基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法研究

張 敏，金 花

（1.安徽工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山243002）

數(shù)字城市涉及大規(guī)模存儲技術(shù)、遙感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、三維圖像建模技術(shù)等，對城市進(jìn)行多角度、全方位、可視化描述，實(shí)現(xiàn)城市過去、現(xiàn)在、未來的數(shù)字化表征。數(shù)字城市包含多個層次，但其基礎(chǔ)是城市地理空間數(shù)據(jù)集合[1-3]，而三維立體景觀作為城市地理空間數(shù)據(jù)集合的重要組成部分，三維立體景觀設(shè)計方法研究對加快我國城市數(shù)字化進(jìn)程具有現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的三維立體景觀設(shè)計方法多集中于實(shí)際地物的信息采集與三維建?；蛘呓柚S建模軟件進(jìn)行虛擬化實(shí)現(xiàn)，針對小范圍或者單獨(dú)的三維立體景觀設(shè)計，上述方法具有較好的可行性，但是針對大規(guī)模、協(xié)調(diào)性的城市全域三維立體景觀設(shè)計，傳統(tǒng)方法效率較低、整體把握性差、抽象性不足、可擴(kuò)展性較差，無法滿足要求日益提高的城市三維立體景觀整體布局設(shè)計需求[4]?；谏鲜霰尘?，利用立體正射影像對的三維可量測、立體觀測性強(qiáng)、全域描述性等特性，提出了一種基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法，核心步驟包括原始遙感圖像的預(yù)處理、數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建、正射影像對的生成、三維立體景觀的生成等步驟，為了便于推廣使用，在VS2012[5]環(huán)境下開發(fā)了對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，輸入城市相關(guān)參數(shù)即可便捷的給出城市三維立體景觀設(shè)計方案。選取國內(nèi)某三線城市，對基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法可實(shí)施性較好，對協(xié)調(diào)城市整體三維立體景觀布局、優(yōu)化城市景觀環(huán)境具有重要作用。

1 城市原始遙感圖像的預(yù)處理與空間定位

通過遙感技術(shù)獲取的城市原始圖像存在周期性的噪聲和大量冗余、山體陰影等，為了實(shí)現(xiàn)遙感圖像的精確空間定位，需要對城市原始遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理[6]。針對周期性的噪聲和大量冗余問題，采用帶通或者槽形濾波器進(jìn)行濾波處理；針對山體陰影問題，采用比值法對其進(jìn)行消除。基于Matlab環(huán)境[7]，對上述過程進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，處理效果對比圖如圖1所示。

圖1 城市原始遙感圖像的預(yù)處理示意圖

遙感圖像處理完成后，需要進(jìn)行空間定位，考慮到目標(biāo)城市的規(guī)模和具有標(biāo)識意義的地表建筑，采用基于遙感圖像線特征提取的三維空間定位法，具體步驟如下：S1：選擇經(jīng)過預(yù)處理后的遙感圖像中帶有標(biāo)識意義的地表建筑，可以選取道路、河流、廣場等，對這些地表建筑進(jìn)行線特征提取；S2：對提取到的線特征進(jìn)行圖像增強(qiáng)、邊緣細(xì)化、邊緣追蹤、中心點(diǎn)定位等處理，保證線特征長度、拐角數(shù)目等滿足線特征的閾值要求；S3：對滿足閾值要求的線特征進(jìn)行實(shí)際匹配，先進(jìn)行層次匹配，然后進(jìn)行檢測匹配，所有匹配完成后形成匹配集；S4：根據(jù)匹配集進(jìn)行遙感圖像的定位。上述過程基于C++語言，在VS2012環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的核心代碼如下：

2 數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建與正射影像對的生成

數(shù)字高程模型（DEM）采用一組有序的數(shù)值陣列來描述地面高程的實(shí)體模型，該實(shí)體模型包括數(shù)字化的各種地貌因子，包括起伏度、起伏變化率、坡向、坡度在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布值，是生成正射影像對的基礎(chǔ)[8-10]?；跇?gòu)建效率和光滑度的考慮，采用克呂金內(nèi)插法來構(gòu)建數(shù)字高程模型，詳細(xì)過程如下：S1：基于遙感圖像的定位數(shù)據(jù)集，繪制出遙感圖像的定位分布散點(diǎn)圖；S2：根據(jù)分布散點(diǎn)圖的分布樣點(diǎn)數(shù)和均勻程度，選擇常規(guī)克里金插值或者塊克里金插值法，根據(jù)采樣點(diǎn)間的距離和采樣點(diǎn)的整體空間分布情況進(jìn)行合理插值；S3：根據(jù)生成的DEM范圍，進(jìn)行樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集的外接矩形繪制，最終生成數(shù)字高程模型；S4：對生成的數(shù)字高程模型進(jìn)行標(biāo)記處理，標(biāo)記出低洼地帶并檢查是否有失真現(xiàn)象。在VS2012環(huán)境下進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的效果如圖2所示。

