顧及地形特征的三維道路及景觀快速建模方法

劉全海，冉慧敏，李　樓

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430072； 2. 常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

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顧及地形特征的三維道路及景觀快速建模方法

劉全海1,2，冉慧敏2，李樓2

(1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430072； 2. 常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

摘要：針對三維道路及景觀建模不能反映地形起伏變化、高成本和低效率等現(xiàn)狀，本文在研究三維道路技術標準及三維建模生產流程的基礎上，提出了一套集城市道路標志標線和城市部件采集、編輯、轉換和圖層管理的城市道路三維建模預處理方法，設計并實現(xiàn)了基于北斗的三星移動測量系統(tǒng)，在獲取道路路面精確高程的同時快速安全地獲取街景及全景影像。通過研究顧及地形特征的高程匹配算法，解決了對道路標志標線快速建模問題，實現(xiàn)了對道路及景觀的快速三維精細建模，并在常州市、福州市的三維城市數(shù)字建設中進行了試驗和推廣應用，充分驗證了該方法的精確性、穩(wěn)定性和有效性。

關鍵詞：三維建模；地形特征；預處理；高程匹配

三維數(shù)字城市正在向精細化、地上下、室內外的一體化方向方展[1-2]。當前，城市道路建模理論與方法主要有兩類：一是通過遙感影像與DEM疊合來表達地形模型[4-9]，利用航測法或機載LiDAR獲取的DEM精度通常在20～50cm之間；二是通過三維矢量數(shù)據(jù)精細建模來表達地形起伏。通常在規(guī)劃方案三維應用初期采用“水平底圖”的地形模型，生產地形變化的三維模型難度很大。這些方法均只能解決部分問題，不能解決精細的道路標志標線建模問題，也不能準確反映地形特征并實現(xiàn)地形地物的高程匹配，且存在成本高、周期長和低效率等問題。

本文針對這種情況，對目前三維道路景觀建模的相關技術標準及生產流程進行研究，提出低成本的道路標志標線快速采集技術，設計并實現(xiàn)基于北斗的三星移動測量系統(tǒng)，以獲取道路路面街景及精確高程數(shù)據(jù)，通過研究顧及地形特征的道路邊線、城市部件等的高程計算方法，實現(xiàn)對道路及景觀的快速精細建模。

一、基本思路

基本思路如下：①基于高精度基礎地形數(shù)據(jù)DLG并配準航空影像，提取道路及景觀三維建模相關內容，包括路邊線、路面、道路中心線、交通護欄、隔離帶等信息，采用道路標志標線采集系統(tǒng)獲取精細的道路標志標線矢量數(shù)據(jù)庫；②設計滿足高精度建模和基于北斗的三星CORS移動測量系統(tǒng)，并采集道路行車路線(基準線)的精確高程和高分辨率街景紋理和全景影像；③利用基準線計算道路中心線精確高程，實現(xiàn)在縱截面上起伏匹配；④利用基準線、道路中心線數(shù)據(jù)通過參數(shù)驅動來實現(xiàn)道路邊線、標志標線高程計算；⑤利用Creator等建模工具進行城市三維道路快速建模；⑥通過建立模型庫，對小品及附屬設施以模型匹配的方式快速建模，并基于道路邊線、道路三維模型等數(shù)據(jù)進行部件旋轉角、部件高程計算；⑦局部地區(qū)的地形與地物的匹配修正。具體建模流程如圖1所示。

圖1　建模整體流程

二、關鍵技術

1. 縱橫坡度的計算

縱橫坡度的計算是后文基于參數(shù)化驅動的方法生成道路模型的基礎，本節(jié)僅對必要參數(shù)的相關計算公式進行簡要介紹，具體計算依據(jù)、方法可參考道路設計規(guī)范相關內容。離心加速度變化率為

(1)

式中，V為設計行車速度，單位為km/h；R為超高設計處的最小半徑，單位為m。

道路一般設有縱坡和橫坡。橫坡則由超高和路拱橫坡度組成，統(tǒng)稱為合成坡度。道路設計常以合成坡度控制，合成坡度按下式計算

(2)

式中，α為合成坡度；LS為超高橫坡度，由設計車速和道路半徑參數(shù)確定，其正、負符號由道路轉彎方向確定；Jr為路拱橫坡度，由路面寬度、等級等確定，一般為負值。

2. 基于DLG、DOM的標志標線獲取

利用現(xiàn)有城市基礎地理信息資源，如城市大比例尺地形圖(DLG)，高分辨率航空影像或衛(wèi)片(DOM)，在CAD下開發(fā)各種人機交互的輔助工具，快速繪制地面與高架道路的交通導向箭頭、交通標志、交通標線、綠化帶、文字注記等，如圖2所示，利用屬性代碼提取道路邊線、道路中心線、交通護欄、隔離帶等二維矢量信息。

