顾及地形特征的三维道路及景观快速建模方法_刘全海

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Y A －Y B X A －X B
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刘全海， 等： 顾及地形特征的三维道路及景观快速建模方法 7． 地形与地物的匹配修正
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（ 2） 部件高程计算 经过模型库匹配及上述旋转角初始化后 ， 模型 的平面位置及旋转方向已经确定， 但是部件的高程 尚未赋值。可以通过对道路模型三角网进行内插计 算出部件对应点的高程值。 设部 件 点 位 置 投 影 到 道 路 模 型 上 的 点 位 为 P（ X P ， YP ， ZP ） ， 该点所在地形模型三角形的顶点为 Y P1 ， Z P1 ） 、 P 2 （ X P2 ， Y P2 ， Z P2 ） 、 P 3 （ X P3 ， Y P3 ， P 1（ X P 1 ， Z P3 ） ， 则 P 点 Z 值可按下式进行计算 Z = A0 ×X +A1 ×Y +A2 其中 A3 = ( X 1 －X 3 ) × ( Y2 －Y3 ) － ( X 2 －X 3 ) × ( Y1 －Y3 ) A4 = ( Y1 －Y3 ) × ( Z 2 －Z 3 ) － ( Y2 －Y3 ) × ( Z 1 －Z 3 ) A5 = ( X 2 －X 3 ) × ( Z 1 －Z 3 ) － ( X 1 －X 3 ) × ( Z 2 －Z 3 ) A0 = －A4 / A3 A1 = －A5 / A3 A2 = ( A4 ×X 3 +A5 ×Y3 +A3 ×Z 3 ) / A3
图4
（ 1） 部件的旋转角度计算 如图 5 所示， 部件的方向一般与道路边线的方 向垂直（ PD 方向 ） 或平行 （ PO 方向 ） 。 则实际需要 计算的角度即为 θ1 或 θ 2 。
Fra Baidu bibliotek图3
顾及地形特征的匹配及修正
6． 小品及附属设施建模 城市部件与小品及附属设施数据的坐标信息可 在 CAD 中 利 用 大 比 例 尺 地 形 图 及 正 射 影 像 图 （ DOM） 进行提 取， 也可以从城市部件数据中提取 （ 如图 4（ a） 所示） 。为达到快速建模的效果， 制作了 ， 、 、 专门的小品模型库 如路灯 行道树 公交站台、 自动 售货机、 交通岗亭等， 并进行相应的纹理贴图， 如图 4 （ b） 所示。坐标信息结合小品模型库即可自动批量 生成对应场景的三维模型。为了增强小品模型的逼 真性， 还需对模型进行高度、 角度及贴图等细节的调 整。贴图的修改需要配合建模软件人工进行， 模型 高程、 角度修改主要通过程序自动计算 ， 计算方法叙 述如下。
流程的基础上， 提出了一套集城市道路标志标线和城市部件采集 、 编辑、 转换和图层管理的城市道路三维建模预处理方法 ， 设计并 实现了基于北斗的三星移动测量系统 ， 在获取道路路面精确高程的同时快速安全地获取街景及全景影像 。 通过研究顾及地形特 征的高程匹配算法 ， 解决了对道路标志标线快速建模问题， 实现了对道路及景观的快速三维精细建模， 并在常州市、 福州市的三维 城市数字建设中进行了试验和推广应用 ， 充分验证了该方法的精确性、 稳定性和有效性。
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J］ ． 测绘通报， 2016（ 6） ： 3034．DOI： 10．13474 / j．cnki．11－ 2246． 冉慧敏， 李楼． 顾及地形特征的三维道路及景观快速建模方法［ 引文格式： 刘全海， 2016．0184．
顾及地形特征的三维道路及景观快速建模方法
1， 2 2 冉慧敏 ， 李 刘全海 ，
楼
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（ 1． 武汉大学测绘学院， 湖北 武汉 430072； 2． 常州市测绘院， 江苏 常州 213002）
Threedimensional Modeling Method of Ｒoads and Landscape Based on Terrain Features
LIU Quanhai， ＲAN Huimin， LI Lou 摘要： 针对三维道路及景观建模不能反映地形起伏变化 、 高成本和低效率等现状， 本文在研究三维道路技术标准及三维建模生产
