摘 要

高效，快速，大面积的建模一直一来都是数字城市建设的重点，倾斜摄影技术的兴起，让实现这一目标成为可能。由于其建模方式的限制，构建的倾斜模型本质上是连续不断的三角面，这让其局限于查看和浏览，无法进行更丰富的GIS应用。所以对倾斜摄影模型的单独化处理，即地物对象的单体化显得尤为重要。传统的单体化方法使得被切割模型的边缘锯齿化严重，切割效果不佳。本文是基于OSG框架结合C 6.0语言，在传统切割方法的基础上加以改进，提出了一套用于对切割效果进行评价的定量指标体系，对多种切割方式进行评价，从而优选出最佳切割方式，经验证确能改善模型的切割效果。

关键词：倾斜摄影；TIN模型切割；最优切割

Abstract

Efficient, rapid and large-scale modeling has always been the focus of digital city construction. The rise of inclined photography technology makes it possible to achieve this goal. Due to the limitation of its modeling method, the constructed tilt model is essentially a continuous triangular surface, which makes it limited to view and browse and unable to carry out richer GIS applications. Therefore, it is very important to separate the oblique photographic model, i.e. the monomer of ground object. The traditional monomer method makes the edge of the cut model serrated badly and the cutting effect is not good. Framework of this article is based on OSG combined with c 6.0 language, on the basis of traditional cutting method is improved, and proposes a set of quantitative index system used to evaluate the effect of cutting, cutting technique for a variety of evaluation, so as to select the best cutting way, proved it can improve the cutting effect of the model.

Key words: oblique photography; TIN model cutting; The optimal cutting

目录

摘要 I

Abstract II

目录 1

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意义 1

1.3研究现状 2

1.4研究内容 3

1.5创新点及待解决的问题 4

1.5.1 创新点 4

1.5.2 待解决的问题 4

第2章 倾斜摄影技术概述 5

2.1倾斜摄影技术的原理 5

2.2 倾斜摄影数据 5

2.2.1数据组织管理方式 5

2.3 倾斜摄影技术的优势 6

第3章 OSG库概述 7

3.1 OSG库概述 7

3.1.2 OSG库的组成模块 7

3.1.3 OSG基础 8

3.2 环境部署 9

第4章 算法设计 11

4.1 整体设计 11

4.2 最优切割评价体系 11

4.2.1 评价指标 11

4.2.2权重确定 14

4.3 最优切割算法 19

第5章 算法实现 22

5.1案例简述 22

5.2 结合案例的算法分析过程 22

5.2.1 准备工作 22

5.2.2 算法分析 23

5.3 切割效果展示 25

5.3.1 整体效果 25

5.4 不足与改进 25

第6章 总结与展望 26

6.1 总结 26

6.2 展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

航空摄影技术的兴起与发展，将人们从繁琐的绘图与建模中解放。倾斜摄影技术以一种高效而快速的方法为“数字城市”与“智慧城市”的建设提供无限可能。本章将就研究背景，研究内容等方面对倾斜摄影技术进行详细的介绍。

1.1研究背景

遥感技术的高速发展，是人类获得地球空间信息的重要途径。遥感技术在当下的各行各业中都有着广泛的运用，其中以国民经济和国防产业的应用最为广泛。遥感的分类方法众多，这里根据遥感平台的高度将遥感技术分为了三类。

遥感平台最高的一类称为航天遥感，因其常用卫星、航天飞机等高空飞行器采集数据。航天遥感的优势在于覆盖区域广，信息丰富，适用于大范围的区域研究。高度次于航天遥感的一类称为航空遥感，其中又以倾斜摄影最为常见。倾斜摄影以小型飞机或者无人机为测量平台，可搭载多角度的专业摄影机，可以实现被测区域的立体展示，它具有时间空间分辨率高，成本低等优点。而平台最低的近地遥感概指距离地面较近的以高塔、气球等方式进行的遥感测量。

此外，由于倾斜摄影的多方面优势，它已经逐渐成为现代城市建设与研究的重要手段。如何快速高效的构建城市三维模型已成为研究领域的焦点。倾斜摄影技术因其独特的优势脱颖而出。倾斜摄影技术除具有传统意义上的平面摄影的效果，它还支持三维建模，其原理是将摄影时生成的点云进行抽稀，构建不规则三角网模型^[1]，结合纹理信息就构成了常见的三维模型——TIN模型。其展示效果逼真，建模效率极高。

