專利名稱：大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法
技術領域：
本發明涉及建模的方法，尤其涉及大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法。
背景技術：
在三維城市仿真模型的建立和應用過程中，需要涉及和利用大量的數據。近年
來，遙感技術迅猛發展，遙感影像分辨率越來越高，可以達到1 2m甚至幾十厘米。 這些高分辨率的遙感影像為三維城市仿真模型的建模和數據更新提供了有利條件。 然而人們對遙感信息的認識和利用程度要遠遠落后于通過空間和航空系統獲取信 息源的速度，至今還沒有一套功能完善的系統能實現利用計算機從航空遙感數字影 像中自動提取道路、建筑物等線性人工地物信息。與此同時，隨著計算機軟硬件技 術的不斷發展，大規模復雜場景的實時建模己經成為可能，這對模型的復雜度和真 實感提出了新的要求，但構建稍顯復雜的三維模型依舊是一件非常耗時費力的工 作。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種高效實用的大 規模城市仿真中快速自動建立模型的方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:大規模城市仿真中快速自動建立 模型的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
(1) 預處理階段的圖像質量改善；
(2) 道路及建筑物輪廓的自動提取；
(3) 道路及建筑物種子點的提取；
(4) 道路及建筑物網絡的生成；
(5) 基于圖像的三維城市模型創建；
(6) 材質和紋理的應用；
(7) 模型檢驗與優化。
所述的步驟(1)中預處理包括高分辨率遙感影像的校正處理、路面障礙物的 去除、建筑物陰影的去除、保持邊緣特征的局部區域濾波等。
所述的步驟(2)為基于高分辨率遙感影像中道路和建筑物面狀區域幾何-輻射
特征的特殊性，對影像分割區域建立其拓撲關系，以提取準確的道路及建筑物輪廓
所述的步驟(3)為提出利用幾何-輻射特性結合區域形狀分析提取地物典型區 域片段的方法，并將這些典型片段作為匹配跟蹤算法的種子點。
所述的步驟(4)為對道路延伸方向和建筑物種子點生長區域內的典型片段進 行跟蹤，排除虛假區域，形成道路和建筑物網絡。
所述的步驟(5)中的模型包括地形模型、建筑模型、環境模型，所述的地形 模型包括山地模型、平地模型，所述的建筑物模型包括重點模型、次重點模型，所 述的環境模型包括樹、花、草、路燈、湖、假山、亭子等。
所述的步驟(6)中的材質屬性包括放射屬性、反射屬性，所述的放射屬性決 定了材質本身發光的程度，所述的反射屬性決定了材質對光源的反射程度，所述的 紋理數據可代替一些幾何模型建模，減少模型數據量，提高實時渲染效率。
所述的步驟(7)包括
a. 的在模型創建完成后，將其放到實際的仿真程序中檢驗其性能并進行優化；
b. 盡量減少多邊形的數量來表現最真實的模型，可獲得更好的效果；
c. 檢查所有的層次細節，確保層次細節之間的過渡平滑和所有數據不突然跳 出視區范圍之外；
d. 調整多邊形的紋理和材質的格式、大小和數量，采用合適的紋理有利于發 揮系統的效率和提高仿真效果。
與現有技術相比，本發明建立的完善的供電系統仿真體系，可以為以后的突發 事件應急預案設計、物流系統仿真、自然災難模擬與仿真等提供前提條件。
具體實施方式
實施例1
本發明首先通過研究具體的圖形圖像處理算法，建立解決各種圖象處理問題的
數學模型，實現自動提取道路和建筑物輪廓；其次，通過對數學模型的理論分析， 提出相應的集中式或分布式的建模算法，分析算法的收斂性，恢復物體的視覺外觀、 光照條件已經運動學特征等多種屬性；最后，研究通過對城市建模進行仿真或對算 法進行數值實驗。驗證和比較算法的效率。 具體步驟如下