图2
CAD 下采集交通标志标线
超高。因此， 道路标线、 边线各节点的高程可按如下 步骤计算： 1） 设中间隔离带宽度为 w ， 并设建模对象的任 yN ） ， 按距离最短原则确定道路中心线 一节点 N（ x N ， 3DPL 的最近连线两个节点 A （ x A ， yA ， zA ） 和 B （ xB ， zB ） ， yC ， zC ） ， yB ， 并计算出垂足点为 C （ x C ， 节点 N 到 C 的距离为 d 1 。 2） 三维对象各节点的高程计算与匹配。 中间
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道路外侧 路面上交通标志线节点、 部件中心点、 边线节点为 z N = z C + ( d 1 －w / 2) tan α （ 4） 人行道及外侧独立地物节点为 z N = z C + ( d 1 －w / 2) tan α +（ d 2 －d 1 －w / 2） tan β （ 5） 式中， α 为合成坡度， 见式（ 2 ） ； β 为道路外侧的排水 坡度； 若无中间隔离带， 则 w 为 0。 zN 由 d1 、 d2 、 w、 由式（ 5 ） 可以看出， α、 β 等参数 组成； α 由设计车速 V 和道路半径 Ｒ 决定； β 由路面 宽度、 等级等参数决定。 5． 利用 Creator 进行城市道路快速建模 本文道路三维建模主要运用了 Creator 软 件。 由于城市道路的纹理比较单一， 可制作相应的素材 库进行相应的纹理贴图处理， 加之 Creator 软件强大 的 LOFT 放样功能， 可以利用道路中心线、 道路边线 数据快速构造出道路的三维模型， 道路标志标线也 可以方便地嵌入到道路模型中。后期只需少量的人 工修改即可建成高质量的三维模型 。如图 3 所示。
图1
建模整体流程
0710； 修回日期： 20160510 收稿日期： 2015S54） 基金项目： 国家十二五科技支撑项目 （ 2012BAJ23B03） ； 住建部科学技术项目计划（ 2013mail： 672810610@ qq．com 高级工程师， 主要研究方向为数字城市建设理论、 城市三维可视化等。E作者简介： 刘全海（ 1972—） ， 男， 博士，
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二、 关键技术
1． 纵横坡度的计算 纵横坡度的计算是后文基于参数化驱动的方法 生成道路模型的基础， 本节仅对必要参数的相关计 算公式进行简要介绍， 具体计算依据、 方法可参考道 路设计规范相关内容。离心加速度变化率为 Ls = 0． 035 V3 Ｒ （ 1）
关键词： 三维建模； 地形特征； 预处理； 高程匹配 中图分类号： P208 文献标识码： B 0911（ 2016） 06003005 文章编号： 0494-
室内外的 三维数字城市正在向精细化、 地上下、 ［12 ］ 。 当前， 一体化方向方展 城市道路建模理论与 方法主要有两类： 一是通过遥感影像与 DEM 叠合来 ［49 ］ ， 表达地形模型 利用航测法或机载 LiDAＲ 获取 的 DEM 精度通常在 20 ～ 50 cm 之间； 二是通过三维 矢量数据精细建模来表达地形起伏 。通常在规划方 “水平底图 ” 案三维应用初期采用 的地形模型， 生产 地形变化的三维模型难度很大。这些方法均只能解 决部分问题， 不能解决精细的道路标志标线建模问 题， 也不能准确反映地形特征并实现地形地物的高 程匹配， 且存在成本高、 周期长和低效率等问题。 本文针对这种情况， 对目前三维道路景观建模 的相关技术标准及生产流程进行研究 ， 提出低成本 的道路标志标线快速采集技术， 设计并实现基于北 斗的三星移动测量系统， 以获取道路路面街景及精 确高程数据， 通过研究顾及地形特征的道路边线 、 城 市部件等的高程计算方法， 实现对道路及景观的快 。 速精细建模
