基于 JX4全数字摄影测量系统的DE M和 DLG改进方法

龙四春,刘文彬,林 剑,李朝奎,陶建军,李博超

(湖南科技大学建筑与城乡规划学院,湖南湘潭 411201)

基于 JX4全数字摄影测量系统的DE M和 DLG改进方法

龙四春,刘文彬,林 剑,李朝奎,陶建军,李博超

(湖南科技大学建筑与城乡规划学院,湖南湘潭 411201)

针对 JX4全数字摄影测量系统测得的DEM在建筑物地基和路面可能存在的不合理凹凸,以及DLG数据中建筑物高度信息的缺失,提出一套改进的DEM和DLG生产方法。该方法将建筑物地基和路面DEM铲平并将建筑物的高度信息添加到 DLG中。改进后的DEM和DLG可以与DOM结合生成更高精度的DTM和建筑物模型,为建立高效率、高精度的三维数字城市奠定了基础。

数字摄影测量;DEM;DLG;三维建模

JX4(JieXi4)全数字摄影测量系统能生产高精度、高密度的数字高程模型 (DEM)、数字正射影像图 (DOM)、数字线划图 (DLG)和数字栅格图 (DRG)等产品,具有半自动化、实用性强、人机交互功能好的优点[1],能为建立三维数字城市提供基础数据。但 JX4没有对建筑物地基和路面处的 DEM进行特殊处理,而且测得的 DLG中没有存储建筑物的高度信息,因此,将其产品直接用于建立三维数字城市还需进行数据处理与加工。

本文针对 JX4全数字摄影测量系统测得的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进行改正,设计并实现了改进算法程序,以对改进算法进行对比和定量分析。同时对其在三维数字城市建设以及三维空间分析等方面的应用进行了讨论。

一、JX4全数字摄影测量系统生产 DEM和 DLG产品的生产流程及存在的问题

随着计算机技术的发展和数字图像处理、模式识别、人工智能、专家系统以及计算机视觉等学科的不断发展,数字摄影测量研究的内容从模拟、解析发展到了全自动的数字化阶段。在 JX4中,DEM和DLG的生产流程如图 1所示。

图 1 DEM和DLG的生产流程

根据 DEM和 DLG的生产流程和实际测图经验,在生产DEM时不会考虑建筑物地基和路面处的平整,且在制作DEM时不会量测每栋建筑物每个脚点处高程的真值,并很少关心地基的平整度,现有三维建模软件都不能直接用 JX4生产的 DEM和DOM生成数字表面模型 (DS M)[1-9]。而且,JX4生成的 DLG数据中没有存储建筑物的高度信息,建立三维建筑物模型时还要实时计算,降低建模效率。

二、生产 DEM和 DLG数据的改进方法

1.数据改进步骤与流程

直接由 JX4生产的 DEM数据是等间距的规则格网数据,若所测得的可视地面区域的 DEM准确,用 JX4所测的建筑物顶部棱廓和道路两边线的DLG正确,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,则对 DEM和 DLG数据可进行一定程度的改进。步骤如下:

1)根据建筑物顶部棱廓点 Pn的 XY方向上的坐标 (Xn,Yn)找到其所在的 DEM网格 (如图 2所示)。

图 2 DEM中找最近结点

取构成网格的四个结点中离 Pn最近结点的高程为 Pn点投影到地面的高程。

3)在 DLG中的建筑物数据后加存 H值,可实现建筑物和DEM的无缝衔接。

4)根据 DLG中存储道路的水平位置和高程,用与步骤 1)相同的方法找出其 DEM的位置,以DLG中的高程值为其真值,对路面处的 DEM进行改正,具体数据改进流程如图 3所示。

2.修正建筑物地基DEM

为了实现三维数字城市的真三维显示和三维空间分析,JX4全数字摄影测量系统生产的DEM数据还需进行修正,根据 DEM所处位置和高程的不同,综合考虑环境因素与邻近建构筑物的特征,可选择以下两种方法。

图 3 数据改进流程

(1)建筑物地基DEM铲平

根据式(1)计算建筑物每个脚点高程并计算该建筑物脚点高程的平均值,判断 Pn是否在建筑物正投影多边形内。如果在多边形内,则将 Pn的高程值修改为否则不修改,根据这个原则修改每个建筑物地基高程 (如图 4所示)。

图 4 修改建筑物地基高程

用建筑物地基 DEM铲平方法建立的三维地形模型中,建筑物、DEM和 DOM可放在不同图层,可以对建筑物贴纹理,使输出的三维地图视觉效果更好。但一栋建筑物可能是由两个或两个以上不同高度的部分组成,并且同一建筑物不同高度的部分连接处是无缝的,而用 JX4全数字摄影测量系统进行向量测图时很难测量衔接处的公共边。因此,需要把这些建筑物看作几个不同高度的平顶建筑物,重建之后的建筑物模型之间就形成了缝隙或重叠在一起 (如图 5所示)。

图 5 复杂建筑物的重建与分解

在这种情况下,重建的三维模型不利于进行三维空间分析。

(2)建筑物地基 DEM抬升

针对方法 (1)的不足,不将 DEM中建筑物底面多边形区域内各点的高程 ZPn设为其脚点高程的平均值,而是设为其顶点高程值 Z,这样就等于是把建筑物的顶部与表面看成地貌。而且,由于格网DEM的间距远远大于重建出现的缝隙和重叠部分的宽度,在一定程度上,缝隙或重叠的部分可忽略。三维显示时不再显示建筑物层,而显示根据DEM拉伸了的DOM,以此模型作为DS M。在运行需要的同时考虑地貌和建筑物的三维空间分析时只要分析一种数据,即改进后的 DEM。此方法有利于三维空间分析,且不会影响分析的精度,但显示出来的图像不如方法 (1)美观。