(1) 預處理階段的圖像質量改善預處理使得道路和建筑物的幾何-輻射特征 盡可能趨向于理想模型，這包括高分辨率遙感影像的校正處理、路面障礙物的去除、 建筑物陰影的去除，保持邊緣特征的局部區域濾波等；
(2) 道路及建筑物輪廓的自動提取基于高分辨率遙感影像中道路和建筑物 面狀區域幾何-輻射特征的特殊性，對影像分割區域建立其拓撲關系，提取準確的 地物邊緣信息；
(3) 道路及建筑物種子點的提取提出利用幾何-輻射特性結合區域形狀分析 提取地物典型區域片段的方法，并將這些典型片段作為匹配跟蹤算法的種子點；
(4) 道路及建筑物網絡的生成對道路延伸方向和建筑物種子點生長區域內 的典型片段進行跟蹤，排除虛假區域，形成道路和建筑物網絡；
(5) 基于圖像的三維城市模型創建將模型分為地形模型、建筑模型和環境 模型分別進行創建。地形模型又可分為山地模型和平地模型。山地模型對于精度要 求較低，可以利用航測數據，提取其高程值，生成山模型；平地模型對精度要求較 高，則利用地形圖，控制各點的高程值生成地面模型。建筑物模型也應根據實際情 況分為重點模型和次重點模型，對于重點模型應該表現其全部并突出細節，對于次 重點模型則只要求表現其基本形體結構。環境模型包括樹、花、草、路燈及湖、假 山、亭子等，它的一個重要特征就是相同類型的模型數量非常多，對于這類模型，
可以采取以面模型代替體模型的方法；
(6) 材質和紋理的應用材質屬性決定了物體表面如何反射光線，包括放射 屬性和反射屬性。前者決定了材質本身發光的程度，后者決定了材質對光源的反射 程度，即物體的顏色。材質是顏色、光澤度、透明度等屬性的集合。紋理數據還可 以代替一些幾何模型建模，減少模型數據量，提高實時渲染效率；
(7) 模型檢驗與優化在模型創建完成后，將其放到實際的仿真程序中檢驗 其性能并進行優化。可獲得更好的效果，盡量減少多邊形的數量來表現最真實的模 型。并檢査所有的層次細節，確保層次細節之間的過渡平滑和所有數據不突然跳出
視區范圍之外。最后調整多邊形的紋理和材質的格式、大小和數量，采用合適的紋 理有利于發揮系統的效率和提高仿真效果。
針對目前城市仿真建模過程中存在的問題，運用圖形圖像處理、計算機視覺、
模式識別等理論和技術，在衛星圖像、數碼照片、GIS信息及原始地圖等信息的基 礎上，對圖像配準、去噪、重要人工地物信息自動提取和生成以及代表性區塊自動 填鋪、自動拉伸等關鍵技術給出理論上的解決方案，并結合虛擬現實技術，設計和 構建一個動態、實時、交互式自動生成的三維城市仿真模型。該項目的成果將應用 于實際的工程項目"小洋山港區110kv電力系統故障仿真"中，對洋山深水港供電 系統設施設備所經過或服務的區域進行整體建模并進行故障應急預案仿真。
主要技術指標
對二維半建筑物輪廓能進行自動識別、自動處理并能自動生成建筑物形體，在 高度方向采用人機交互的方式快速設定并自動重新生成。建筑物輪廓的自動識別率
超過60%;
三維參數化數據庫的建立，根據目前規范以及常用設計，參數化設計超過500 個三維模型庫，其中包括道路標準模型庫、建筑物規范屋頂模型庫、道路網格庫、 紋理庫等；
對道路能進行自動識別與處理，自動生成道路的比率超過75%; 達到視覺認可的真實感效果，經過簡單的紋理優化處理，滿足真實感顯示與表 達的要求；
能實時進行虛擬漫游。在漫游速度不低于120邁的條件下能達到虛擬漫游環境 的實時處理與顯示，沒有任何延時；
虛擬漫游軟硬一體化系統的具體技術指標
1. 像素填充率不小于1.9G像素/秒；
2. 紋理處理能力支持專用內存；紋理支持2048X2048，支持Anisotropic紋理；
3. 圖像分辨率1400X 1050 @85Hz;
4. 支持的操作系統Microsoft Windows操作系統，完全兼容OpenGL;
5. 硬件支持PCI總線、支持ScramNet+實時網，支持SBS實時網；
6. 圖像深度系數大于3;
主要經濟指標
