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一种嵌入式城市设计场景仿真方法及系统技术方案

技术编号:21455718 阅读:75 留言:0更新日期:2019-06-26 05:21
本发明专利技术公开了一种嵌入式城市设计场景仿真方法及系统,包括以下步骤:根据采集的倾斜摄影数据建构现状城市三维模型场景;将城市设计三维模型加载到场景中,并提取生成建筑物的几何属性;统一模型与场景的空间坐标系,并以建筑物为基本单元自动判定空间匹配程度,将匹配的标记为Y,不匹配的标记为N以进行区分;对标记N的区域,在倾斜摄影三维模型场景中进行局部按压以平整立体数据;对标记Y的区域,在城市设计三维模型中进行即时空间编辑,并隐藏带标记的建筑物;打开处理后的两组空间数据实现嵌合显示。本发明专利技术可以便捷地将城市设计三维模型嵌入现状倾斜摄影三维模型进行场景仿真,为城市设计成果的数字化呈现与管理提供了技术与方法支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种嵌入式城市设计场景仿真方法及系统
本专利技术属于城市规划领域,尤其涉及一种嵌入式城市设计场景仿真方法及系统。
技术介绍
城市设计主要研究城市空间形态的建构机理和场所营造,是对包括人、自然、社会、文化、空间形态等因素在内的城市人居环境所进行的设计研究、工程实践和实施管理活动(中国大百科全书第三版)。城市设计是一种关注城市形态塑造的学科,相较于城市规划在二维层面上对城市布局的考虑,城市设计更聚焦于城市空间的三维物质空间形态。城市作为人口、资源、环境和社会经济要素的地理综合体,在不断扩张的过程中,受到多重要素的影响机制作用,城市呈现出动态变化的特征,在物质空间上也变得日趋复杂。而城市设计作为对城市物质空间形态的合理设计,其在编制上关注市民、设计师等多方的共同决策,需要编制成果能够直观明确地呈现在多方视角下,而相对于物质空间的复杂性,通过效果图、模型、动画等传统方式来展示城市设计成果却具有静止、机械的缺陷。针对这些问题,城市设计仿真技术由于其在呈现效果上的直观性及实际操作上的便捷性,可以使复杂的城市空间及设计成果易于理解。在城市设计中应用仿真技术,正是契合了物质空间复杂性的特点及城市设计成果呈现的内在要求。所谓仿真技术,是指建立仿真模型和进行仿真实验的技术,它综合集成计算机、网络、图形图像、多媒体、信息、自动控制等多项高新技术。目前在城市设计领域中的场景仿真技术多关注城市设计方案的三维可视化,主要通过获取数据以建立模型,再通过漫游系统集成的方式得以实现。目前主要的技术手段主要分为两大类:一是通过倾斜摄影或激光扫描等技术得到现状城市及建筑物模型进行场景仿真,即通过在同一无人飞行平台上搭载多台传感器,同时从垂直、倾斜等不同角度采集地面影像,获取地面物体更完整准确的正片和斜片信息。(《无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模及三维数据更新中的应用》)、(《基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模》)。二是通过Sketchup、Arcgis、3Dmax等软件建立高精度三维模型对设计成果进行场景仿真,(《基于2DGIS的校园三维景观的构建》)、(《基于3DMAX城市三维建模与精度的研究》)。倾斜摄影技术在场景仿真中的应用,其优势在于其真实性、高效性,通过倾斜摄影能够反映地物的真实情况,同时极大地弥补了基于正射影像应用及三维激光建模的不足,同时它具备建筑物纹理采集、数据量小等优势;其劣势在于时效性较差、现状导向,由于其基于现状城市测绘进行建模的特点,倾斜摄影技术更多地适用于现状城市环境的可视化表达,并通过多次测绘进行现状模型的更新,无法进行城市设计方案的场景仿真。高精度三维模型技术的应用,其优势则在于其时效性、设计导向,通过在现状模型的基础上置入城市设计方案,并随着城市设计方案的更改及多地块城市设计方案的置入,可以实时更新三维模型,利于设计方案优化与城市管理工作的运行;其劣势在于真实性较差,借助建模工具建模则重点表达设计方案周边环境及方案内部空间,忽视了对现状的城市空间环境的细节刻画,与实际场景效果存在明显差异。目前两种主要的场景仿真技术的运用中,一个较为明显的缺陷在于很难兼顾“现状”和“设计”。要么只顾现状,不顾设计,要么只顾设计,不顾现状的特点,显然都不符合城市设计的工作目标和诉求。从设计成果与现状情况的关系来看,顾然也存在“颠覆式”的城市设计,即设计成果和现状毫不相关;但更多的是“更新式”的城市设计,设计成果中对现状有大量的保留,仅改变了一部分建筑物建成情况,尤其在我国快速城镇化进入中后期的背景下,城市设计更关注存量空间中的微更新。