倾斜摄影技术作为一中高效的数据获取与三维建模技术，其潜在的应用前景实在是令人惊叹。目前，倾斜摄影技术尚未完全应用于人们生产生活，最主要的原因在于对于倾斜摄影模型单体化上的困难，传统的单体化方式——切割法，虽然能够基本完成将地物提取出来的目标，但其呈锯齿状的边缘与极低的切割效率使得倾斜摄影技术止步于查看，而不能进行更深层次的GIS应用。这无疑是一种巨大的资源浪费，所以，对其单体化方式的优化势在必行。

1.2研究目的及意义

倾斜摄影技术作为一种航空摄影下的新型摄影技术，它的创新之处在于低空状态下对同一地物的多角度多方向的测量^[2]，这种测量方式获得的数据精度高，质量好。由倾斜摄影数据构建的倾斜模型不同于传统建模过程的累赘繁复，具有高效、快速、真实性高等诸多特点。

其中，倾斜模型单体化正开展的如火如荼。

倾斜模型的生成可以概括为：将影像处理成点云，再由点云去构建不规则三角网，三角网的连续性使得整个倾斜模型是一个整体。对于这样的存储着大量信息的数据，如果只是简单的运用于影像查看未免十分可惜，但就其模型本身而言，自动分离出单个建筑就意味着模型的重建，这显然是不合理的。所以就需要对此模型进行加工，将个体单独地“挑选”出来。这就是倾斜模型的“单体化”操作。

单体化，顾名思义是指在整体中将单个物体进行分离并使其可以独立被存储被使用和被管理的过程。如同地理要素中的点、线、面等，它们即是独立的个体又可以整体的被分析和应用。倾斜模型的对象由于其本身数据结构的限制，无法成为独立的个体，这为倾斜摄影技术在GIS领域造成了严重的障碍。对模型的单体化就显得尤为迫切。

1.3研究现状

对于倾斜摄影模型，常规单体化的方法的局限性很大。要么不能真正的从物理意义上分离模型，要么单体化效率低下，应用首先。所以，众多国内外的学者对倾斜模型的单体化展开了丰富的研究。例如：改良切割算法的；探索更好的包围盒进行求交的；优化切割后三角网重构方法的，不一而足，以下会详细进行介绍。

目前，国内外的研究学者主要就物理分割的方法进行不断的研究和创新。物理分割的方法也有很多，较为常见的有以包围盒为研究重点的王勇^[3]等人，他们提出利用切割多边形和AABB包围盒，采用不同的切割方法，对相交区域的面片进行剪裁重构的方法实现单体化。这种方法本质上是对锯齿边缘进行了细化处理，但是实际上的切割算法并没有优化。

陈学工^[4]等人则是提出了一种任意切割算法——切割面与三角面片进行求交检测从而确定切割轮廓。该算法的局限于大量切割面存在的情况下耗时长。而明镜^[6]等人提出采用向二维平面投影的策略,将复杂的切割转化为交线的快速连接、三角形重新剖分和点与多边形的包含测试等简单操作，从而实现对TIN模型进行几何切割的方法也存在大量计算的问题。

Sander^[7]的将原始模型层层分割的迭代曲面分割法源于数学上“迭代”与“收敛”的思想。黄慧^[5]等人提出的对线面关系进行判定的规则，可以延伸地应用到到模型分割时出现的线面关系的判定。这两种方法暂时还停留在理论研究上。

立足于特征曲线抽取的网格分割算法DFEC^[8]与自适应聚类算法的实景三维单体化模型提取算法^[9]则可以称为一类较为新颖的优化切割算法，前者基于二面角和特征曲线，通过获得边界距离来得到优化合并区域。这种算法的局限在于对于线面的计算量太大。后者则是将自适应聚类算法与实景三维模型单体化结合。

同时，一些基于三角网切割的算法也具有借鉴意义。例如：基于空间三角网切割算法 TriCut的单个块体的平面剖面生成算法^[10]；或通过建立三角网的方向包围盒树实现曲面间的碰撞检测^[11]，快速重构三角网的方法；立体剪裁算法与平面切割算法原理上都出自于对剪裁平面的特殊处理以便于对三角网重构过程加以优化。

周翠英^[14]和郭圣文^[15]完善了三维模型的平面切割方法。Yang B^[16]等人提出一种新的扩展迭代的方法。常恕凯^[17]提出了剖面切割算法，即平剖面对三维地质体进行切割。

