(12)发明专利申请
(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103927788 A(43)申请公布日 2014.07.16
(21)申请号 201410149021.X(22)申请日 2014.04.14
(71)申请人北京工业大学
地址100124 北京市朝阳区平乐园100号(72)发明人周玉文 唐颖 刘畅 赵见
刘子龙 王宏利(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理
有限公司 11203
代理人刘萍(51)Int.Cl.
G06T 17/05(2011.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图1页权利要求书2页 说明书4页 附图1页
(54)发明名称
基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法(57)摘要
本研究涉及一种基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法，通过二维地图里等高线和控制点提供的地形的高程信息和建筑物的地理位置，几何形状来构建建筑地物DEM模型，能更直接的显示建筑地物的三维模型，增加地物显示的真实性。以城市建筑底部特征值作为基准点及各DEM网格点平面坐标构建建筑底部表面三角网格，通过分块线性内插法和加权平均法求得DEM中建筑物底面的待定点的高程，利用建筑各点的高度值求得建筑侧面表面DEM，采用Delaunay三角剖分的原理建立建筑顶面表面DEM，从而建立一个完整的建筑地物DEM模型，从而克服了传统地形中等高线对建筑地物的描述，能更精确的表现城市建筑三维立体特征，从而满足城市规划设计的要求。CN 103927788 ACN 103927788 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
（1）城市建筑特征点的采集为了准确反映地形，可根据地形特征进行选择性采样，通过3*3的网格，利用中心网格点与邻近8个网格点的关系来判断样本的获取，即在建筑物局部区域内利用x，y方向关于z方向的二阶导数正负大小来判断，利用差分的方法得到为平地，
且
则为此局部区域海拔最高的点，若且且且
或或
或
且且
且
和
若且
且
则
为此局部区
域海拔最低的点，若另一方凸起，若没凹凸变化，若
则指两正交方向上，一方凹陷，则指两正交方向上，一方凹陷，另一方则指两正交方向上，一方凸起，另一方
没凹凸变化；选出地形凸凹不一的特征值点作为基准点，或者为了能提高精度，多采集一些点的实际高程值，下文中简称为副基准点进行待定点高程推求的依据；
（2）确定城市建筑底部的基准高程（2.1）构建建筑底部表面三角网格由于三角形划分区域的灵活性大，能以较少的数据来表达较复杂的地形表面，并且此方法容易解决数据间不协调的问题，选择三角形来划分建筑底部表面，根据（1）中选出的特征点，建立底部表面“骨架模型”，以这些特征点为基准点，计算副基准点与基准点的指向，距离，夹角，并按升序排列，分别连接基准点与副基准点，形成扇形三角形，采用LOP算法优化各三角形，判断具有公共边的两个三角形组成的四边形,如果其中任意一个三角形的外接圆包含另一三角形除公顶点外的第三顶点,则交换公共边从而形成由一系列相互连接且不相交的三角形面片连接而成的规格空间网格结构；
（2.2）内插法建立底部表面DEM
DEM内插是基于地形变化的连续光滑性，通过若干参考点的高程值来推求待定点上的高程值；由于实际地形的复杂性，整个地形不能用一个多项式来拟合，而采用分块内插的方法较宜；分块的大小通过地形的复杂程度和分布密度来区分，一般相邻两块间有一定的重叠部分，以确保分块函数的连续性；采用线性内插法来确定待定点的高程，使用步骤（2.1）
（，N2(x2,y2,z2)，N3(x3,y3,z3)，求得内插点的高程值，得到的三角形顶点的坐标值N1x1,y1,z1）
假设所求的函数形式是：
z=a0+a1*x+a2*y参数a0，a1，a2的值分别通过已知的顶点坐标值来求得，即
代入a0，a1，a2的值，从而得到内插点的高程值；
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权 利 要 求 书
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由于分块线性插值在内插点处具有不光滑性，即不能保证插值点处函数导数的连续性，特别是针对特征点少的地方，参考点少计算的分布可能偏向一方，从而不能满足的工程技术上的要求，需要补充未插值点的高程值，保证地形表面的光滑性，满足设计的要求；这时通过步骤（2.1）算出的格网点为中心把平面再划分成n个扇面，若扇面里参考点的高程差不大，不进行下一步，反之则需要从各个扇面内按方位取点进行加权平均：
Zp为待定点的高程，Zi为第i参考点的高程值，n表示参考点个数，Pi是指第i个参考点的权重；
通过以上的方法求得DEM中建筑物底面的待定点的高程设定为其脚底基准高程；（3）构建建筑侧面表面DEM
假设建筑边界底部基准点有A（x1,y1,z1）,B(x2,y2,z2),C(x3,y3,z3)，D(x4,y4,z4)，加上建筑物对应点正上方的铅直高度H1，H2，H3，H4，计算出这些点的三维点坐标，假设为A’,B’,C’,D’,点A’的平面坐标与A点相同，z’=z1+HI+H,其中H表示A点的基准高度，以此类推，建立建筑物各侧面的DEM.
