大幅面地图的三维地形重建

1、第! “卷第#期! $ $ !年#月自动化学报% ? A 4 0 = 5 8/ ; 5 i E 4 0 E A 0 4 5 i 6j D = 6i 0 i : 4 5 = / 5= 7 = j 6 A i 5 /5 i 7 A ; ; = E = i 5 5 i ? C 0 / = 5 4 5 = / 5/ ; C D = / D ? A B C D, - 37 6 - 0 ,% “ ! “ 0 - 6 ! + # /96 ! */ “ $ % “ ; - 7 # $ ,# $ % , - ! - , % 6 % # “ $ *E 8 F - . 6 / ,- , 8/ “ $ / % # “ $G引言等高线地图是用二维平面表示三维地形的重要工具*但是读懂等高线地图需要一定的专业知识4近几年来*对等高线地图进行三维地形重建成为地图学和地理信息系统的研究热点*其目的就是使地形特征或地理信息表示得更加直观*使地图的三维可视化程度更高*未来的地图应该像一张彩色照片一样直观易懂*即使没有多少专业知识的人也能容易地读懂它4地图的地形重建一般都是先建立好等高线*再对每条等高线逐一赋高程值*然后建立

2、F H I F 6 % 6H , - - 6 # $I“ 1 , 7 )或H J K H - # 6 $ 0 ; 7 6 -J - - , 0 ; 7 6 -K, % :“ - L ) *并由F H I或H J K生 成反映地形的真实感图形4由于等高线是由各点连接而成的* F H I的建立一般是把等高线上的点当一般离散点*由这些离散点生成三维规则数据场*通常有移动曲面拟合内插法M多面函数内插法M配置法M有限元插法等N G O4 H J K的建立则应基于最佳三角形的条件*一般有角度判断法*泰森多边形与狄洛尼三角网法*对于等高线地图则应该在相邻等高线之间建立三角网N P QR O4文献N S O则将等高线内插与三维地形重建相结合*生成的三维规则数据场能产生光滑的表面4尽管已有不少方法可以建立基于地图的三维规则数据场*但仍然有一些问题需要解决4例如T大幅面地图有很大的数据量需要处理*要求三维规则数据场建立算法既有较高的质量又有较快的运行速度4近年来*有人开展了直接从像素地图重建三维地形的研究4直接从像素地图重建地形需要对等高线作自动解释*包括等高线的矢量化和高程识别4由于等高线拓扑的总体约束

3、*从图像地图重建等高线是一个很困难的事情U过去的研究表明*等高线的局部几何特征不足以对等高线的自动重建提供足够的依据4相关文献都采用用户干涉的方法绕过这一不足*其中人的作用大多是解决一些算法无法作出正确判断的情况或者纠正一些不正确的重建结果N V * W O4文献N X O提出了一个学习策略来减少交互次数4文献N Y O提出了另一个等高线半自动重建方法*该方法建立了一个矢量跟踪Z0 , $ % *并提出一个Z0 , $ %之间的协作环境*以使矢量化时能通过等高线的不规则部分*在此方法中用户的角色是初始化Z0 , $ % *因为Z0 , $ %的初始化很精细*所以对用户的要求很高*文献N G O将重建问题形式化描述为一个二着色问题*即用与等高线尽量吻合的两个高程创建一个F H I*尽管这种方法在绝大多数情况下有较好的结果*但是当等高线间断太多并且太大时该方法就失效了4文献N G G * G P O利用已知的中间F H I判断所有等高线的方向*按照某种规则计算出各等高线 S着色的概率*然后判断出各等高线高程4这固然是一种新的研究思路*但这种方法求出的等高线高程可靠性得不到保证*需要进行一致

4、性检查*并由用户纠正4文献N G E O则从像素地图中抽取高程符号M高程字符和等高线*生成F H I时把高程点作高程约束M把等高线仅作切向约束*这种方法的问题是重建的三维地形很不精确*特别在高程点很稀疏时4目前直接从像素地图重建三维地形的研究中都存在着两个问题T一个是不够实用U另一P自动化学报P X卷个是未对大幅面地图的三维地形重建作特殊的研究!本文完成了一个实用的可用于大幅面像素地图的三维地形重建系统!本系统将图像地图中等高线矢量化“并自动#半自动$识别出等高线的高程“再建立三维规则数据场“从而生成表示地形的真实感图形!%系统框架图 !满足2 +以直线?为界,: ; 与点89 5不在同一侧“- +线段 ,: ; 与线段? ,3 6不相交“7 +线段? ,: ; 与线段 04 6不相交“( +A? ,: ; BCD E,A? , !其中点,是满足 + F7 +的点$同样!在等高线-上!从点04 6到点01中求出点0: ; 上的点到点72的线段1和等高线上的点 E2到7 ( ) * 8 F2点中的点仍然有选择地与点 E2到7 ( ) * 8 F2点中的任意点7 1如果线段7 * R B