1.4研究内容

本设计的研究目的在于解决倾斜摄影模型切割过程中出现的切割效果差的问题，通过优选切割平面来改善切割效果，使倾斜摄影模型的单体化能够更好的服务于生产生活。

主要的研究内容分为以下三个方面：

（1）基于OSG库读取和分析倾斜摄影数据

了解倾斜摄影的基本原理和数据组织形式，熟练掌握基于OSG库和osgb数据格式的倾斜摄影场景几何特征分析方法，并且实现osgb格式的倾斜摄影数据的批量读取与展示。

（2）建立倾斜摄影单体最优切割线评价标准

通过对二维曲线的平滑程度的定义，结合三维地质剖面线，拟定出一套应用于三维多折线的平滑度评价体系，评价体系中的指标权重由主成分分析得到，并验证其正确性。

（3）实现给定区域内最优切割线搜索算法对不同切割方式得到的切割线进行评价，优选出最佳的切割方式并进行验证。完成最优切割的搜索算法，并对搜索算法进行实验和验证，并对研究结果进行有效性分析。

1.5创新点及待解决的问题

1.5.1 创新点

本文的创新点在于给出了对多种切割方式的定量化比较的指标体系，最优的意义在于一定范围内满足条件的最佳选择。指标的选取取自于二维曲线和三维地质剖面线，并结合实际经验拟定。由于不规则三角网模型的特性，对其进行切割后的网片进行重构并不能完全解决其边缘粗糙的问题，选择不同的切割方式，例如采用不用角度的平面进行切割的方法，却能从本质上改变粗糙边缘。

1.5.2 待解决的问题

本文待解决的问题在于以下几点：

（1）模型优选为人工干预下完成，尚未自动完成；

（2）目前只应用与控制台程序。

第2章 倾斜摄影技术概述

区别于传统摄影技术对于数据采集的局限性，倾斜摄影技术从原理上最大化的降低了数据误差，多台相机不同角度的同时摄影，从时间和空间上保证了数据的真实有效。本章将从倾斜摄影技术原理与倾斜摄影数据组织形式两方面对研究对象——倾斜摄影数据进行概述。

2.1倾斜摄影技术的原理

融合了传统意义上的航空摄影与近景测量技术，倾斜摄影技术作为一种新型高科技技术，正在快速融入我们的生活。由其遥感平台的高度将其划分为航空遥感，但是其实它的的摄影测量的范围可以十分广泛。飞行平台的选择可以从简单的无人机到专业的测量飞机，人员也可以从单个人员操作无人机到多组人员搭载小型飞机进行测量。简而言之，倾斜摄影技术的应用可简可繁。它正以高效率，低成本成为摄影测量届的黑马。

倾斜摄影技术的多角度是指其在地物的前、后、左、右以及垂直视角等五个角度都放置有摄像机，可以在同一时刻获得整个地物的所以细节特征。每个角度获得地物特征都有不同的用途：垂直角度的影像可以通过传统航空摄影测量制作成4D产品，包括数字高程模型（DEM）、文档对象模型（DOM）、数字线画图（DLG）与数字栅格地图（DRG）等产品；而倾斜角度在15°～45°之间的前后左右的倾斜摄影影像则可以用于获取丰富的纹理信息。

2.2 倾斜摄影数据

区别于传统垂直摄影的数据处理方式，倾斜摄影技术的应用并非局限于单纯的浏览航片或者查看地物，它更主要的是为用户提供一种多角度全方位的浏览模式，同时也需支持实时查看和三维浏览。

2.2.1数据组织管理方式

倾斜摄影数据的组织管理方式，即倾斜摄影数据的存储、调用的模式。倾斜摄影数据的组织管理方法主要有以下三种方式：文件管理、文件与数据库共存式管理和数据库管理模式。倾斜摄影数据的很明显的特点之一就是数据量很大，这也导致了管理这类数据不能以简单的方式来存储文件。所以倾斜摄影数据的组织管理就有两个选择：文件存储和数据库存储。传统的文件管理模式可以将数据分门别类的将每一样数据都存入专门的文件中，这样的模式虽然方便查看显示，但是显得冗余和复杂，且存储空间需求高。数据库较之文件，其优势在于对数据的高效管理。但是数据库的调用没有文件形式便利。

现在常用的还有一种文件类型结合数据库的组织方式，它结合了二者的优点，将空间信息与属性信息分开存储，区别调用具有很高的使用效率。现在常见的商业化的三维倾斜模型大多使用这种形式。

本文采用的文件格式为OSGB文件。OSGB格式为现在较为通行的一种二进制存储的、带有嵌入式链接纹理数据的倾斜摄影模型的数据存储格式。此类文件具有文件碎、数量多、高级别金字塔、文件大等特点。它具有较为严格的文件分级，按照一定的规律存放。是一种很底层又比较容易读取的文件格式。