（4）构建建筑顶面表面DEM由于建筑顶面的不规则性，需要对顶面多边形进行三角形划分，需要对多边形进行三角剖分，利用Delaunay三角剖分的原理，
1）.首先构建一个最大的三角形，插入表面多边形的凹凸顶点，建立三角形链表；2）.在链表中找出对应外接圆包含顶点的三角形，删除影响三角形的公共边，将顶点同影响三角形的公共边的顶点连接起来，从而完成一个点在Delaunay三角形链表中的插入；
3）.依据优化准则对新形成的三角形进行优化；将形成的三角形放入Delaunay三角形链表中；
4）.循环执行第2）步骤，直到所有凹凸点插入完毕；5）.按最大-最小内角准则，通过局部变换，得到Delaunay三角剖分。
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说 明 书
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基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法
技术领域
[0001]
本发明涉及一种基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法，属于市政
工程技术领域。
背景技术
[0002] 数字高程模型(DEM)是构建地形环境的重要技术之一，其精度不仅影响到地形可视化的效果，而且能制约着地形分析与决策的可信度。随着现代测绘技术的发展，地形建模的应用越来越广泛。因此，如何能准确地进行区域的DEM建模成为地形仿真技术的难点。[0003] 利用DEM建模技术表现城市建筑三维立体特征，在三维数字城市进程中起着关键三维作用，对实际取得的地形的基础数据进行DEM网格化处理，利用高程信息空间分布来表达三维向量序列，利用插值方法得到高精度的城市建筑的数据库，以此代替传统地形中等高线对地形的描述，从而影响到地形建模、地形分析以及其他地学应用结果。发明内容
[0004] 针对上述问题，为了可以进行比较可靠地城市建筑空间分析计算问题。本发明涉及一种基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法，用来建立一个城市建筑三维地理信息系统。
[0005] 通过城市建筑特征值的采集，构建建筑底部表面三角网格，利用分块线性差分法和加权平均法结合进行高程点插值，通过建筑各点的高度值求得建筑侧面表面DEM，采用Delaunay三角剖分的原理建立建筑顶面表面DEM，从而建立一个完整的建筑地物DEM模型。[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 一种基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法，所述方法具体步骤如下：
[0008] （1）城市建筑特征点的采集[0009] 为了准确反映地形，可根据地形特征进行选择性采样，通过3*3的网格，利用中心网格点与邻近8个网格点的关系来判断样本的获取，即在建筑物局部区域内利用x，y方向关于z方向的二阶导数正负大小来判断，利用差分的方法得到
则为平地，
且
和
若
且且
则为此局部区域海拔最高的点，若
且
且
或
且且
为此局部区域海拔最低的点，若
则指两正交方向上，一方凹陷，另一方凸起，若
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说 明 书
且
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则指两正交方向上，一方凹陷，另一方没凹凸变化，若且
则指两正交方向上，一方凸起，另一方没凹凸变化。选出地形凸凹不一的特征值
