一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法技术

本发明专利技术公开一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法，属于摄影测量与遥感领域。首先根据地形形状计算空间投影平面的法向量和起始点坐标，以此定义地形单元局部坐标；然后将三维地形单元所有的顶点坐标有物方空间坐标系转换至局部坐标系，并计算转换后的地形单元的坐标范围；最后，根据设定的正射影像格网间距对三维模型所有的三角面片进行格网化，生成正视影像图。不同于传统正射影像始终以水平面作为投影面，本方法不再局限于以水平面作为投影面，可以最大化地表达复杂高陡斜坡的几何结构信息。此外，本方法对传统的TIFF Word File参数进行了扩展，充分考虑到对于正视影像升维恢复到三维模型的潜在需求，保证基于正视影像图进行量测的坐标可逆性。影像图进行量测的坐标可逆性。影像图进行量测的坐标可逆性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法


[0001]本专利技术属于摄影测量与遥感领域，具体涉及一种基于实景三维模型生成正视影像图的方法，其中以任意空间平面为投影面的正视影像图生成方法是本专利技术的关键技术。

技术介绍

[0002]数字正射影像(DOM,Digital Orthophoto Map)是摄影测量标准4D产品之一，具有信息丰富、直观真实、可量测、精度高等优点，它不仅可用于对数字线划地图的更新，加快地形图更新速度；也可与线划图、地名注名、坐标注记、经纬度线、图廓线公里格、公里格网及其它要素层复合，制作各种专题图；还可作为背景底图直接应用于城市各种地理信息系统，用于城市规划、土地管理、环境分析、地质调查、变化监测、地籍测量等方面，丰富城市管理、规划的手段与方法，为灾害防治和城市建设规划调查等提供可靠依据。随着城市三维建模发展步伐的加快，数字正射影像的应用已经越来越广泛。
[0003]传统的DOM具有两个特点：(1)始终以水平面作为投影面，由于在较大场景中地形起伏相对而言不太明显，地表信息主要分布在水平面上，因此传统DOM在小比例尺的情况下有很好的应用。(2)采用数字微分纠正的方法生成，包括正射纠正、匀光匀色和无缝镶嵌等技术，这些技术目前已非常成熟，形成了标准化的正射影像制作流程。即首先利用数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)数据，对经空中三角测量处理的像片进行数字微分纠正，得到单幅正射影像，再通过选取合适的镶嵌线对影像进行拼接，最终形成整个摄影区域的数字正射影像。r/>[0004]在当前阶段，针对精细化的地理信息的需求越来越多，人们关注的目标不仅仅是传统地形，而越来越多的扩展到重点建筑物/群、水利工程体、坡体、塔体等目标。针对这些目标，通过贴近摄影，可以获取精细化的影像，继而通过摄影测量处理生成精细三维实景。由于目标形状比较复杂，传统的正射影像图主要存在两个问题：(1)难以有效表达目标的信息。贴近摄影的情况下，目标表面信息主要分布在非水平面上，如果仍然以水平面为投影面将会损失很多关键信息；(2)基于数字微分纠正的生成流程难以适用。目标物表面形状不能通过2.5维的DEM表达，而是通过三维实景模型表达，基于数字微分纠正的技术已不适用。针对以上问题，本专利技术提出正视影像图的定义和基于实景三维模型生成正视影像图的方法，以最大化表达形状复杂目标的几何结构信息。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决传统正射影像生成方法无法有效表达贴近摄影目标表面信息的问题，提出了一种以任意空间平面为投影面，并对摄影目标实景三维模型进行投影的正视影像图生成方法。该方法以地形单元的最佳拟合平面为投影面生成正视影像，优化表达形状复杂目标的几何结构信息，因此可最大化表达复杂目标的表面信息，高度还原大比例尺地形单元或复杂目标的精细结构。
[0006]本专利技术主要通过下述技术方案实现：一种基于实景三维模型的正视影像图生成方
法，该方法以目标物的三维实景数据为输入数据，利用最佳符合目标物的(多个)任意空间平面作为投影面，并依据投影面的法向量和三维场景的起始点坐标计算一个局部坐标系，然后采用直接投影法生成正视影像图。其核心过程包括以下步骤：
[0007]步骤1，对三维场景表面的坐标点进行拟合，获取一个或者多个最佳拟合平面，得到拟合平面的法向量或者人工任意指定法向量；
[0008]步骤2，根据从步骤1得到的法向量计算一个局部坐标系(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)；
[0009]步骤3，将三维场景从物方空间坐标系转换到局部坐标系之中，并计算三维场景在局部坐标系中的包围盒；
[0010]步骤4，根据设定的格网间距和步骤3得到的局部坐标系中包围盒范围对三维场景进行格网化划分；
[0011]步骤5，将三维场景的每个三角面片转换到局部坐标系并进行格网化，制作成正视影像。
[0012]步骤1中只以实景三维模型为数据源，不需要额外的DEM、DSM、原始影像，即无需使用影像拼接、匀色、匀光等传统遥感影像处理技术，直接对三维模型进行处理；通过对于实景三维模型中，兴趣空间平面的确定，根据该实景三维模型上一个地形单元(近似位于一个空间平面)来拟合一个空间平面，获取正射影像图投影平面的信息。