本發明研究成果首先要應用到上海洋山深水港近55KM的地面模型的建立， 建立一個完善的供電系統仿真體系，同時為以后的突發事件應急預案設計、物流系 統仿真、自然災難模擬與仿真等提供前提條件。完成這些項目的直接經濟效益將超 過1000萬元。
本發明的研究成果還將至少應用到一個中等城市的中心區域的數字模型及虛 擬系統的建立(范圍不少于30KM)，項目經濟效益將超過600萬元。隨著示范效 應與應用的進一步推廣，經濟效益將進一步擴大。
權利要求
1.大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)預處理階段的圖像質量改善；(2)道路及建筑物輪廓的自動提取；(3)道路及建筑物種子點的提取；(4)道路及建筑物網絡的生成；(5)基于圖像的三維城市模型創建；(6)材質和紋理的應用；(7)模型檢驗與優化。
2. 根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(1)中預處理包括高分辨率遙感影像的校正處理、路面障礙 物的去除、建筑物陰影的去除、保持邊緣特征的局部區域濾波等。
3. 根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(2)為基于高分辨率遙感影像中道路和建筑物面狀區域幾何-輻射特征的特殊性，對影像分割區域建立其拓撲關系，以提取準確的道路及建筑物 輪廓信息。
4. 根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(3)為提出利用幾何-輻射特性結合區域形狀分析提取地物典 型區域片段的方法，并將這些典型片段作為匹配跟蹤算法的種子點。
5. 根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(4)為對道路延伸方向和建筑物種子點生長區域內的典型片 段進行跟蹤，排除虛假區域，形成道路和建筑物網絡。
6. 根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(5)中的模型包括地形模型、建筑模型、環境模型，所述的 地形模型包括山地模型、平地模型，所述的建筑物模型包括重點模型、次重點模型， 所述的環境模型包括樹、花、草、路燈、湖、假山、亭子等。
7. 根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(6)中的材質屬性包括放射屬性、反射屬性，所述的放射屬性決定了材質本身發光的程度，所述的反射屬性決定了材質對光源的反射程度，所 述的紋理數據可代替一些幾何模型建模，減少模型數據量，提高實時渲染效率。
8.根據權利要求1所述的大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，其特 征在于，所述的步驟(7)包括a. 的在模型創建完成后，將其放到實際的仿真程序中檢驗其性能并進行優化;b. 盡量減少多邊形的數量來表現最真實的模型，可獲得更好的效果；c. 檢査所有的層次細節，確保層次細節之間的過渡平滑和所有數據不突然跳 出視區范圍之外；d. 調整多邊形的紋理和材質的格式、大小和數量，采用合適的紋理有利于發 揮系統的效率和提高仿真效果。
全文摘要
本發明涉及大規模城市仿真中快速自動建立模型的方法，該方法包括以下步驟預處理階段的圖像質量改善；道路及建筑物輪廓的自動提取；道路及建筑物種子點的提取；道路及建筑物網絡的生成；基于圖像的三維城市模型創建；材質和紋理的應用；模型檢驗與優化。與現有技術相比，本發明建立的完善的供電系統仿真體系，可以為以后的突發事件應急預案設計、物流系統仿真、自然災難模擬與仿真等提供前提條件。
文檔編號G06T17/00GK101364311SQ200810040888
公開日2009年2月11日 申請日期2008年7月23日 優先權日2008年7月23日
發明者劉永平, 勇 史, 吳建國, 朱恒曄, 李光耀, 李榮高, 麗 楊 申請人:上海同盛工程建設配套管理有限公司