点作为基准点，同时为了能提高精度，可以多采集一些点的实际高程值（下文中简称为副基准点）进行待定点高程推求的依据。[0010] （2）确定城市建筑底部的基准高程[0011] （2.1）构建建筑底部表面三角网格[0012] 由于三角形划分区域的灵活性大，能以较少的数据来表达较复杂的地形表面，并且此方法容易解决数据间不协调的问题，选择三角形来划分建筑底部表面，根据（1）中选出的特征点，建立底部表面“骨架模型”，以这些特征点为基准点，计算副基准点与基准点的指向，距离，夹角，并按升序排列，分别连接基准点与副基准点，形成扇形三角形，采用LOP算法优化各三角形，判断具有公共边的两个三角形组成的四边形,如果其中任意一个三角形的外接圆包含另一三角形除公顶点外的第三顶点,则交换公共边从而形成由一系列相互连接且不相交的三角形面片连接而成的规格空间网格结构。
内插法建立底部表面DEM
[0014] DEM内插是基于地形变化的连续光滑性，通过若干参考点的高程值来推求待定点上的高程值；由于实际地形的复杂性，整个地形不能用一个多项式来拟合，而采用分块内插的方法较宜；分块的大小通过地形的复杂程度和分布密度来区分，一般相邻两块间有一定的重叠部分，以确保分块函数的连续性；采用线性内插法来确定待定点的高程，使用步骤（2.1）得到的三角形顶点的坐标值N1（x1,y1,z1），N2(x2,y2,z2)，N3(x3,y3,z3)，求得内插点的高程值，假设所求的函数形式是：[0015] z=a0+a1*x+a2*y[0016] 参数a0，a1，a2的值分别通过已知的顶点坐标值来求得，即
[0013] [0017]
代入a0，a1，a2的值，从而得到内插点的高程值；[0019] 由于分块线性插值在内插点处具有不光滑性，即不能保证插值点处函数导数的连续性，特别是针对特征点少的地方，参考点少计算的分布可能偏向一方，从而不能满足的工程技术上的要求，需要补充未插值点的高程值，保证地形表面的光滑性，满足设计的要求；这时通过步骤（2.1）算出的格网点为中心把平面再划分成n个扇面，若扇面里参考点的高程差不大，不进行下一步，反之则需要从各个扇面内按方位取点进行加权平均：
[0018] [0020]
Zp为待定点的高程，Zi为第i参考点的高程值，n表示参考点个数，Pi是指第i个参考点的权重；
[0022] 通过以上的方法求得DEM中建筑物底面的待定点的高程设定为其脚底基准高程；[0023] （3）构建建筑侧面表面DEM
[0021]
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说 明 书
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假设建筑边界底部基准点有A（x1,y1,z1）,B(x2,y2,z2),C(x3,y3,z3)，D(x4,y4,z4)，
加上建筑物对应点正上方的铅直高度H1，H2，H3，H4，可以计算出这些点的三维点坐标，假设为A’,B’,C’,D’,点A’的平面坐标与A点相同，z’=z1+HI+H,其中H表示A点的基准高度，以此类推，可以建立建筑物各侧面的DEM.[0025] （4）构建建筑顶面表面DEM由于建筑顶面的不规则性，需要对顶面多边形进行三角形划分，为了简化问题，在这里仅讨论简单的凸多边形和凹多边形，由于绘制的不稳定性，需要对多边形进行三角剖分，利用Delaunay三角剖分的原理，
[0027] 1.首先构建一个最大的三角形，插入表面多边形的凹凸顶点，建立三角形链表。[0028] 2.在链表中找出对应外接圆包含顶点的三角形，删除影响三角形的公共边，将顶点同影响三角形的公共边的顶点连接起来，从而完成一个点在Delaunay三角形链表中的插入。
[0029] 3.依据优化准则对新形成的三角形进行优化。将形成的三角形放入Delaunay三角形链表中。
[0030] 4.循环执行第2步骤，直到所有凹凸点插入完毕。[0031] 5.按最大-最小内角准则，通过局部变换，得到Delaunay三角剖分。[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：[0033] （1）代替了传统地形中等高线对地形的描述，能够实现自动化控制，实时更新地形改变的信息，更准确的表现城市建筑三维立体特征。[0034] （2）保证了城市建筑的精度，常规的地图图纸由于年代久远可能会变形，丢失原有的精度，通过DEM技术能保证城市建筑的精度不变，为城市规划设计提供更准确的技术支持。