V 为设计行车速度， 单位为 km / h； Ｒ 为超高设 式中， ， m 计处的最小半径 单位为 。 道路一般设有纵坡和横坡。横坡则由超高和路 拱横坡度组成， 统称为合成坡度。 道路设计常以合 成坡度控制， 合成坡度按下式计算 Ls 2 +Jr 2 （ 2） α=槡 式中， α 为合成坡度； L S 为超高横坡度， 由设计车速 和道路半径参数确定， 其正、 负符号由道路转弯方向 确定； J r 为路拱横坡度， 由路面宽度、 等级等确定， 一 般为负值。 2． 基于 DLG、 DOM 的标志标线获取 利用现有城市基础地理信息资源， 如城市大比 例尺 地 形 图 （ DLG ） ， 高分辨率航空影像或卫片 （ DOM） ， 在 CAD 下开发各种人机交互的辅助工具， 快速绘制地面与高架道路的交通导向箭头 、 交通标 志、 交通标线、 绿化带、 文字注记等， 如图 2 所示， 利 用属性代码提取道路边线、 道路中心线、 交通护栏、 隔离带等二维矢量信息。
3． 利用移动测量车获取道路中心线的精确高程 本文设计了一种简易的基于北斗的三星 COＲS 移动测量车。由于观测卫星的增多， 在空间可用性 方面明 显 增 强。 移 动 测 量 时 其 平 面 精 度 控 制 在 3 cm， 高程精度控制在 5 cm 之内， 在初始化时间、 解
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算时间和信号稳定性方面显著增强， 通过同步控制 ， 器的设计 结合高清晰度的单反相机和全影像机的 集成， 实现基于三星的移动测量系统。 该系统主要 用于道路中心线高程数据获取及城市道路景观纹理 获取。 根据移动测量车获取的道路高程点数据实现道 路中心线精确高程匹配算法的基本步骤如下 ： 1） 转换二维多线表示的道路中心线为三维 ， 其 中每个节点的 Z 初始值设为 0， 即 Yi ) ， Yi ， Zi ) ， PL（ ( X i ， i = 1， 2， …， n） →3DPL（ ( X i ， i = 1， 2， …， n） 2） 设移动测量车 的 观 测 点 位 置 为 P （ x P ， yP ， zP ） ， 与道路中心线 3DPL 的距离最近的两个节点为 → yA ， zA ） 和 B（ xB ， yB ， zB ） ， A（ x A ， 设点 P 到向量 AB 的垂 → yC ， zC ） ， 足点为 C （ x C ， 点 P 到AB 距离的为 → → AB ×AP d= → AB → → → → → → 式中， AB 为向量AB 的模； AB ×AP 为向量 AB 与 AP 叉积的模。 Cz = Pz +d·tan α （ 3） 式中， α 为城市道路的合成坡度参数。 → 3） 根据 C （ x C ， yC ， z C ） 对向量 AB 加密， 产生向量 → → CB 。 AC 、 4） 依 次 不 同 地 移 动 测 量 车 的 观 测 点 位 置 为 yP ， zP ） ， P（ x P ， 直至把道路中 按步骤 2 ） 和 3 ） 循环， 心多段线全面加密并实现节点的精确高程 ， 真实精 确表达了道路纵断面的起伏变化。 4． 基于道路中心线的道路标志标线、 边线高程 计算 利用上述方法获取道路交通标志标线信息 ， 这 （ X ， Y ） 。 些建模对象仍以二维 表现 而实现道路真实 三维建模需要的道路中心线、 标志标线及道路边线 都是三维多段线。由于本文在三维道路建模时采集 了道路纵向的道路基准线或中心线的高程 ， 城市道 路的纵断面不予考虑， 只考虑道路的横断面形式及
图5 部件模型旋转角计算示意图
1） 设部件点 P 坐标为 P （ X P ， YP ） ， 首先通过遍 历的方式找到道路边线上距离 P 点最近的线段的 YA ） 、 B（ X B ， YB ） 。 两个端点 A（ X A ， 2） 计算旋转角 X A －X B θ 1 = arctan － Y A －Y B θ 2 = arctan
一、 基本思路
基本思 路 如 下： ① 基 于 高 精 度 基 础 地 形 数 据 DLG 并配准航空影像， 提取道路及景观三维建模相 关内容， 包括路边线、 路面、 道路中心线、 交通护栏、 隔离带等信息， 采用道路标志标线采集系统获取精 细的道路标志标线矢量数据库； ② 设计满足高精度 建模和基于北斗的三星 COＲS 移动测量系统， 并采 集道路行车路线 （ 基准线 ） 的精确高程和高分辨率 街景纹理和全景影像； ③ 利用基准线计算道路中心 线精确高程， 实现在纵截面上起伏匹配； ④利用基准 线、 道路中心线数据通过参数驱动来实现道路边线 、 标志标线高程计算； ⑤利用 Creator 等建模工具进行 城市三维道路快速建模； ⑥通过建立模型库， 对小品 及附属设施以模型匹配的方式快速建模 ， 并基于道 路边线、 道路三维模型等数据进行部件旋转角 、 部件 高程计算； ⑦ 局部地区的地形与地物的匹配修正 。 具体建模流程如图 1 所示。