基于 JX4全數字攝影測量系統的DE M和 DLG改進方法

龍四春,劉文彬,林 劍,李朝奎,陶建軍,李博超

(湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院,湖南湘潭 411201)

基于 JX4全數字攝影測量系統的DE M和 DLG改進方法

龍四春,劉文彬,林 劍,李朝奎,陶建軍,李博超

(湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院,湖南湘潭 411201)

針對 JX4全數字攝影測量系統測得的DEM在建筑物地基和路面可能存在的不合理凹凸,以及DLG數據中建筑物高度信息的缺失,提出一套改進的DEM和DLG生產方法。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。改進后的DEM和DLG可以與DOM結合生成更高精度的DTM和建筑物模型,為建立高效率、高精度的三維數字城市奠定了基礎。

數字攝影測量;DEM;DLG;三維建模

JX4(JieXi4)全數字攝影測量系統能生產高精度、高密度的數字高程模型 (DEM)、數字正射影像圖 (DOM)、數字線劃圖 (DLG)和數字柵格圖 (DRG)等產品,具有半自動化、實用性強、人機交互功能好的優點[1],能為建立三維數字城市提供基礎數據。但 JX4沒有對建筑物地基和路面處的 DEM進行特殊處理,而且測得的 DLG中沒有存儲建筑物的高度信息,因此,將其產品直接用于建立三維數字城市還需進行數據處理與加工。

本文針對 JX4全數字攝影測量系統測得的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行改正,設計并實現了改進算法程序,以對改進算法進行對比和定量分析。同時對其在三維數字城市建設以及三維空間分析等方面的應用進行了討論。

一、JX4全數字攝影測量系統生產 DEM和 DLG產品的生產流程及存在的問題

隨著計算機技術的發展和數字圖像處理、模式識別、人工智能、專家系統以及計算機視覺等學科的不斷發展,數字攝影測量研究的內容從模擬、解析發展到了全自動的數字化階段。在 JX4中,DEM和DLG的生產流程如圖 1所示。

圖 1 DEM和DLG的生產流程

根據 DEM和 DLG的生產流程和實際測圖經驗,在生產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,并很少關心地基的平整度,現有三維建模軟件都不能直接用 JX4生產的 DEM和DOM生成數字表面模型 (DS M)[1-9]。而且,JX4生成的 DLG數據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 DEM和 DLG數據的改進方法

1.數據改進步驟與流程

直接由 JX4生產的 DEM數據是等間距的規則格網數據,若所測得的可視地面區域的 DEM準確,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數據可進行一定程度的改進。步驟如下:

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

圖 2 DEM中找最近結點

取構成網格的四個結點中離 Pn最近結點的高程為 Pn點投影到地面的高程。

3)在 DLG中的建筑物數據后加存 H值,可實現建筑物和DEM的無縫銜接。

4)根據 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進行改正,具體數據改進流程如圖 3所示。

2.修正建筑物地基DEM

為了實現三維數字城市的真三維顯示和三維空間分析,JX4全數字攝影測量系統生產的DEM數據還需進行修正,根據 DEM所處位置和高程的不同,綜合考慮環境因素與鄰近建構筑物的特征,可選擇以下兩種方法。

圖 3 數據改進流程

(1)建筑物地基DEM鏟平

根據式(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。如果在多邊形內,則將 Pn的高程值修改為否則不修改,根據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全數字攝影測量系統進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域內各點的高程 ZPn設為其腳點高程的平均值,而是設為其頂點高程值 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DEM的間距遠遠大于重建出現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據,即改進后的 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

讀取地物矢量數據中的道路數據,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組Left和 Right中。沿道路的測量方向從左右邊線數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段 (如圖 6所示)。

圖 6 道路修改算法示意

計算各個區段沿道路走向的高差 h和長度 d

再計算各個區段內單位距離內的高程增加值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

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

4.改進 DLG數據

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位置的高程一致了,從而能實現建筑物模型與地貌模型的無縫連接。將 D存于 DLG建筑物數據層相應位置,便于建筑物模型重建。

三、應用實例驗證

1.實例數據與條件

先基于 JX4系統中附帶的測試數據制作一份DE M、DOM和 DLG,然后在 VS2005平臺上用 C#語言開發了一個數據改進程序。實例所用的數據為 JX4系統中附帶的測試數據,總面積是 4.475 km2,DEM格網間距為 1m,DOM精度為 ±0.2 m,建筑物數為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,在建立三維數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無縫銜接,使原本可能在路面和建筑物地基處出現的不平消失,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.實例結果

針對兩種建筑物地基 DEM的修正效果進行試驗,其效果比對如圖 7所示。

圖 7 建筑物改進效果比對

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軟件的內部建模機制無法使用1m間距的DEM,造成抽析現象所致。

圖 8中沒有進行修正前的 (a)中道路存在明顯的不合理,其路面的右側明顯高于左側,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改進效果比對

通過對上述建筑物和道路進行DEM修正后,能實現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.改進后數字產品生成系統的特點

1)通過建筑物頂部頂點坐標數據和 DEM數據,系統能自動計算出房屋的腳點坐標和房屋的高度。

2)系統可以多次讀取矢量數據文件,并將矢量數據無重復的存儲。

3)通過數據修正,系統實現了建筑模型與DEM的無縫連接、建筑物底部和道路處的 DEM整平,使DEM與現實擬合得更好。

4)處理速度快。試驗數據所用的三維地形圖的面積是 4.475 km2,精度為 ±1 m,建筑物數有 269棟,道路有 24條。從數據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內完成,如果不包括數據修正和數據轉化,用時將節省一半以上。

四、結束語

數字攝影測量是一種能快速獲取高精度三維地理數據的技術,在三維數字城市建設中起到巨大的作用。本文主要就JX4全數字攝影測量系統生產的DEM和DLG數據進行了合理改進,實現了建筑物模型與 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據更合理。但這兩種改進方法是從不同的角度對其基礎數據進行修改的,而綜合的改進方法還有待進一步研究。

[1]戴小真.全數字攝影測量的生產流程及技術要點[J].地礦測繪,2002,18(2):16-17.

[2]龔健雅,杜道生,李清泉,等.當代地理信息技術 [M].北京:科學出版社,2004:170-171.

[3]李成名,王繼周,馬照亭.數字城市三維地理空間框架原理與方法[M].北京:科學出版社,2008:17-20.

[4]王之卓.攝影測量原理[M].北京:測繪出版社,1979.

[5]張祖勛,張劍清.數字攝影測量學 [M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1996.

[6]張劍清,潘勵,王樹根.攝影測量學 [M].武漢:武漢大學出版社,2003.

[7]陳干,閭國年,劉曉艷,等.數字城市與虛擬城市關系研究[J].江蘇城市規劃,2000(4):30-34.

[8]劉德利.基于數字攝影測量的城市三維景觀建模 [D].長春:吉林大學,2006.

[9]胡志貴.數字攝影測量系統——基礎空間信息生產的解決方案[J].中國 GIS工程與應用通訊,2001(1):44-46.

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);江西省數字國土重點實驗室基金資助(DLLJ201010);湖南省哲學社會科學基金資助 (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害監測與遙感圖像處理。