[0013]在步骤2中，局部坐标系的定义方法如下：
[0014]设物方空间坐标系为(O,X,Y,Z)，为步骤1中得到的法向量，其中a、b、c分别为在X、Y、Z轴方向上的向量分量，S＝(X
s
,Y
s
,Z
s
)为起始点坐标。则(O,X,Y,Z)坐标系到(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)坐标系的旋转矩阵为：
[0015][0016]对于任意空间点，其在(O,X,Y,Z)中的坐标(X,Y,Z)和在(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)中的坐标(X
′
,Y
′
,Z
′
)的转换关系为：
[0017][0018]在步骤3中，局部坐标系中的包围盒的计算方法如下：
[0019]Z
′
定义为深度，正视影像是二维影像，应当有其影像范围，即二维包围盒。在忽略深度的条件下，本专利技术通过对局部坐标系下的平面上(O
e
,X
e
,Y
e
)(其中Z
′
为任意值)的三维模型中的(X
′
,Y
′
)进行统计，遍历三维实景数据的所有顶点在其中的坐标，得到二维包围盒的左上角点坐标和右下角坐标点坐标，确定为对应正视影像影像范围。
[0020]遍历三维实景数据(三维三角网)的所有顶点，并根据公式(2)计算其在局部坐标系中的坐标，得到一个(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)系下的三维实景模型(图2)。统计局部坐标系下的三维实景模型的空间包围盒Box(x
ul
,y
ul
,x
rd
,y
rd
)：
[0021][0022]其中，(x
ul
,y
ul
)为包围盒的左上方角点坐标，(x
rd
,y
rd
)为包围盒的右下方角点坐标；x
point
、y
point
分别为三维实景数据所有顶点的x、y坐标集合。
[0023]在步骤4中，格网间距一般由三维实景模型的实际分辨率确定，也可以根据实际需要适当放大或者缩小。
[0024]在步骤5中，生成的正视影像为真正视影像，不需要进行影像镶嵌考虑接边问题。对于生成的正视影像，通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对三维场景表面的坐标点进行拟合，获取一个或者多个最佳拟合平面，得到该平面的法向量，或者人工任意指定一个法向量；步骤2，根据从步骤1得到的法向量计算一个局部坐标系；步骤3，将三维场景从物方空间坐标系转换到局部坐标系之中，并计算三维场景在局部坐标系中的包围盒；步骤4，根据设定的格网间距和步骤3得到的局部坐标系中包围盒范围对三维场景进行格网化划分；步骤5，将三维场景的每个三角面片转换到局部坐标系并进行格网化，制作成正视影像。2.如权利要求1所述的一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法，其特征在于：步骤2中，设物方空间坐标系为(O,X,Y,Z)，在通过步骤1得到的法向量其中a、b、c分别为在X、Y、Z轴方向上的向量分量，则物方空间坐标系(O,X,Y,Z)到局部坐标系(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)的旋转矩阵R为：对于任意空间点，其在(O,X,Y,Z)中的坐标(X,Y,Z)和在(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)中的坐标(X
′
,Y
′
,Z
′
)的转换关系为：其中，S＝(X
s
,Y
s
,Z
s
)为起始点坐标。3.如权利要求2所述的一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法，其特征在于：步骤3中，计算三维场景在局部坐标系中的包围盒的具体实现方式如下；遍历三维实景数据的所有顶点，并根据公式(2)计算其在局部坐标系中的坐标，得到一个(O
e
,X
e
,Y
e
,Z
e
)系下的三维实景模型，统计局部坐标系下的三维实景模型的空间包围盒Box(x
ul
,y
ul
,x
rd
,y
rd
)：其中，(x
ul
,y
ul
)为包围盒的左上方角点坐标，(x
rd
,y
rd
)为包围盒的右下方角点坐标；x
point
、y
point
分别为三维实景数据所有顶点的x、y坐标集合。4.如权利要求1所述的一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法，其特征在于：步骤4格网化的间距是根据重建三维模型的影像分辨率来设定的，不是一个固定值，根据影像分辨率来进行一定的放大或者缩小。
5.如权利要求1所述的一种基于实景三维模型的正视影像图生成方法，其特征在于：步骤5中格网化的方法如下：实景三维模型数据的基元为三角形，对于三角形内及其边上的任意一点P，可用三角形三个顶点A
′
,B
′
,C
′
的线性组合来表示：P＝(1

【专利技术属性】
技术研发人员：陶鹏杰，杨爱明，牛壮群，马能武，段延松，钟良，秦威，魏伶芸，杨洋，张祖勋，
申请(专利权)人：长江空间信息技术工程有限公司武汉，
类型：发明
国别省市：