无缝集成城市真正射影像与实景可视化生成的理论与方法

This project presented study on the theories and methods of the seamless deep fusion between the true orthophoto mapping (TOM) generation and photorealistic visualization of urban buildings. The project aims to develop a new generation of TOM, called the true2 orthophoto mapping (T2OM), which can provide three-dimensional (3D) measurement (XYZ coordinate) and true texture information of urban. The studies will be carried out from five topics: (i) The relationship of the "wall texture visibility determination " vs. "occlusion detection"; (ii)The generation of single DBM-based T2OM, including the development of vector data structure for storing the "projected polygon" and XYZ coordinates, and the development of photo realization of T2OM; (iii)The study on the representation and index of single DBM-based T2OM and wall/top texture images; (iv) The method of merging multiple single DBM-based T2OMs; (v)The method of merging DBM-based T2OM and DTM-based. The complicit scientific problems to be solved include the common characteristics of both TOM generation and photo-realistic visualization generation, and spatial representation model of T2OM. The innovations of this project lie in: (i) the generation of the TOM and photo-realistic visualization for city’s buildings can simultaneously be implemented; (ii) the theories and methods relevant to the generation of T2OM. This project is collaboratively carried out with Tianjin University.

本项目提出建筑物真正射影像(TOM)制作和实景可视化制作深度交融的理论和方法研究。研究目的是发展新一代TOM，称为真2正射影像(T2OM)，以便能同时提供3D可量测(XYZ坐标)和3D实景真实感信息。项目从五个方面开展研究:① 墙面纹理的“可见性判定”vs.“遮挡检测”的关系; ② 单个建筑物的真2正射影像制作，包括单个建筑物的“水平投影多边形”矢量数据结构存储和3D可量测的存储方法、3D真实感的T2OM制作方法；③ 单个建筑物T2OM、建筑物模型、纹理影像索引的方法；④ 合并多个基于单个建筑物的T2OM的方法; ⑤ 合并基于地形的、基于建筑物的T2OM的方法。拟解决的关键科学问题内涵包括透视投影数学模型中的“互逆性”和T2OM的空间表示模型。创新性表现在①将真正射影像地图与实景化制作二者合为一步完成；②T2OM制作过程中相关理论与方法的先进性。本项目由桂林理工大学和天津大学共同承担。

随着计算机图像处理技术和虚拟现实技术的快速发展，发展镶嵌真实纹理影像的3D可量测城市景观地图是人们对“数字/智慧城市”建设中城市空间数据基础设施(USDI)发展的迫切需求。.本项目围绕真正射影像(TOM)制作与实景可视化融合，发展了既能实现3D可量测(XYZ坐标)，又能显示3D真实墙面纹理的新一代真平方正射影像(T2OM)。(1) 提出了一种“鬼”影像的遮挡检测方法，解决了由倾斜墙体产生的遮挡问题；提出了一种“鬼”影像集成DBM和日照特征的建筑物阴影检测，并进一步发展了整体松弛匹配法的人工阴影渠道下正射影像阴影检测方法，解决了传统方法检测地面和建筑屋顶不全和准确率不高。(2) 在国际上首次提出了一种超级像素模型，实现了单个像素既能存储灰度信息，同时能够存储高程信息和墙面纹理信息；提出了一种多个建筑物T2OM的改进Morton编码方法，将基于DBM的T2OM建筑物矢量数据与基于DTM的T2OM栅格数据建立一一对应关系，实现了T2OM的同步二-三维可量测和三维实景可视化；提出了一种采用共面和垂直条件为几何约束的方法，提高了影像2D-3D配准的准确性。(3) 提出了一种建筑物的SCSG-OSM存储及索引方法，通过快速确定准确唯一的SCSG 树表示建筑物唯一形状，并采用OSM模型表示建筑物内部结构，实现了建筑物快速精确建模；提出了构建多目标墙面纹理最优化模型的建筑物墙面纹理提取方法，实现了遮挡最小，面积最大墙面纹理的最优纹理提取；提出了一种建筑物纹理简化和分形压缩集成的三维模型可视化方法，解决传统纹理影像调用方法调用速度慢，消耗内存大等问题。(4) 提出了一种多幅T2OM镶嵌线网智能选择的Voronoi图蚁群算法，实现了多幅高分辨率航空影像镶嵌线高效提取。(5) 提出了一种“局部-全局”辐射均衡方法，实现影像亮度均衡，解决了影像存在的亮度不均的问题。(6) 在国际上首次提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)平台的真正射影像特征点实时检测与匹配技术和正射校正技术，实现了T2OM实时（近实时）生成，满足了海量数据实时处理的需求。项目成果：① T2OM系统软件1套；软件著作权6项，申请国家专利16项，其中发明专利13项；② 发表论文82篇，其中SCI论文34篇，EI论文44篇，出版学术专著5部。③ 培养博士后2名，博士生13名，硕士生54名，指导青年教师6人。