这样的背景更加促使城市设计仿真方法的升级,即在城市设计仿真中,应该兼顾“现状”和“设计”,利用计算机技术将城市设计方案置入存量空间中,将设计后保留的现状建筑物及环境依然用倾斜摄影显示,将设计后不存在的现状建筑物及环境“删去”,替换为设计中的新增建筑物及环境,进行三维场景性的仿真。然而,在两种主要技术的融合上也存在着几点困难:首先在采用的坐标上,前者多采用2000国家大地坐标系(CGCS2000),后者则多采用WGS-84坐标系,若采用直接嵌入的方式,则隐含着如何统一二者坐标系的问题;同时若通过人工嵌入的方式,将城市设计三维模型嵌入到现状城市空间中去,则容易出现低智能化的缺陷,由于两种技术手段的差异,人工嵌入易带来技术结果随意性大、工作效率低下的弊端,特别是应对建筑物数量较多的情况,根本无法在短期内将庞大的建筑物数据人为嵌入到现状城市模型进行场景仿真。
技术实现思路
专利技术目的:针对本专利技术存在的以上问题,本专利技术提出一种嵌入式城市设计场景仿真方法及系统,能够对“倾斜摄影三维模型”所代表的现状建筑物及环境以及“城市设计三维模型”所代表的设计新增建筑物及环境进行空间匹配自动判定和标记,进而编辑实现城市设计场景仿真,以避免传统操作中无法兼顾现状和设计,或人工嵌入方式中技术结果随意性大、工作效率低下等问题。技术方案:为实现本专利技术的目的,本专利技术所采用的技术方案是:一种嵌入式城市设计场景仿真方法,包括如下步骤:步骤1:对采集获得的既定范围的倾斜摄影数据,通过平台加载、几何校正、数据抽稀一系列技术进行场景建构形成倾斜摄影三维模型,实现对建筑物模型的对象化管理和特征提取,特征提取指的是,提取生成每栋建筑物的几何属性;步骤2:对既定范围内城市设计三维模型进行坐标系转换,将城市设计三维模型数据加载到倾斜摄影三维模型场景中,并提取生成每栋建筑物的几何属性;城市设计三维模型是城市设计这个业务的成果形式之一,针对设计范围所对应的区域,对其中的道路、街区和建筑物等要素进行建模,本案所指的城市设计三维模型,特指建筑物;所述几何属性为对象的底面长度、宽度以及建筑物高度信息。步骤3:对统一空间坐标系下的倾斜摄影三维模型场景及城市设计三维模型数据,以建筑物为基本单元进行空间匹配自动判定,匹配的标记Y,不匹配的标记N;步骤4:对于标记N的建筑物,在倾斜摄影三维模型中进行局部压平,使得该区域的立体数据被平整化;步骤5:对于标记Y的建筑物,在城市设计三维模型中进行即时空间编辑,将带有标记的建筑物隐藏化;步骤6:将经过步骤4和步骤5处理后的两组数据同时打开,实现嵌合显示。并且,可进一步经由虚拟现实及外部体感设备交互,增强城市设计场景仿真效果。步骤1:对采集获得的既定范围的倾斜摄影数据,通过平台加载、几何校正、数据抽稀等一系列技术进行场景建构形成倾斜摄影三维模型,实现对建筑物模型的对象化管理和特征提取。(1.1)采集获取不小于既定范围的倾斜摄影数据,即城市设计范围的倾斜数据,倾斜摄影测量通过在飞行平台上搭载多镜头相机组同时采集1个垂直角度及4个倾斜角度的影像,飞行平台比如多旋翼无人机、固定翼无人机、垂直起降无人机等。(1.2)通过自动化建模软件对倾斜摄影数据生成基于真实影像纹理的倾斜摄影三维模型,上述生成倾斜摄影三维模型是通过自动化建模软件对摄影数据进行几何校正、联合平差、多视影像匹配一系列处理获得地物全方位信息数据构建的;该建模软件可以是法国DIGINEXT公司研发VirtualGeo软件、美国Pictometry公司的EFSElectronicFieldStudy软件。(1.3)通过SuperMap平台加载倾斜摄影三维模型Super本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:步骤1:对采集获得的既定范围的倾斜摄影数据进行处理构建倾斜摄影三维模型,并对模型中的建筑物进行对象化管理,并提取生成每栋建筑物的几何属性;步骤2:对既定范围内城市设计三维模型加载到倾斜摄影三维模型场景中,并提取生成每栋建筑物的几何属性;步骤3:对统一空间坐标系下的倾斜摄影三维模型场景及城市设计三维模型数据,以建筑物为基本单元进行空间匹配自动判定,匹配的建筑物标记Y,不匹配的建筑物标记N;步骤4:对于标记为N的建筑物,在倾斜摄影三维模型中进行压平操作,使得该区域的立体数据被平整化;步骤5:对于标记为Y的建筑物,在城市设计三维模型中进行即时空间编辑,将带有标记的建筑物隐藏化;步骤6:将经过步骤4和步骤5处理后的两组数据同时打开,实现嵌合显示。