5、1 Q S A 7 # 5从左到右作=条水平直线TU ; ? PV1 TU ; ? P21 = $ % $ % %-;- (-;“7 -实际上也就求出了与点.相邻的“条等高线-可以近似地用点.到点;%-;- (-;“的距离作 为点.到各相邻等高线的距离3 +L以;+为中心以+HI J K邻域: ;+内的每个网格点M D#L判断点;+位于网格点M D#的第几象限H 不仿设;+位于网格点M D#第N象限- 如果M D#与点;+的距离小于M D#与点“ A +H OOI J K每个网格点M D+L根据每个象限内离M D+最近的点“ A %的距离比点.离点;的距离要远-但是与点.相邻的等高线是;% 所在的等高线%而不是;所在的等高线 -这是等高线%上的线段;%V太长造成的-可以用W%期胡卫明等?大幅面地图的三维地形重建如下方法解决这类异常问题!各象限同时求出两个离“点最近又属于不同等高线的点#$和#%是一幅实际像素地图中的一小块“图9 : 等高线起点等高线的延伸方向封闭等高线马鞍型地形等问题$从图中可以看出内插的等高线质量很高$图? 7是本系统生成的晕渲图“已缩小:因版面所限“无法刊出大幅面晕

6、渲地图; “其中第一幅为山区地形A第二幅为黄土地貌A第三幅上边为山区地形下边为平原地形$从图中可以看出晕渲图较好地反映了相应的地形特征$在带3 = B内存的C D D E 9 ? 4计算机生成第一幅晕渲图仅需4 F =分钟A生成第二幅晕渲图仅需6 F G分钟A生成第三幅晕渲图仅需H F 7分钟$经用户测试“在这种计算机上对9个全开:即9G6期胡卫明等I大幅面地图的三维地形重建个!“幅面#的地图作晕渲$生成% “ “ ( 8? ) A = B ( M R )P 7 7 M EB 7 = ( 8 F D = DG D = E ( 7 8 D C F 7 = ( X ( , ( 0 ! ? 0 ,:) “ ( 4 0 ,; “ ) ( 2 0 ! ( “ A6 7 7 7; 0 $ = 4 0 ! 2 “ ) ( 2 0 ! ( “ A6 7 7 7; 0 $ = 4 0 ! 2 “ ) ( 2 0 ! ( “ A6 7 7 7; 0 $ = 4 R ; :J和计算机视觉等方面的研究工作?吴兵博士?目前主要从事地图出版系统的开发工作?刘崴高级软件工程师?目前主要从事地图出版系统的开发工作?+

7、上接第F Y页-3 ?中国大陆的作者请将稿件投寄到A 福建省厦门大学自动化系+ U Y C G G I -李茂清教授N & ) A + G I D F - F C E I Y 3 DK “ O A + G I D F - F C E F 3 G T7 R “ ( ) A ) ( _O = ? & * = ? % !其他地区和国家的作者请将稿件投寄到A/ 0 2 & , , 0 ( 5 = “ ( &# % 5 0 0 ) 0 2 7 7 7 . P W# Fa“ ! B “ ! 1N & % 5 ! 0 ) 0 1 ( % “ ) b! ( c & , ( 4 B# ( ! 1 “ $ 0 &Y U D T D EK “ O A + Y I - T D F G 3 C I7 R “ ( ) A & ) 5 O ( & _! 4 = ? & * = ? , 1 I ?特邀组织委员会和相关领域的专家报告.请与秦化淑教授联系A 秦化淑教授北京中关村中国科学院系统科学研究所+ C G G G E G -7 R “ ( ) A ( ! _( , , G U ? ( , , ? “ % ? % !

8、 重要日期A论文摘要和特邀专题提交的截止日期A F G G F年U月C I日论文录取通知时间A F G G F年3月C I日论文全文交稿时间A F G G F年I月C I日会议网址A 5 4 4 $ A d d % ( & , ? O = ? & * = ? % ! d ( % % “ +中文网址-5 4 4 $ A d d 5 * * ? & % & ? ! = , ? & * = ? , 1 d H( % % “ d +英文网址-CCC期胡卫明等A大幅面地图的三维地形重建大幅面地图的三维地形重建大幅面地图的三维地形重建作者：胡卫明， 吴兵， 刘崴 作者单位：胡卫明(中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室,北京,100080；北 京大学文字信息处理技术国家重点实验室,北京,100871)， 吴兵,刘崴(北京 大学文字信息处理技术国家重点实验室,北京,100871) 刊名：自动化学报 英文刊名：ACTA AUTOMATICA SINICA 年，卷(期)：2002，28(1) 被引用次数：10次参考文献(17条)参考文献(17条)1.张祖勋.张剑清 数字摄影测量学 19962.Co

9、ng G.Parvin B Surface reconstruction from sparse fringe contours 19983.Talele S.Johnson T.Livadas P E Surface reconstruction in parallel 19924.Johnstone J K.Sloan K R Tensor product surfaces guided by minimal surface areatriangulations 19955.Chai J.Miyoshi T.Nakamae E Contour interpolation and surface reconstruction ofsmooth terrain models 19986.Eikvil L Tools for interactive map conversion and vectorizaton 19957.Mecocci A.Lilla M AI-based technique for tracking chains of discontinuous symbolsand its application to the analysis of topographic maps 19948.Goodson K.Lewis P A knowledge based line recognition system 19909.Shimada Agent-based parallel recognition method of contour lines 199510.Dupont F Automatic interpretation of scanned maps: Reconstruction of contourlines 199711.Dupont F.Deseilligny M P.Gondran M Automatic inerpretation of contour

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