2.3 倾斜摄影技术的优势

颠覆了传统摄影技术只能从平面观察地物的局限性，倾斜摄影技术让人类可以从一种更加真实的角度——三维空间，全面的认识周围的大环境。在低空飞行的条件下，通过多角度放置的高精度照相机，获取高精度的航测影像。让原本只能从垂直角度观察的我们有了一种可以从多视角对地物三维模型进行观察的可能。这就是倾斜摄影技术无与伦比的优势。

倾斜摄影技术的优势主要体现在两方面：作为一项摄影技术，倾斜摄影具有时间和空间上双高的分辨率；作为一项新型的三维建模技术，其建模效率极高。

主要优势点为以下四点：

(1)厘米级别的分辨率；

(2)通过多角度摄影获得的丰富的纹理信息，解决了传统的只能从垂直角度获取信息的局限性，不管是用于单纯的查看或者建模都具有较好的美观性和完整性；

(3)成熟的自动化建模技术

(4)真实的三维空间场景。

第3章 OSG库概述

倾斜摄影模型的后期处理离不开OSG库。实上，OSG库的诸多方法为本设计的实现提供强大的技术支持。所以，本章将从OSG库的概念，发展，组成及安装等多方面详细的介绍OSG库。

3.1 OSG库概述

由ANSIC C 编写，结合工业标准的OpenGL底层渲染API的OSG，不仅具有高效率的平台适应性，同时它也是一款集针对图形图像应用程序开发和图形渲染于一体的三维引擎。事实上，从OSG的诞生到今日的广泛使用，也不过短短的二十载，不能否认这一技术还十分年轻，但是它的功能却十分丰富，例如三维模型的数据读取，模型查看，用户交互以及简单的动画制作都能够满足。不同于传统三维模型软件的庞大与累赘，OSG独特的多平台普适性优势使其能与倾斜摄影技术完美的结合起来。传统三维模型，如3ds Max，虽然功能强大，但是其复杂的功能设计和模型操作给普通人使用三维模型造成了不小的障碍。OSG不存在这个问题，它只是一个第三方的外部库，操作简单，功能便捷。

OSG的发展可以追溯到1997年，Don Burns设计了一款仿真滑翔软件成为初期OSG的雏形。他与Robet Osfield也成为了OSG的创始人。至此，OSG正式成为一个拥有高性能渲染能力的三维渲染引擎。由于它可以存储调用大量的地形数据库，所以OSG在地理信息产业拥有很高的使用频率。

3.1.2 OSG库的组成模块

我们在使用OSG编写程序时可以清晰的感受到，调用OSG的是C 语言，一种编译语言，所以OSG的位置低于可以直接使用的软件程序，而又非底层硬件，结合它的定义我们自己也可以得出OSG的组织结构：硬件系统lt;OpenGLlt;OSGlt;应用程序。

OSG主要包括四个库，分别是OSG核心库（核心场景数据库的组织和管理和场景图形的操作），OSG工具库（核心库的补充，可实现特定功能），OSG插件库（可以直接或间接的导入3D模型或图片），OSG内省库（运行程序的接口）。

3.1.3 OSG基础

（1）坐标系统

坐标系的概念源于数学，最为著名的就是数学上的笛卡尔坐标系。在实际的地理应用中坐标系的地位更加重要。不论是地理坐标上的北京54，西安80，还是三维软件中的操作界面。首先确定的一定是坐标系的选择和坐标原点的位置。地理实体只有在准确的坐标系中才有其地理意义。OSG的坐标系是OSG图形图像变换的基础。常见的三维坐标系有：世界坐标系、物体坐标系、摄像机坐标系。

OSG中这三类坐标系都有较好的应用。其采用的世界坐标系是左手坐标系，这点与OpenGL一致，但其坐标轴的方向略有不同。物体坐标系是指模型在生成之初自带的地理坐标，这让这个模型具有了进行地理实际应用的意义。

（2）坐标系变换

三维实体的坐标与屏幕的二维坐标存在着巨大的差异，进行坐标转换的意义在于正确的将三维模型显示在二维屏幕上，转换的过程常用矩阵的变换完成。OSG的坐标系变换通常包括：世界坐标系-物体坐标系变换、物体坐标系-世界坐标系变换和世界坐标系-屏幕坐标系变换。变换需要用到的方法统一封装在OSG核心库osg库中。

（3）基本数学概念

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