對(duì)一些道路分析功能,如空間量測(cè)、最短路徑分析等都有較高的精確度,能夠較好地避免人工操作過程中可能出現(xiàn)的誤差;⑥ 與傳統(tǒng)建模方式不同,此方法完全底層開發(fā),道路參數(shù)可控性高,逼真感強(qiáng),方便后期維護(hù)的工作。

圖23 矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入場(chǎng)景Fig.23 Vector data input

圖24 局部交叉口特寫Fig.24 The partial feature of road intersection

5 結(jié) 論

通過試驗(yàn)驗(yàn)證,本文提出的道路交叉口自動(dòng)檢測(cè)與基于OSG的三維自動(dòng)建模方法適用于不同參數(shù)形式、不同存儲(chǔ)順序的道路矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入,由數(shù)據(jù)判讀與交叉區(qū)域獲取、道路節(jié)點(diǎn)打斷與控制點(diǎn)生成、交叉口類型識(shí)別與基于OSG建模三大環(huán)節(jié)構(gòu)成整體流程,具有較好的穩(wěn)健性,運(yùn)算效率較高,無須人工干預(yù)。該方法的不足之處在于針對(duì)立體交叉口類型的研究還在摸索階段,結(jié)合不同結(jié)構(gòu)樣式、不同精細(xì)程度的立交橋模型進(jìn)行道路拓?fù)潢P(guān)系的識(shí)別和交叉口處理,是未來研究的重中之重。

具體來說,將圍繞以下3個(gè)方面展開:其一,現(xiàn)實(shí)中立體交叉口種類繁多,后續(xù)研究將針對(duì)Y型立體交叉、喇叭形立體交叉和苜蓿葉型立體交叉的識(shí)別處理展開;其二,擴(kuò)充中心環(huán)島的建模樣式,依托三維符號(hào)化技術(shù)封裝成各種接口,通過參數(shù)化設(shè)置加入建模工具中,使未來的潛在用戶能夠全面地解決三維道路交叉口的建模與仿真;其三,針對(duì)各部門數(shù)據(jù)格式及屬性列表的不同,如何擴(kuò)展數(shù)據(jù)導(dǎo)入格式,簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析流程,優(yōu)化整體性能,真正實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)三維道路場(chǎng)景的一鍵式生產(chǎn),為城市道路交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

[1] ZHU Guomin,MA Zhaoting,SUN Longxiang,et al.Research on Fast Construction Method of 3D Models in 3D UGIS [J].Geography and Geo-Information Science,2007, 23(4):29-32.(朱國(guó)敏,馬照亭,孫隆祥,等.城市三維地理信息系統(tǒng)中三維模型的快速構(gòu)建方法[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(4):29-32.)

[2] LI Junyi.A Research on Three-dimensional Map Symbols of Digital Map[D].Xi’an:Shaanxi Normal University, 2004.(李君軼.數(shù)字地圖三維專題符號(hào)的研究[D].西安:陜西師范大學(xué),2004.)

[3] WANG Jun,CAI Zhanhua,CHUAI Jinhua.Vega Technology and Its Application in Highway Traffic[J].Journal of Computer Applications,2004,24(7):62-64.(王俊,蔡占華,揣錦華.Vega技術(shù)及其在公路交通中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2004,24(7):62-64.)

[4] WANG Weifeng,TANG Xiaoan,XIE Yaohua.Automatic Detection and Modeling of Intersections in 3D Roads Model Based on GIS[J].Computer Engineering and Design,2007,28(24):6023-6025.(王衛(wèi)峰,湯曉安,謝耀華.基于GIS的三維道路模型交叉口自動(dòng)檢測(cè)與建模[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007,28(24):6023-6025.)

[5] LU Shouyi.Geographic Information System[M].Beijing: Higher Education Press,2004.(陸守一.地理信息系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2004.)

[6] HAN Zhiheng,RUI Xiaoping,SONG Xianfeng,et al.An Efficient Algorithm to Construct Connectivity Topology for Road Network Using R-tree and B-tree Indexes[J].Journal of Geo-Information Science,2013,15(4):498-504.(撖志恒,芮小平,宋現(xiàn)峰,等.利用雙重索引快速構(gòu)建道路網(wǎng)絡(luò)連通拓?fù)鋄J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2013,15(4): 498-504.)

[7] XU Zhu,MENG Yanzi,LI Zhilin,et al.Recognition of Structures of Typical Road Junctions Based on Directed Attributed Relational Graph[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2011,40(1):125-131.(徐柱,蒙艷姿,李志林,等.基于有向?qū)傩躁P(guān)系圖的典型道路交叉口結(jié)構(gòu)識(shí)別方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2011,40(1):125-131.)

[8] ZHU Zhuangsheng,WANG Qing,WAN Dejun.Road Network Model Based on Virtual Node Joint[J].Journal of Chinese Inertial Technology,2008,16(4):453-457.(朱莊生,王慶,萬德鈞.基于虛擬節(jié)點(diǎn)連接的道路網(wǎng)絡(luò)模型[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2008,16(4):453-457.)

[9] MENG Yanzi.Structural Pattern Recognition and Simplification of Road Junctions[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2009.(蒙艷姿.道路交叉口的結(jié)構(gòu)化識(shí)別與簡(jiǎn)化[D].成都:西南交通大學(xué),2009.)

