基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法及系统，包括：获取GIS数据中的点数据；对所述点数据进行过滤，并从局部拓扑结构至全局拓扑结构分析当前最优解；根据所述最优解，获取半径最小的结构对当前道路进行平滑处理完成曲线拟合；结合道路的空间结构及相应策略，进而生成三维化道路。本发明专利技术通过稀疏的路网GIS数据大规模地自动化生成符合道路国标规范并且可以用于交通模拟的3D道路语义结构，提高了自动化生成程度，并且通过固定边界的三次样条插值进行三维化，生成在高度上连续的三维化路网道路，改善了道路的视觉效果，增强了道路的真实感且符合公路设计标准。增强了道路的真实感且符合公路设计标准。增强了道路的真实感且符合公路设计标准。

【技术实现步骤摘要】
基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法及系统


[0001]本专利技术涉及三维重建和道路仿真
，具体地，涉及基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法及系统。

技术介绍

[0002]虚拟三维道路路网可以为虚拟仿真世界提供高度沉浸式的可视化效果，是交通模拟和智能交通控制领域的重要组成部分，如何生成包含真实场景，平滑道路以及具有道路交通语义的大规模三维道路是沉浸式和可信交通模拟的关键。
[0003]在传统领域，使用三维模型生成三维道路场景是一种普遍的方法，通过获取车道数，交叉路口的详细参数及道路的高程数据，输入到建模软件中重建大规模3D道路场景，但这种方式在位置，纹理上难以与卫星影像下的道路保持一致，且需要大量人工手动统计工作，自动化程度低，工作量大。
[0004]随着遥感航天卫星技术的发展，通过卫星影像和GIS数据生成三维道路路网更加真实且更加高效。通过传统机器学习和深度学习的方法对卫星影像进行语义分割，提取出道路的中轴线以及宽度和交叉路口的形状，通过提取到的重要数据可以支持三维重建，然而该技术无法提供道路的高程数据，道路无法三维化，且卫星影像中的道路有树木，阴影等遮挡，影响着道路语义分割的准确性。GIS数据可以标注道路的节点数据，通过连接道路节点可以快速生成整个路网，然而这些道路并不平滑，并且不满足国标道路标准，因而有很多平滑曲线算法如三次样条和贝塞尔曲线等应用到平滑道路生成中，尽管在视觉可以接受，但是道路国标中没有一条道路如此设计，与车辆的运动学原理不符。
[0005]目前，现有技术利用GIS数据提取道路中心线数据，需要对整个路网数据进行分析，分离出交叉路口和单个的道路。如下步骤：1、顺序找到一个度为1的道路节点A。2、从A节点出发寻找度大于2或者度等于1的节点B。如果度大于2则AB为一条简单的道路，B为交叉路口。再从B开始从其他方向搜索，跳到步骤1.如果度等于1，则AB为一条简单的道路，再顺序寻找其他度为1的节点。3、步骤1和步骤2筛选出所有的路网道路和交叉路口，交叉路口结合边缘特征点构建三角网格，结合卫星影像贴上对应的纹理。通过结合道路中的离散点，使用直线
‑
圆曲线或者贝塞尔曲线平滑每个弯道拐点。4、GIS数据会提供道路的层级信息，从而可以判断道路节点处于哪种趋势下的道路，二维道路在高度上线性插值即可生成三维道路。
[0006]但是，道路的平滑技术在采用直线
‑
圆曲线的模式下，需要知道弯道精度信息，才能判断圆曲线的起点和终点，但是在大规模的道路生成过程中，弯道信息或者道路曲线信息难以从GIS数据获取，需要人工测量输入，显然不符合大规模自动化地生成路网。如果使用贝塞尔曲线，则不符合真实的道路设计标准，且拥有多个拐点的道路的贝塞尔曲线计算量大。
[0007]综上所述，现有技术中存在如下不足：自动化生成道路程度低，生成道路的真实性差，三维化道路不符合车辆行驶的物理规律。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法及系统。
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法，包括：
[0010]步骤S1：获取GIS数据中的点数据；
[0011]步骤S2：对所述点数据进行过滤，并从局部拓扑结构至全局拓扑结构分析当前最优解；
[0012]步骤S3：根据所述最优解，获取半径最小的结构对当前道路进行平滑处理完成曲线拟合；
[0013]步骤S4：结合道路的空间结构及相应策略，进而生成三维化道路。
[0014]优选地，所述平滑处理包括：将道路根据转弯分为多段，每个转弯点设有一个顶点P
i
，然后生成对应的半径为r
i
的圆弧，同时通过最大化选取所有半径的最小值优化圆弧，优化公式如下：
[0015]max min r
i
,i∈[1,n][0016]其中，n表示圆弧数量。
[0017]优选地，针对优化公式计算如下：
[0018]r
i
＝α
i
·
tanθ
i
[0019]α
i
+α
i+1
≤L
i
[0020]式中，r
i
表示第i个圆弧的半径，θ
i
表示第i个圆弧的角度，α
i
