虛擬地景中地物與地形融合質量評估

摘 要：為解決虛擬地景中地物與地形融合質量差，融合結果與實際相比，方差與中誤差較大的問題，本文對虛擬地景中地物與地形融合與質量評估進行了研究。采用獨立于地形的地物與地形融合、依賴地形的地物與地形融合、地物模型與地形模型融合算法計算，實現虛擬地景中地物與地形融合，并對融合后的結果質量進行評估，采用新的融合方式可以有效提高質量，縮小融合方差與中誤差，提高融合精度。

關鍵詞：虛擬地景；地形融合；質量評估

中圖分類號：P 217" 文獻標志碼：A

隨著計算機科學技術的不斷進步，人們對創建和展示虛擬地形提出了更高的要求，不僅要求地形模型有真實感，還要求地形模型能夠與周圍環境融合。

在虛擬地景中，地形和地物都是重要的組成部分。地形是基礎，它提供了場景的基本形態和結構，而地物是添加的元素，它們可以增加場景的復雜性和真實感[1]。在傳統的虛擬地形建模中，通常分開處理地形和地物，導致模型之間的不協調和斷裂感。因此，將地形和地物進行有效融合，使其在視覺上更真實和自然，成為了虛擬地形建模中的重要問題。研究虛擬地景中地物與地形的融合方法，不僅可以提高虛擬環境的真實感和逼真度，還可以為虛擬環境的創建和應用提供更好的工具[2]。綜上所述，該問題可以歸結為計算機圖形學的發展和對虛擬環境真實感和逼真度的追求。因此，本文將對其進行設計與研究。

1 虛擬地景中地物與地形融合

1.1 獨立的地物與地形融合

對獨立于地形的地物來說，應該采用地景相適應的思想，只需要在空間上對齊即可。本文提出了一種基于獨立樹的地形適應性方法，并根據該方法計算了一棵獨立樹的高程[3]。將此點與網格角點相結合，對其進行三角化處理，形成一個三角網。如圖1所示。

由于大比例尺中獨立的建筑是三維實體，因此當建筑物跨越多個或構建多個地形模型平面時，會產生建筑物與地面的“空洞”，從而導致模型變形，不能保證虛擬場景的準確性。因此，本文提出了一種基于地形特征的單體房屋三維建模方法，并考慮了該方法的有效性。

1.2 依賴于地形的地物與地形融合

對依賴于地形的地物與地形融合進行設計，當對此類地物覆蓋的地區進行地貌建模時，必須充分考慮地物對地貌的改造效應[4]。地塊、大型植被和湖泊等典型的面狀分布地物，其所占面積大，可以改變地形，使地面平坦化。此外，這種類型的特征是在其界線上所有點的高度值都一樣[5]。針對街區的地形重構問題，本文提出了一種新的方法：首先將街區中所有建筑高度值設為H，其次對其進行三角形劃分。在此基礎上，利用DEM在2D平面內的投影，對其進行剖分。最后在DEM網格上生成新的DEM單元，對其進行三角化處理，如圖2所示。

為達到在虛擬環境下對地形進行重構的目的，將兩條平行的路徑沿著其位置軸向左、右形成具一定寬度W的平行直線，從而達到雙線化處理的目的。在此基礎上，在左、右平行線上相應坐標的數據點，它的高度與這個觀測點的海拔相等[6]。公路改建地形的具體方法：首先，將兩條公路平行的直線圍成一個四邊形，對該四邊形進行三角剖分，其次，逐格求取平行線的左右側邊線與DEM的交點處，將相交點嵌入DEM中，對與道路四邊形無關的離散元，除了連接到道路四邊形的單元外，不做任何處理，將未被路面單元分割為新的多邊形，對其進行三角劃分，再次，對DEM格網中已有的數據進行劃分，并對其進行簡單的道路劃分，就可以得到與地形相結合的三維道路模型。最后，針對不同的三角形曲面，按其自身特性進行相應映射。

1.3 地物模型與地形模型融合算法

考慮地物模型與地形模型融合算法的通用性，得出以下定義。

將裁減多邊形的頂點定義為n個，各頂點分別為D1，D2，……，Dn，各邊分別為D1D2，D2D3，……，Dn-1Dn，主多邊形的頂點定義為m個，各頂點分別為W1，W2，……，Wm，各邊分別為W1W2，W2W3，……，Wm-1Wm。

按照上述定義，結合圖3的算法思路，得出地物模型與地形模型融合算法的計算步驟。

第一步：計算時，構建一個諸多變形的頂點列表。

第二步：逐個判定被裁剪的多邊形中的每個頂點與主多邊形的關系，并分別賦上“內”和“外”兩種屬性，用來創建裁剪后的多邊形的頂點鏈表。

第三步：求解裁減多邊形與主多邊形的交點，如圖3中的I1、I2、I3、……。按照順時針順序插入裁減多邊形頂點列表中，同樣為其賦予“進”或“出”的屬性[7]。

第四步：創建一個生成的多邊形點的清單，并把這個“進點”保存在一個列表中，這個“進點”是從一個被裁剪的多邊形點的列表中開始的。按順序從被裁剪的多邊形點中取下一個點，如果是內點，就把它存儲在生成的多邊形點列表里，如果是“出點”，就將其儲存至該多邊形的點鏈表中。一直到最后，找到這一步“進點”的位置，再用“外點”替換掉這一步中的“進點”[8]。

