面向陆地边界场景的三维建模方法研究

论文摘要

“数字陆地边界”三维建模常用的方法有两种,一是将数字高程模型与影像相结合,在边界地带构建本质上为2.5维的LOD 0级数字地形模型；二是在边界口岸等局部范围,采用实体模型与纹理贴面相结合的方法,构建多级LODs三维模型。用这两种方法构建的边界三维模型均有一定的局限性,前者的现势性往往不高、纹理细节不够,后者构建技术复杂、更新较为困难,往往不能满足边界突发事件处置和勘界联检等对局部高细节、现势性三维场景的需求。研究发展适合边界场景特点的三维建模方法,是“数字陆地边界”的一个重要研究任务。为此,本论文以研究发展适合边界场景特点的三维建模方法为目标,提出一种立体全景建模方法,并结合界碑等分界标志物的三维重构以及边界局部地区综合多类信息浏览与分析表达集成方法等科学问题展开相关深入的研究,最后开发实验系统对研究的成果进行了验证与分析。论文的主要研究内容和成果总结如下：(1)提出了适用于边界地区的一种全景建模方法。该方法可构建具备量测操作分析功能的三维全景模型,在“数字陆地边界”景观表达中,易与3DGIS结合。通过构建立体全景模型,分析其内在的双球面投影几何关系,推导出其核线几何关系的形式化描述,并由此建立数据量测计算的理论依据,研究构建相对定向、绝对定向以及立体量测等算法。最后,通过采集的陆地边界地区数据对具体的量测方法进行了验证。(2)提出一种基于横向切片的分界标志物三维重构方法。该方法利用平面单应变换和未标定的多视图完成三维重建。通过对重构物体成像轮廓约束及场景约束,求得各层轮廓线的三维值以及重构物体的高度。该方法无需相机标定,无需计算基本矩阵,无需进行重构物体的特征匹配。因此与传统摄影测量方法相比具有简便易行的优点。实验表明该方法对规则与非规则物体的三维重建均具有良好的效果。(3)提出了一种综合多类信息浏览与分析表达的集成方法。针对边界突发事件、勘界等局部地区的应用需求,在构建“数字陆地边界”系统时,必须集成各方面的数据,包括覆盖该区域的数字地形模型,地表各类对象的三维模型,重点路段的序列全景模型,以及界碑等分界物的三维显示等等。为此,论文提出了基于Web环境的各类数据多层次细节模型集成方法,包括集成的架构设计,以及集成的功能设计与实现技术等。(4)开发原型验证系统。针对本论文提出的原理与算法,利用Matlab实现了立体全景建模、分界标志物三维重构。在Web环境下,应用Java编程,开发了边界局部地区综合多类信息浏览与分析的原型系统。实验验证了文章所提出的边界三维建模方法。全景建模数据采集简便灵活、现势性强、细节表达丰富且构模效率高、并具备可量测性；三维重构能实现分界物的简便、快速建模；集成方法能有效集成各种层次细节模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 数字陆地边界构建
• 1.1.2 边界三维场景的特点
• 1.1.3 边界场景建模的需求
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 数字地形建模
• 1.2.2 城市层次细节模型（LODs）建模
• 1.2.3 全景图像建模
• 1.2.4 现有的边界场景建模现状
• 1.3 本文研究内容及结构安排
• 1.3.1 本文的研究内容与目标
• 1.3.2 本文的结构安排
• 第二章 边界场景的全景建模方法
• 2.1 研究思路与步骤
• 2.1.1 总体研究思路
• 2.1.2 主要步骤
• 2.2 双球面投影几何
• 2.2.1 几何建模基础
• 2.2.2 球面投影公式
• 2.2.3 双球面投影几何
• 2.3 立体全景测量方法
• 2.3.1 相对定向与绝对定向算法
• 2.3.2 量测算法
• 2.4 算法测试
• 第三章 基于横向切片的边界分界物三维重建方法
• 3.1 横向切片重建方法的提出
• 3.2 横向切片的三维重建思想与物体成像
• 3.3. 横向切片的三维重建算法
• 3.3.1 缩放比例因子的不变性
• 3.3.2 空间层次控制点推导与横向切片的生成
• 3.3.3 横向切片的三维恢复与重构物体的高度推导
• 3.4 算法测试
• 第四章 边界场景的多层次细节集成方法
• 4.1 边界的数据集成模型
• 4.1.1 层次细节模型
• 4.1.2 CityGML以及其建模
• 4.1.3 研究思路
• 4.2 边界集成模型的形式化描述
• 4.2.1 集成模型框架
• 4.2.2 数据组织结构
• 4.2.3 数据相互关系
• 4.3 集成模型的实现与技术
• 第五章 实验与分析
• 5.1 实验系统功能框架
• 5.2 实验工具
• 5.2.1 开发环境与相关技术
• 5.2.2 实验数据获取
• 5.3 主要实验结果
• 5.3.1 球形全景立体像对建立与量测
• 5.3.2 基于横向切片的分界标志物三维数据获取与显示
• 5.3.3 多层次细节集成模型
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究工作
• 6.2 研究的创新特点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要研究成果