圖2　CAD下采集交通標志標線

3. 利用移動測量車獲取道路中心線的精確高程

本文設計了一種簡易的基于北斗的三星CORS移動測量車。由于觀測衛(wèi)星的增多，在空間可用性方面明顯增強。移動測量時其平面精度控制在3cm，高程精度控制在5cm之內，在初始化時間、解算時間和信號穩(wěn)定性方面顯著增強，通過同步控制器的設計，結合高清晰度的單反相機和全影像機的集成，實現(xiàn)基于三星的移動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于道路中心線高程數(shù)據(jù)獲取及城市道路景觀紋理獲取。

根據(jù)移動測量車獲取的道路高程點數(shù)據(jù)實現(xiàn)道路中心線精確高程匹配算法的基本步驟如下：

1) 轉換二維多線表示的道路中心線為三維，其中每個節(jié)點的Z初始值設為0,即

i=1,2,…,n)

Cz=Pz+d·tanα

(3)

式中，α為城市道路的合成坡度參數(shù)。

4) 依次不同地移動測量車的觀測點位置為P(xP,yP,zP)，按步驟2)和3)循環(huán)，直至把道路中心多段線全面加密并實現(xiàn)節(jié)點的精確高程，真實精確表達了道路縱斷面的起伏變化。

4. 基于道路中心線的道路標志標線、邊線高程計算

利用上述方法獲取道路交通標志標線信息，這些建模對象仍以二維(X，Y)表現(xiàn)。而實現(xiàn)道路真實三維建模需要的道路中心線、標志標線及道路邊線都是三維多段線。由于本文在三維道路建模時采集了道路縱向的道路基準線或中心線的高程，城市道路的縱斷面不予考慮，只考慮道路的橫斷面形式及超高。因此，道路標線、邊線各節(jié)點的高程可按如下步驟計算：

1) 設中間隔離帶寬度為w，并設建模對象的任一節(jié)點N(xN,yN)，按距離最短原則確定道路中心線3DPL的最近連線兩個節(jié)點A(xA,yA,zA)和B(xB,yB,zB)，并計算出垂足點為C(xC,yC,zC)，節(jié)點N到C的距離為d1。

zN=zC

路面上交通標志線節(jié)點、部件中心點、道路外側邊線節(jié)點為

(4)

人行道及外側獨立地物節(jié)點為

(5)

式中，α為合成坡度，見式(2)；β為道路外側的排水坡度；若無中間隔離帶，則w為0。

由式(5)可以看出，zN由d1、d2、w、α、β等參數(shù)組成；α由設計車速V和道路半徑R決定；β由路面寬度、等級等參數(shù)決定。

5. 利用Creator進行城市道路快速建模

本文道路三維建模主要運用了Creator軟件。由于城市道路的紋理比較單一，可制作相應的素材庫進行相應的紋理貼圖處理，加之Creator軟件強大的LOFT放樣功能，可以利用道路中心線、道路邊線數(shù)據(jù)快速構造出道路的三維模型，道路標志標線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質量的三維模型。如圖3所示。

圖3　顧及地形特征的匹配及修正

6. 小品及附屬設施建模

城市部件與小品及附屬設施數(shù)據(jù)的坐標信息可在CAD中利用大比例尺地形圖及正射影像圖(DOM)進行提取，也可以從城市部件數(shù)據(jù)中提取(如圖4(a)所示)。為達到快速建模的效果，制作了專門的小品模型庫，如路燈、行道樹、公交站臺、自動售貨機、交通崗亭等，并進行相應的紋理貼圖，如圖4(b)所示。坐標信息結合小品模型庫即可自動批量生成對應場景的三維模型。為了增強小品模型的逼真性，還需對模型進行高度、角度及貼圖等細節(jié)的調整。貼圖的修改需要配合建模軟件人工進行，模型高程、角度修改主要通過程序自動計算，計算方法敘述如下。

一是缺乏社會管理責任制。計劃經(jīng)濟體制的主要特征是依靠行政指令完成社會任務，社會活力得不到充分發(fā)揮。缺乏嚴格的行政法規(guī)和個人負責制，缺少對每個機關和每個人的職責權限的嚴格明確規(guī)定，造成了部門的責任相互推諉，權利相互爭奪。因此，鄧小平要求在社會管理制度的設計上，必須“特別注意加強責任制”［5］150，“要建立崗位責任制，要堅持按勞分配的原則”［6］233。

圖4

(1) 部件的旋轉角度計算

如圖5所示，部件的方向一般與道路邊線的方向垂直(PD方向)或平行(PO方向)。則實際需要計算的角度即為θ1或θ2。

圖5　部件模型旋轉角計算示意圖

1) 設部件點P坐標為P(XP,YP)，首先通過遍歷的方式找到道路邊線上距離P點最近的線段的兩個端點A(XA,YA)、B(XB,YB)。

2) 計算旋轉角

(2) 部件高程計算

經(jīng)過模型庫匹配及上述旋轉角初始化后，模型的平面位置及旋轉方向已經(jīng)確定，但是部件的高程尚未賦值。可以通過對道路模型三角網(wǎng)進行內插計算出部件對應點的高程值。

