[发明专利]考虑矢量要素自然特征限制的三维地形模型调整方法

说明书

本发明公开了一种考虑矢量要素自然特征限制的三维地形模型调整方法，依据矢量要素的自然特性重新计算局部地形高程，并实现重计算后矢量区域与局部邻域地形的平滑过渡，改善可视化效果。该方法包括：依据矢量要素的属性信息定义自然特征限制条件并为矢量要素划定核心缓冲区和过渡缓冲区；将矢量数据栅格化到地形高程纹理中，通过调整高程纹理实现对矢量要素的处理；对于核心缓冲区，根据矢量要素的自然特性重新计算矢量高程；对于过渡缓冲区，利用多重网格方法计算地形模型的拉普拉斯表面，将地形模型的变形限制到过渡缓冲区内。本发明能够在保持矢量要素与地形模型的紧密贴合基础上，有效解决矢量要素表面的扭曲变形和高程异常等问题。

技术领域

本发明属于地图制图学和计算机图形学领域，具体涉及一种基于矢量要素自然特征限制的三维地形模型调整方法。

背景技术

二维矢量要素作为虚拟地理环境的重要组成部分，其与三维地形模型的高效、精确贴合渲染是三维GIS可视化研究的重要内容。已有学者针对矢量要素覆盖的地形的调整和重建做出了一些研究，包括简单平滑方法、精细化建模方法、基于控制点的地形编辑方法等。技术背景主要从上述三种方法的优势和不足展开。

(1)简单平滑方法

简单平滑方法通过对需要修改的地形做多次平滑迭代计算，达到平滑地形表面的目的。Liang等将道路等要素嵌入倾斜摄影测量模型中，将倾斜摄影测量数据转化为数字正射影像数据和数字表面模型数据，在二维尺度上实现道路与城市模型的结合，道路表面的平滑通过移动均值滤波达成。该方法的研究区域为城市，地面不存在明显的高程波动，因此简单的均值滤波便能满足平滑需要。Andújar等将道路模型、点云数据与低精度的数字地形模型结合，采用滤波对道路表面做多次平滑迭代处理，减少网格之间的不连续。然而，该方法仅适用于局部地形结构简单且不存在明显的凹陷的情况，当地形高程变化较为复杂时，简单的平滑迭代方法不能满足地形表面的平滑需求。

(2)精细化建模方法

精细化建模方法通过为矢量数据建立满足高程要求的精细的模型，使其匹配局部地形的起伏变化。Bruneton等根据采样点为矢量要素建立二维三角网面片(2D meshes)并为面片设置相应的高程，再将三角网面片叠加到地形图层上。该方法属于精细化建模范畴，能够获得较高的展示精度，但计算成本较高。此外，利用这种方法不能保证矢量要素与地形表面的紧密贴合，在高程变化较大的区域反而会影响可视化效果。

(3)基于控制点的方法

基于控制点的方法需要对地形表面有大致的了解，将控制点设置在地形的重要地物对象上，例如山顶、山脊等部位。通过在控制点上施加限制，可以控制地形变形对重要地物对象的影响。此外，地形上其他点的位移可以根据其到控制点的距离计算获得。然而，这类方法对地形的控制较为有限，难以满足精确的地形编辑和调整需要。Jenny等为突出全景图中的重要地物对象，提出了针对2.5维地形的局部变形方法。根据变形前后控制点位置的映射关系，利用反距离加权和移动最小二乘法计算其他点的位移。该方法中，其余地形点的变形完全参照控制点，没有根据地物对象的自然特性添加特征限制条件，因此变形后会出现“湖泊上坡”的高程异常现象。基于控制点的方法已发展得较为完善，由于控制点只能设置在部分重要地物之上，通过控制点的推拉带动其余点的移动，无法满足复杂的地形模型编辑要求。

发明内容

发明目的：针对现有的二三维贴合渲染算法多从单一角度探讨诸如如何提高二维矢量渲染精度、地形绘制精度，而忽视了矢量要素与地形模型的相互作用的问题。本发明公开了一种考虑矢量要素自然特征限制的三维地形模型调整方法，综合考虑矢量要素的自然特性并设置相应的特征限制条件，通过对局部地形模型的调整，解决当矢量要素渲染到三维地形模型上时出现的视觉扭曲和变形问题。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种考虑矢量要素自然特征限制的三维地形模型调整方法，依据矢量要素的自然特性重新计算局部地形高程，并实现重计算后的局部地形与周围地形的平滑过渡。