圖2 基于克呂金內(nèi)插法的數(shù)字高程模型構(gòu)建效果圖

數(shù)字正射影像具有精確的平面位置，包含有完整而豐富的影像信息，具有較強(qiáng)的二維直觀性，為了把這種優(yōu)勢擴(kuò)展到三維，引入人工視差輔助機(jī)制，把具有明顯優(yōu)勢的數(shù)字正射影像與數(shù)字高程模型下的立體輔助影像進(jìn)行組合，形成立體正射影像對，從而實(shí)現(xiàn)具有直觀性的高精度的三維立體景觀。如圖3所示，左圖用于生成數(shù)字正射影像，方法是根據(jù)數(shù)字高程模型上的定位高程值映射到遙感圖像上，根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)字影像內(nèi)定向，最后按圖廓線裁切得到一幅數(shù)字正射影像圖，并進(jìn)行地名注記、公里格網(wǎng)和圖廓整飾等。右圖用于構(gòu)造虛擬的立體模型，根據(jù)數(shù)字高程模型給出的起伏度、起伏變化率、坡向、坡度等地形情況引入人工視差，利用人工視差反應(yīng)數(shù)字高程模型的地形起伏情況，從而形成一個立體輔助片，并與正射影像構(gòu)成立體模型。

圖3 正射影像對的生成原理示意圖

3 三維立體景觀的生成

根據(jù)上文生成的正射影像對進(jìn)行三維立體景觀的生成，基本原理是把正射影像對中的三維影像與三維立體景觀進(jìn)行映射處理，詳細(xì)步驟如下：S1：根據(jù)城市三維立體景觀設(shè)計需求制作對應(yīng)的正射影像對并生成三維影像，作為三維立體景觀設(shè)計的比照影像；S2：根據(jù)比照影像的地形起伏度、起伏變化率、坡向、坡度等情況，分別設(shè)計對應(yīng)的三維立體景觀與比照影像的地形起伏度、起伏變化率、坡向、坡度等相適應(yīng)；S3：三維立體景觀建筑物紋理優(yōu)化和地表附屬植物上色處理，為了使三維立體景觀設(shè)計更具真實(shí)感，需要對建筑物紋理進(jìn)行優(yōu)化，紋理數(shù)據(jù)主要來源于城市實(shí)際建筑物，采用精細(xì)建模，確保獲得較為逼真的表達(dá)效果，由于植物種類多樣，顏色各異，為了協(xié)調(diào)三維立體景觀的整體色彩，需要配置合適的植物種類，需要進(jìn)行地表附屬植物上色處理；S4：三維立體景觀后期處理，根據(jù)城市布局，各方面意見等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

基于上述方法，借助地面分辨率為0.5m的某三線城市衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)及其空間定位集參數(shù)，進(jìn)行數(shù)字高程模型的構(gòu)建與正射影像對的生成，生成的數(shù)字高程模型網(wǎng)格間距為12m，基于正射影像對，對影像上的標(biāo)識建筑物進(jìn)行三維坐標(biāo)量測，形成精確的標(biāo)識建筑物量測數(shù)據(jù)集，作為三維立體景觀設(shè)計的數(shù)據(jù)參考集。以某三線城市某小區(qū)木質(zhì)走廊三維立體景觀設(shè)計為例，遵循上述方法，設(shè)計效果圖如圖4所示。從圖4可以看出，三維立體景觀設(shè)計效果較好，在視覺紋理性、真實(shí)感、色彩協(xié)調(diào)性等方面滿足要求。

圖4 三維立體景觀的生成效果圖

4 三維立體景觀生成軟件設(shè)計

為了提高三維立體景觀的設(shè)計效率，同時進(jìn)一步實(shí)際驗(yàn)證上文所提方法的有效性和實(shí)用性，本文在vs2012環(huán)境下通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件（.dll文件，把立體正射影像對構(gòu)建方法封裝為動態(tài)鏈接庫文件，供主界面調(diào)用）的形式開發(fā)了一款通用三維立體景觀生成軟件，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通用原始遙感圖像的預(yù)處理與定位、數(shù)字高程模型的構(gòu)建與正射影像對的生成、三維立體景觀比照影像的生成與設(shè)計等功能，本文主要利用的是Windows7操作系統(tǒng)平臺，采用的硬件設(shè)備CPU為英特爾酷睿i5，主頻3.2GHz，系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存為16GB，存儲空間2TB，網(wǎng)絡(luò)帶寬18M獨(dú)享。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行主界面如圖5所示。

圖5 通用三維立體景觀生成軟件主界面示意圖

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)三維立體景觀設(shè)計模式存在的效率低、真實(shí)感差、視覺紋理性差等不足，無法適應(yīng)大規(guī)模城市三維立體景觀設(shè)計需求等劣勢，本文提出了一種基于立體正射影像對的三維立體景觀設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)以可量測的形式快速構(gòu)建三維立體景觀模型并實(shí)現(xiàn)了一款新型的三維立體景觀生成軟件，以某三線城市某小區(qū)木質(zhì)走廊三維立體景觀設(shè)計為例，進(jìn)行實(shí)際測試，實(shí)際測試表明，系統(tǒng)在功能上對打破傳統(tǒng)三維立體景觀設(shè)計模式、提高三維立體景觀的設(shè)計效率具有積極意義，在性能上運(yùn)行穩(wěn)定，功能模塊之間劃分合理，較好地完成了預(yù)期設(shè)計目的，具有一定的實(shí)際推廣價值。