[0026]
附图说明
[0035]
图1为本发明“基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法”工作的流
程示意图。
具体实施方式
[0036] 如图1所示，本发明涉及一种基于城市竖向规划的建筑地物分层DEM模型制作方法，具体步骤如下：
[0037] （1）城市建筑特征点的采集
通过3*3的网格，利用中心网格点与邻近8个网格点的关系来判断样本的获取，即在建筑物局部区域内利用x，y方向关于z方向的二阶导数正负大小来判断，利用差分的方
[0038]
法得到和的大小关系来选取特征点以及副基准点（用于提高精度）进行待定点高程
推求的依据。[0039] （2）确定城市建筑底部的基准高程[0040] （2.1）构建建筑底部表面三角网格[0041] 根据（1）中选出的特征点，建立底部表面“骨架模型”，以这些特征点为基准点，计
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算副基准点与基准点的指向，距离，夹角，并按升序排列，分别连接基准点与副基准点，形成扇形三角形，采用LOP算法优化各三角形，判断具有公共边的两个三角形组成的四边形,如果其中任意一个三角形的外接圆包含另一三角形除公顶点外的第三顶点,则交换公共边从而形成由一系列相互连接且不相交的三角形面片连接而成的规格空间网格结构。[0042] （2.2）内插法建立底部表面DEM[0043] 使用（2.1）得到的三角形顶点的坐标值N1（x1,y1,z1），N2(x2,y2,z2)，N3(x3,y3,z3)，求得内插点的高程值，假设所求的函数形式是：[0044] z=a0+a1*x+a2*y[0045] 参数a0，a1，a2的值分别可以通过已知的顶点坐标值来求得，代入a0，a1，a2的值，从而得到内插点的高程值。
[0046] 为了保证地形表面的光滑性，需要补充未插值点的高程值，通过（2.1）算出的格网点为中心把平面再划分成n个扇面，若扇面里参考点的高程差不大，可以不进行下一步，反之则需要从各个扇面内按方位取点进行加权平均。通过以上的方法求得DEM中建筑物底面的待定点的高程设定为其脚底基准高程。[0047] （3）构建建筑侧面表面DEM
[0048] 假设建筑边界底部基准点有A（x1,y1,z1）,B(x2,y2,z2),C(x3,y3,z3)，D(x4,y4,z4)，加上建筑物对应点正上方的铅直高度H1，H2，H3，H4，可以计算出这些点的三维点坐标，假设为A’,B’,C’,D’,点A’的平面坐标与A点相同，z’=z1+HI+H,其中H表示A点的基准高度，以此类推，可以建立建筑物各侧面的DEM.[0049] （4）构建建筑顶面表面DEM
[0050] 利用Delaunay三角剖分的原理：[0051] 1.首先构建一个最大的三角形，插入表面多边形的凹凸顶点，建立三角形链表。[0052] 2.在链表中找出对应外接圆包含顶点的三角形，删除影响三角形的公共边，将顶点同影响三角形的公共边的顶点连接起来，从而完成一个点在Delaunay三角形链表中的插入。
[0053] 3.依据优化准则对新形成的三角形进行优化。将形成的三角形放入Delaunay三角形链表中。
[0054] 4.循环执行第2步骤，直到所有凹凸点插入完毕。[0055] 5.按最大-最小内角准则，通过局部变换，得到Delaunay三角剖分。
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说 明 书 附 图
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