3.修正路面DEM

读取地物矢量数据中的道路数据,将组成道路两边的三维点串分别存入道路对象的两个点数组Left和 Right中。沿道路的测量方向从左右边线数组中各取两个在相同里程处且相邻点将道路分成若干四边形区段 (如图 6所示)。

图 6 道路修改算法示意

计算各个区段沿道路走向的高差 h和长度 d

再计算各个区段内单位距离内的高程增加值Δh

修改 Pn点的高程值

则 A1和 B1的高程的平均值 Z0可表示为

经过上述处理后,各个区段法线的正投影线都将平行于该处道路的走向,使道路上的各个区段都成为沿道路方向的斜面,从而达到铲平道路的效果。

4.改进 DLG数据

通过上述 DE M修正后,将 DLG中的建筑物顶点高程 Z减去建筑物地基 Z0高程后的值D可表示为

建筑物模型中建筑物底部点的高程就和地貌中相应位置的高程一致了,从而能实现建筑物模型与地貌模型的无缝连接。将 D存于 DLG建筑物数据层相应位置,便于建筑物模型重建。

三、应用实例验证

1.实例数据与条件

先基于 JX4系统中附带的测试数据制作一份DE M、DOM和 DLG,然后在 VS2005平台上用 C#语言开发了一个数据改进程序。实例所用的数据为 JX4系统中附带的测试数据,总面积是 4.475 km2,DEM格网间距为 1m,DOM精度为 ±0.2 m,建筑物数为269栋,大小道路有 24条。

2.实例核心代码

本试验通过对 DEM和 DLG的改进,在建立三维数字城市时能提高建模精度和速度,使建筑物模型与地面实现无缝衔接,使原本可能在路面和建筑物地基处出现的不平消失,使生成的DS M能清晰地反映出建筑物的大小和位置。其核心原代码如下

3.实例结果

针对两种建筑物地基 DEM的修正效果进行试验,其效果比对如图 7所示。

图 7 建筑物改进效果比对

图 7中 (a)为修改前的效果图,(b)为修改后的效果图。从图中可以看出 (a)在陡坎处的变化比(b)平缓,(a)在建筑物处还有凹凸起伏,而 (b)比较平缓,但在陡坎附近的建筑物地基依然不平,主要是由于 ArcScene软件的内部建模机制无法使用1m间距的DEM,造成抽析现象所致。

图 8中没有进行修正前的 (a)中道路存在明显的不合理,其路面的右侧明显高于左侧,而采用本文提出的道路修正方法修正后的 (b),其路面平缓,相对更加合理。

图 8 道路DEM改进效果比对

通过对上述建筑物和道路进行DEM修正后,能实现建筑物模型与地貌模型的无缝连接,能建立精度较高的 DS M,具体如图 9所示。

图 9 改进后的 DS M

图上表示墙体部分基本垂直于地面,墙体的投影宽度不超过 1m,从而提高了模型精度。

4.改进后数字产品生成系统的特点

1)通过建筑物顶部顶点坐标数据和 DEM数据,系统能自动计算出房屋的脚点坐标和房屋的高度。

2)系统可以多次读取矢量数据文件,并将矢量数据无重复的存储。

3)通过数据修正,系统实现了建筑模型与DEM的无缝连接、建筑物底部和道路处的 DEM整平,使DEM与现实拟合得更好。

4)处理速度快。试验数据所用的三维地形图的面积是 4.475 km2,精度为 ±1 m,建筑物数有 269栋,道路有 24条。从数据的读取到最后建筑模型显示,用时不到 10 min,双核 2 GB以上的 CPU能在6min内完成,如果不包括数据修正和数据转化,用时将节省一半以上。

四、结束语

数字摄影测量是一种能快速获取高精度三维地理数据的技术,在三维数字城市建设中起到巨大的作用。本文主要就JX4全数字摄影测量系统生产的DEM和DLG数据进行了合理改进,实现了建筑物模型与 DEM的无缝衔接,对道路用 DEM修正后使得道路被铲平,比原有路面高程倾斜数据更合理。但这两种改进方法是从不同的角度对其基础数据进行修改的,而综合的改进方法还有待进一步研究。

[1]戴小真.全数字摄影测量的生产流程及技术要点[J].地矿测绘,2002,18(2):16-17.

[2]龚健雅,杜道生,李清泉,等.当代地理信息技术 [M].北京:科学出版社,2004:170-171.

[3]李成名,王继周,马照亭.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].北京:科学出版社,2008:17-20.

[4]王之卓.摄影测量原理[M].北京:测绘出版社,1979.

[5]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学 [M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1996.

[6]张剑清,潘励,王树根.摄影测量学 [M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[7]陈干,闾国年,刘晓艳,等.数字城市与虚拟城市关系研究[J].江苏城市规划,2000(4):30-34.

[8]刘德利.基于数字摄影测量的城市三维景观建模 [D].长春:吉林大学,2006.

[9]胡志贵.数字摄影测量系统——基础空间信息生产的解决方案[J].中国 GIS工程与应用通讯,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

地球空间环境与大地测量教育部重点实验室基金资助项目(08-01-05);江西省数字国土重点实验室基金资助(DLLJ201010);湖南省哲学社会科学基金资助 (09YBB157)

龙四春 (1975—),男,湖南涟源人,博士,讲师,主要研究方向为地表灾害监测与遥感图像处理。