設部件點位置投影到道路模型上的點位為P(XP,YP,ZP)，該點所在地形模型三角形的頂點為P1(XP1,YP1,ZP1)、P2(XP2,YP2,ZP2)、P3(XP3,YP3,ZP3)，則P點Z值可按下式進行計算

Z=A0×X+A1×Y+A2

其中

A0=-A4/A3

A1=-A5/A3

7. 地形與地物的匹配修正

大量的獨立地物是道路景觀的主要表達內容，如各類管線的井蓋、路燈、行道樹、交通標志牌等均可以從基礎地理信息中提取，并根據(jù)高程基準線按上節(jié)中介紹的方法進行高程匹配，然后通過模型庫對應以自動快速生成。但三維地形變化規(guī)律性不強，自動生成的模型不可能完美，尚需人工進一步檢查修飾。對于線狀地物，通過以上方法較好地解決了與地形對象的精確匹配，對于點體元，盡管點體的中心位置高程準確，但對于地形變化較大處，如地道、橋梁的上下坡處還需根據(jù)坡度和坡向進行修正。

三、測試結果與分析

按照本文提出的方法，利用CAD的二次開發(fā)工具，按以上算法開發(fā)了集城市道路標志標線采集、編輯、轉換和圖層管理于一體的城市道路三維建模預處理系統(tǒng)，主要功能如圖6所示。

圖6　三維建模預處理系統(tǒng)

其中道路標線等繪制模塊包含道路導向箭頭繪制、道路標線繪制、斑馬線繪制等共計104個符號。數(shù)據(jù)編輯模塊包含二三維多段線轉化、圓轉化為多段線、多段線抽稀等22個功能命令。還有道路邊線內二維高程匹配、按道路中心線二三維數(shù)據(jù)轉化、小品及城管部件數(shù)據(jù)圖層管理等功能。

利用簡易的基于北斗的三星CORS的移動測量車采集系統(tǒng)對常州市和福州市兩個測區(qū)的高程和街影紋理數(shù)據(jù)進行了采集，并按本文提出的總體思路進行三維道路及景觀建模，并作了精度測試和完整性檢查。結果如下：

1) 平面位置的精確度：建模過程以城市大比例尺地形圖和DOM為基礎，即道路中線與大比例尺地形圖一致。標志標線平面精度取決于城市DOM精度，如1∶1000DOM≤0.25m。城市小品及部件與普查精度一致，如A類部件平面中誤差≤0.5m。保證了平面精度的統(tǒng)一，為數(shù)據(jù)更新和共享應用奠定了基礎。

2) 地形起伏高程精度測試結果見表1—表3。

表1　道路縱坡高程精度匹配精度驗證　m

表2　道路橫坡高程精度匹配精度驗證　m

表3　三維模型的方向測試驗證　(°)

3) 三維表達的完整度。由于采用了從現(xiàn)有的城市大比例尺地形圖、DOM及數(shù)字城管部件中提取三維對象實體，三維表達的完整度在95%以上。

4) 生產效率的對比。測區(qū)1共56km2范圍，道路總長為308km，投入6人共24天。測區(qū)2共45km2范圍，道路總長為201km，投入3人共28天。利用本文方法進行生產實踐應用，與傳統(tǒng)的人工建模相比節(jié)省約80%的人工作業(yè)量，整體效率相比人工建模提高5倍以上。

四、結束語

本文充分利用了城市已有的大比例尺地形圖、高分辨率的影像和城市部件數(shù)據(jù)，采集成本方面大大降低；開發(fā)了基于北斗增強CORS移動測量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)快速獲取能精確反映地形起伏特征的道路縱向變化；然后研究了顧及地形特征的參數(shù)化建模算法，實現(xiàn)了對道路邊線、標志標線、小品及部件景觀的精確高程和方位確定。通過模型庫與紋理庫的自動關聯(lián)實現(xiàn)了城市道路及景觀的快速建模。通過試驗區(qū)的生產和推廣應用，在三維數(shù)據(jù)的視覺效果、反映地形特征、提高街景數(shù)據(jù)采集、降低生產成本等方面驗證了該方法的穩(wěn)定性、精確性和有效性。本文方法還可以進一步提升和改進：一是利用本方法后大大提升精度和三維效果的同時會成倍增加數(shù)據(jù)量，因此本方法適用于精細模型建立；二是如何充分集成和利用高分辨率的街景影像，動態(tài)提高變化紋理的景觀方面有待進一步研究。

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Three-dimensional Modeling Method of Roads and LandscapeBasedonTerrainFeatures

LIU Quanhai，RAN Huimin，LI Lou

收稿日期：2015-07-10； 修回日期： 2016-05-10

基金項目：國家十二五科技支撐項目(2012BAJ23B03)；住建部科學技術項目計劃(2013-S5-4)

作者簡介：劉全海(1972—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為數(shù)字城市建設理論、城市三維可視化等。E-mail:672810610@qq.com

中圖分類號：P208

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0030-05

引文格式： 劉全海，冉慧敏，李樓. 顧及地形特征的三維道路及景觀快速建模方法[J].測繪通報，2016(6)：30-34.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0184.