第五步：判定裁剪后的頂點列表中有無“進點”，如果有，就重復步驟四，沒有就繼續。

第六步：生成若干多邊形的頂點，并指出要裁剪的多邊形的數目。

第七步：對每個結構面都進行三角剖分，形成一個完整的三角網格。

2 質量評估

2.1 虛擬環境建模平臺

為確保相關工作在實施中可以達到預期效果，為檢驗融合算法，須建立虛擬環境建模平臺。在此過程中，明確虛擬環境的應用場景和需求，例如游戲、模擬飛行、城市規劃等，以便確定虛擬環境的功能和特點。根據需求，需要采集和處理相關的數據，包括地形數據、建筑數據、植被數據等，以構建虛擬環境的基礎模型。

利用三維建模工具，例如3ds Max、Maya等，構建虛擬環境中的三維模型，包括地形、建筑、植被、交通工具等。同時，利用計算機圖形學技術，根據采集的地形和地物數據構建虛擬地形和地物模型。在此過程中，可以采用多種技術手段，例如LOD技術、紋理映射、光照模型等，以提高建模平臺的細節和逼真度。在此基礎上，為三維模型添加材質和紋理貼圖，以增加模型的細節和逼真度。利用光照和陰影模擬工具，模擬太陽、燈光等光源對模型的影響，以創建逼真的光照效果。通過組織和發布虛擬場景，包括場景的層次結構、資源管理、場景導出等，完成虛擬環境建模平臺的開發。

當構建虛擬環境建模平臺時，需要考慮平臺的可擴展性和可維護性，以便滿足不斷變化的應用需求。同時還需要考慮平臺的安全性和穩定性，以保證虛擬環境的穩定運行。過程如圖4所示。

2.2 融合質量測試

完成上述相關內容的研究后，對地物與地形融合質量進行測試，考慮測試中試驗樣本數據的數量有限，為保證測試結果的可靠性與準確性，按照公式（1），對地物與地形融合后的空間閾值進行設定。

（1）

式中：S為地物與地形融合后的空間閾值；K為地形坡度融合常量參數；H為空間中的等高線間距；P為坡度變量；C為網格尺寸。

首先，當對融合后的幾何精度進行評估時，必須慎之又慎，選擇合適的評估方法至關重要。除了評估方法的選擇，制定明確的評估標準和指標也是不可或缺的。這些標準和指標就像是評估過程中的指南針，指明了方向，能夠清楚地知道融合效果是否達到了預期目標。通過對比實際數據與融合數據之間的差異，可以得出融合效果的優劣，為后續的決策提供參考。

其次，還需要注意測試樣本的選取。這些樣本應該具有代表性，能夠充分反映地物與地形的特征。只有選取了合適的測試樣本，才能確保評估結果的準確性和可靠性。否則，即使評估方法再科學、評估標準再明確，如果樣本選擇不當，那么得出的評估結果也將失去意義。

最后，在完成測試中相關條件的設定后，將對融合后樣本均方根誤差（標準偏差）進行計算。均方根誤差能夠直觀地反映出融合數據與真實數據之間的偏差程度，因此通過計算均方根誤差，可以對融合質量進行定量評價，從而為后續的改進工作提供依據。

在評估過程中，還需要收集實際的地物與地形數據，以便與虛擬環境中的模型進行比較。這種比較能夠更直觀地了解融合數據與實際數據之間的差異，從而更加準確地評估融合效果。在一定的測量條件下，計算數據期望值，將計算結果作為融合后平均誤差，為后續提供一個全面的視角，以便更好地了解融合數據的質量。

具體的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：E（|?|）為融合后平均誤差；f（?）為中誤差函數。通過這個公式，可以計算出融合后的平均誤差，從而對融合效果進行量化評估。這個計算過程雖然復雜，但卻是評估融合效果不可或缺的一步。根據計算結果，計算融合后的樣本均方根誤差（標準偏差）。如公式（3）所示。

（3）

式中：RMSE為融合后的樣本均方根誤差（標準偏差）；Li為空間位置關系準確度為i的樣本數據離散程度；u為真值；n為誤差數量。完成上述內容的研究后，根據具體情況，統計與分析不同網格空間尺度下融合后的樣本高程值均方根誤差，見表1。

從表1可以看出，在網格空間尺度相同的條件下，高山地區高程值均方根誤差gt;中山地區高程值均方根誤差gt;丘陵地區高程值均方根誤差，在地形與地物一致的條件下，隨著網格空間尺度的增加，融合后樣本高程值均方根誤差也呈現增加趨勢。

根據表中數據可知，當網格空間尺度達到一定數值時，融合后的誤差極大，已經影響了地物與地形的融合精度，因此，在融合過程中，應盡量控制網格空間尺度，同時，對提出的融合方案進行深層次優化，以這種方式，縮小融合后的誤差。

3 結語

在虛擬地景中，地物與地形的融合是實現真實感和逼真度的關鍵。通過研究地物與地形的融合方法，可以更好地模擬現實世界的地形和地物特征，提高虛擬環境的真實感和逼真度。這對虛擬現實、游戲開發、城市規劃、自然災害模擬等領域都具有重要的意義。

在未來的研究中，可以進一步探索地物與地形的融合方法，例如通過引入更多的物理模型和算法來提高模型的細節和精度，或者通過結合深度學習和計算機視覺技術來實現自動融合。此外，還可以將地物與地形的融合方法應用于其他領域，例如醫學影像分析、仿真訓練等。

研究虛擬地景中地物與地形融合方法具有重要的理論和實踐意義，它可以為創建和應用虛擬環境提供更好的支持，為未來的數字地球和智慧城市等大型虛擬環境提供更真實的體驗。

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