[10] LUAN Xuechen,YANG Bisheng,LI Qiuping.Pattern-based Node Matching Approach for Road Networks[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2013,42(4):608-614.(欒學(xué)晨,楊必勝,李秋萍.基于結(jié)構(gòu)模式的道路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)匹配方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2013,42(4):608-614.)

[11] XIAO Peng.3D Rendering of Engine Programming Guide with OpenSceneGraph[M].Beijing:Tsinghua University Press,2010:2-3.(肖鵬.OpenSceneGraph三維渲染引擎編程指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010:2-3.)

[12] XU Xianru,YU Chunli.The Research of Design on Ancillary Facilities of Road Landscape[J].Journal of Nanjing Arts Institute,2009,5(35):143-147.(徐賢如,于春麗.道路景觀附屬設(shè)施設(shè)計(jì)初探[J].南京藝術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009, 5(35):143-147.)

[13] LIU Wei,CHEN Ning.Matching Degree between Tank’s Motion and Terrain Based on the Technology of Intersection Detective[J].Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition),2012,26(4): 356-360.(劉煒,陳寧.基于碰撞檢測(cè)的坦克運(yùn)動(dòng)與地形匹配性研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012, 26(4):356-360.)

[14] WANG Rui,QIAN Xuelei.3D Rendering of Engine Design and Practice with OpenSceneGraph[M].Beijing:Tsinghua University Press,2009:89-100.(王銳,錢學(xué)雷.Open-SceneGraph三維渲染引擎設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:89-100.)

[15] ZHENG Yanfei.Construction of 3D Visualization Lanebased Road Network Model[D].Shanghai:East China Normal University,2010.(鄭燕飛.構(gòu)建基于車道的三維可視化道路網(wǎng)絡(luò)模型[D].上海:華東師范大學(xué),2010.)

[16] MATTEO V,SASCHA O.A Market-Inspired Approach for Intersection Management in Urban Road Traffic Networks[J].The Journal of Artificial Intelligence Research,2012,43(4):621-659.

[17] AMBROZ M,KRASNA S,PREBIL I.3D Road Traffic Situation Simulation System[J].Advances in Engineering Software, 2005,36(2):77-86.

[18] LHUILLIER M.A Generic Error Model and Its Application to Automatic 3D Modeling of Scenes Using a Catadioptric Camera[J].International Journal of Computer Vision, 2011,91(2):175-199.

[19] SUN Dihua,XIAO Feng,LIAO Xiaoyong,et al.Algorithm Based on Preprocessing for Constructing Topological Structure of Urban Road Network[J].Computer Engineering and Applications,2008,44(23):233-235.(孫棣華,肖鋒,廖孝勇,等.基于預(yù)處理的城市路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(23):233-235.)

[20] PU Hao,SONG Zhanfeng,ZHENG Shunyi,et al.Realtime Dynamic Display Technology of Road 3D Scene[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2003, 3(1):52-56.(蒲浩,宋占峰,鄭順義,等.道路三維場(chǎng)景的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2003,3(1): 52-56.)

[21] WANG Aiai,ZHANG Jin.Matching Method between Threedimensional GIS Building and Road Solid Model and Relief Model[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2012(6): 84-86.(王愛愛,張錦.三維GIS建筑物和道路實(shí)體模型與地形模型匹配方法[J].測(cè)繪通報(bào),2012(6):84-86.)

(責(zé)任編輯:宋啟凡)

Three-dimensional Road Intersection Automatic Inspection and Robotization Modeling Based on OpenSceneGraph

MA Xiaolong,LI Chengming,ZHAO Zhanjie
Institute of Cartography and Geographic Information System,Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing 100830,China

Targeting the simple overlap arising when multiple roads intersect in a three-dimensional road scene,an automatic detection and modeling method is provided for 3D road intersections on the basis of open-source 3D rendering engine OSG(OpenSceneGraph).In this method,by analyzing road vector-data storage characteristics and intersection design specifications,an intersection area can be quickly captured or formed,with its type being identified simultaneously,so as to achieve its automatic modeling by means of computer graphics and OSG scene rendering technique.The experiment proves that this method has effectually solved one-button generation of three-way,four-way,roundabout,and separate 3D intersections,without the need of manual intervention,serving as a foundation for the quick construction of future big-data 3D-road scenes.

road intersection;OpenSceneGraph;vector data;automatic inspection and modeling

MA Xiaolong(1989—),male,master,majors in 3D GIS.

LI Chengming

P208

A

1001-1595(2014)10-1083-09

測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“時(shí)空信息云平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用示范”(201412003);基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目“數(shù)字區(qū)域地理空間框架建設(shè)”(A1302);基礎(chǔ)測(cè)繪科技項(xiàng)目“智慧城市中地圖平臺(tái)技術(shù)研究”(A11118)

2013-12-31

馬小龍(1989—),男,碩士,研究方向?yàn)槿SGIS。

E-mail:mxl12315＠qq.com

李成名

E-mail:cmli＠casm.ac.cn

MA Xiaolong,LI Chengming,ZHAO Zhanjie.Three-dimensional Road Intersection Automatic Inspection and Robotization Modeling Based on OpenSceneGraph[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(10):1083-1091.(馬小龍,李成名,趙占杰.道路交叉口自動(dòng)檢測(cè)與基于OpenSceneGraph的三維自動(dòng)建模方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(10):1083-1091.)

10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0158

修回日期:2014-07-22