表示第i个圆弧对应的道路牺牲长度，L
i
表示数据点P
i+1
到数据点P
i
的距离；
[0021]对局部拓扑结构进行分析，设局部拓扑结构包括P
i
‑1,P
i
,P
i+1
和P
i+2
，因为r
i
与α
i
成正比，可得：
[0022]r
i
+r
i+1
≤L
i
[0023]根据max min{r
i
,r
i+1
}，则有：
[0024]r
i
＝r
i+1
＝α
i
·
f
i
＝α
i+1
·
f
i+1
[0025][0026]cos 2θ
i
＝
‑
n
i
‑1·
n
i
[0027]得出：
[0028][0029]进而得出：
[0030][0031][0032]由上式可得α
i
的最大值被固定的值确定，所述固定的值反应当前拓扑关系的基本
元素，而又知道α
i
‑1+α
i
≤L
i
‑1，从而得出：
[0033][0034]可得α
i+1
的取值范围为：
[0035]α
i+1
＝min{L
i+1
‑
α
i_+2
,L
i
‑
α
i
}
[0036]此时可以在局部拓扑范围内满足。
[0037]优选地，从局部拓扑结构的最优解到全局的最优解，在每个局部拓扑最优解中选取一个半径最小的结构，并根据二分法递归计算其他的道路牺牲长度。
[0038]优选地，通过平滑处理后在二维平面上生成更密集的数据点，结合道路的空间结构及相应策略，进而生成三维化道路；
[0039]所述策略包括如下：当前道路的起始点和终点的最小layer属性都是0时，且该道路属性没有layer属性，代表这是一条紧贴地面的道路；若该道路有layer属性，则代表这是一条起点和终点贴地，中间凸起的桥；当前道路的起始点和终点的最小layer属性只要有一个不为0，则该道路是一条有上升趋势或者本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取GIS数据中的点数据；步骤S2：对所述点数据进行过滤，并从局部拓扑结构至全局拓扑结构分析当前最优解；步骤S3：根据所述最优解，获取半径最小的结构对当前道路进行平滑处理完成曲线拟合；步骤S4：结合道路的空间结构及相应策略，进而生成三维化道路。2.根据权利要求1所述的基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法，其特征在于，所述平滑处理包括：将道路根据转弯分为多段，每个转弯点设有一个顶点P
i
，然后生成对应的半径为r
i
的圆弧，同时通过最大化选取所有半径的最小值优化圆弧，优化公式如下：max min r
i
，i∈[1，n]其中，n表示圆弧数量。3.根据权利要求2所述的基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法，其特征在于，针对优化公式计算如下：r
i
＝α
i
·
tanθ
i
α
i
+α
i+1
≤L
i
式中，r
i
表示第i个圆弧的半径，θ
i
表示第i个圆弧的角度，α
i
表示第i个圆弧对应的道路牺牲长度，L
i
表示数据点P
i+1
到数据点P
i
的距离；对局部拓扑结构进行分析，设局部拓扑结构包括P
i
‑1,P
i
,P
i+1
和P
i+2
，因为r
i
与α
i
成正比，可得：r
i
+r
i+1
≤L
i
根据max min{r
i
,r
i+1
}，则有：r
i
＝r
i+1
＝α
i
·
f
i
＝α
i+1
·
f
i+1
cos2θ
i
＝
‑
n
i
‑1·
n
i
得出：进而得出：进而得出：由上式可得α
i
的最大值被固定的值确定，所述固定的值反应当前拓扑关系的基本元素，而又知道α
i
‑1+α
i
≤L
i
‑1，从而得出：
α
i+1
+α
i
≤L
i+l
可得α
i+1
的取值范围为：α
i+1
＝min{L
i+1
‑
α
i_+2
，L
i
‑
α
i
}此时可以在局部拓扑范围内满足。4.根据权利要求3所述的基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法，其特征在于，从局部拓扑结构的最优解到全局的最优解，在每个局部拓扑最优解中选取一个半径最小的结构，并根据二分法递归计算其他的道路牺牲长度。5.根据权利要求1所述的基于最大平滑策略的三维道路模型生成方法，其特征在于，通过平滑处理后在二维平面上生成更密集的数据点，结合道路的空间结构及相应策略，进而生成三维化道路；所述策略包括如下：当前道路的起始点和终点的最小layer属性都是0时，且该道路属性没有layer属性，代表这是一条紧贴地面的道路；若该道路有layer属性，则代表这是一条起点和终点贴地，中间凸起的桥；当前道路的起始点和终点的最小layer属性只要有一个不为0，则该道路是一条有上升趋势或者下降趋势的桥。...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文龙，杨沛，何弢，曹冰，刘耀勇，
申请(专利权)人：上海酷移机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：