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:步骤1:对采集获得的既定范围的倾斜摄影数据进行处理构建倾斜摄影三维模型,并对模型中的建筑物进行对象化管理,并提取生成每栋建筑物的几何属性;步骤2:对既定范围内城市设计三维模型加载到倾斜摄影三维模型场景中,并提取生成每栋建筑物的几何属性;步骤3:对统一空间坐标系下的倾斜摄影三维模型场景及城市设计三维模型数据,以建筑物为基本单元进行空间匹配自动判定,匹配的建筑物标记Y,不匹配的建筑物标记N;步骤4:对于标记为N的建筑物,在倾斜摄影三维模型中进行压平操作,使得该区域的立体数据被平整化;步骤5:对于标记为Y的建筑物,在城市设计三维模型中进行即时空间编辑,将带有标记的建筑物隐藏化;步骤6:将经过步骤4和步骤5处理后的两组数据同时打开,实现嵌合显示。2.根据权利要求1所述的一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,步骤(1)的具体方法如下:(1.1)采集获取不小于既定范围的倾斜摄影数据,即城市设计范围的倾斜数据;(1.2)通过自动化建模软件对倾斜摄影数据生成基于真实影像纹理的倾斜摄影三维模型;(1.3)通过SuperMap平台加载倾斜摄影三维模型;(1.4)构建不规则三角网,将不同角度拍摄的高分影像映射到TIN模型上;(1.5)提取建筑物二维基底面,实现对建筑物模型对象化管理。3.根据权利要求1或2所述的一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,步骤(2)的具体方法如下:(2.1)对城市设计三维模型进行编辑,清除模型地理位置,将经纬度信息置零;(2.2)将城市设计三维模型导入SuperMap平台;(2.3)添加与倾斜摄影三维模型一致的坐标系,将城市设计三维模数据源加载到场景中;(2.4)通过图层属性编辑,添加要素属性表,实现对每一栋建筑物的几何信息和属性信息的储存和管理。4.根据权利要求3所述的一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,步骤(3)的具体方法如下:(3.1)对统一坐标系的倾斜摄影三维模型和城市设计三维模型的三维模型中有空间重合关系的建筑物对象进行匹配,生成对应的倾斜摄影三维模型中的建筑物基底面和城市设计三维模型中的建筑物基底面,计算以下三个指标:基底面形状匹配度,简称SS:LSIp和LSIq通过下述公式进行计算:其中,LSIp指的是倾斜摄影三维模型中建筑物的景观形状指数,LSIq指的是城市设计三维模型中建筑物的景观形状指数;E1表示倾斜摄影三维模型中建筑物基底面多边形周长、A1表示倾斜摄影三维模型中建筑物基底面多边形面积;E2表示城市设计三维模型中建筑物基底面多边形周长、A2表示城市设计三维模型中建筑物基底面多边形面积;位置匹配度,简称OAR:其中,Ap表示倾斜摄影三维模型中建筑物基底面多边形面积,Aq城市设计三维模型中建筑物基底面多边形面积;A3表示倾斜摄影三维模型中建筑物基底面多边形和城市设计三维模型中建筑物基底面多边形之间的重合面积;高度匹配度,简称HS:其中,Hp表示倾斜摄影三维模型中建筑物的高度,Hq城市设计三维模型中建筑物的高度;比较SS、OAR、HS三个指标是否满足预设条件:SS<K1OAR<K2HS<K3其中,K1、K2、K3均为预设常数,通常取值区间为(0,0.1];(3.2)以建筑物为基本单元进行自动判断,若三者皆满足匹配条件,则对该建筑物对象标注为Y,若有一个特征不满足匹配条件,则对该建筑物对象标注N。5.根据权利要求3或4所述的一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,步骤(4)的方法如下:(4.1)对于标注N的建筑物区域,首先生成该建筑物对应的二维基底矢量面,将基底面作为模型压平范围,通过压平面查询该区域倾斜模型OSGB数据,提取该区域倾斜模型对应的不规则三角形网格,保持平面位置(X、Y)不变,通过插值算法,获得该区域内地形高度z′,并将三角形网格的高度值Z修改为z′;(4.2)对原三角形网格对应的纹理图像进行仿射变换处理,改变原有像素的空间位置,通过对图像中的每个像素点三维坐标的线性变换,使得各像素点均能够垂直投影到高度值修改后的三角形网格,使得原纹理图像能够全部附着在新的三角形网格上。6.根据权利要求3或4所述的一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,步骤(5)的方法如下:(5.1)将标记Y的建筑物对象全部选中,编辑成一个群组,使得通过单击任意对象可以直接选中整体对象;(5.2)对选中的标记建筑物群组进行空间编辑,点击隐藏选项,将带有标记的建筑物隐藏化。7.根据权利要求6所述的一种嵌入式城市设计场景仿真方法,其特征在于,将经过步骤4和步骤5处理后的两组数据接入虚拟现实设备或外部体感设备。8.一种嵌入...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨俊宴曹俊程洋张庆尧周祖浩
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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