[發明專利]一種使用近景普通數碼相機的快速單木建模方法

無效

• 申請號: 201210121155.1
• 申請日: 2012-04-24
• 公開（公告）號: CN102750729A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 馮仲科;鞏垠熙;高原;何誠
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/04;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明涉及一種森林資源信息真實三維可視化表達方法，特別是一種近景普通數碼相機快速建立單木三維模型的方法。

二、技術背景

我國現行的森林資源信息的管理和處理，大都采用二維的數據信息，現實世界表達的逼真程度低，及在理解上帶來極大不便。森林資源信息三維可視化彌補了二維信息的不足，它帶給人們以全新的理解方式，從抽象的、定性的理解轉變為具體的、視覺感官生動的理解。能為用戶提供視覺上的感受，讓用戶對森林資源信息具有感性認識，更使得決策者對森林資源現狀和規劃設計有了更為生動、客觀和理性的了解和認識，從而拓寬了森林資源管理人員的視角。

近年來，虛擬森林場景的可視化研究正成為生態學、樹木學、森林經濟學等領域的研究熱點，其對森林經營管理、決策，森林景觀設計和森林教學方面都有重要意義。在三維森林場景建立過程中，大量的樹木模型成為整個場景的主題部分，它使得森林場景更加具有真實感。然而樹木本身種類繁多，形狀不規則，結構復雜，因此對其進行建模和繪制難度較大，且不能很好的模仿樹木的動態變化，例如樹木的生長變化、樹木遭受病蟲害變化、樹木受到火災變化等。因此探索優化的建模方式構造樹木模型已經成為實現數字化森林的現實要求。

以往的三維樹木建模的方法通常采用一些商用軟件中集成的建模方法或是簡單的貼圖方法，也有科研機構應用模擬仿真的方法建立自動生成的樹木仿真模型，但上述種種技術都有其明顯的缺點和不足：

①單木的精確模型建模難度很大，即便是自動生成的仿真模型，在面對變化莫測的自然環境，仍然難以實現與現實樹木形態結構的一致；

②精確建模的成本較高，使用較專業化，非專業人員難以勝任；

③實測時行動緩慢，周期長。

因此，怎樣提高單木三維模型建模精度，降低成本，提高效率成為本領域科技人員急待解決的問題。

三、發明內容

為了克服現有的單木三維模型在建模過程中不可避免的缺陷，在提高建模精度和工作效率的同時降低成本，本發明的目的是提供一種近景普通數碼相機測量單木建模方法，它在建模精度提高的情況下，顯著減少了內外業的工作量，提高了效率，降低了成本，克服了現有技術存在的缺點。

本發明的目的是這樣實現的：以普通數碼相機為工具，通過對單株樹木的環繞攝影，利用在被測樹木周圍放置人工標志建立相對控制的方法，通過現有的自檢校解析法得到樹木模型各點的空間坐標，同時利用影像獲得樹木的紋理信息。將上述得到的樹木空間坐標以及樹木紋理信息，通過構造幾何圖元函數進行建模，得到單木形態結構的三維模型。通過紋理映射將樹木紋理信息與單木三維形態結構模型結合，得到真實感的的單木三維模型。

建立相對控制的方法如下：

以某一適當的間距在被測量的樹木四周布置人工標志點，引入距離相對控制，建立誤差方程。設兩個標志點i和j的距離為S_i，j，從而形成條件方程式：

S²_i，j＝(Xi-Xj)²+(Yi-Yj)²+(Zi-Zj)²

自檢校解析法如下：

首先建立共線方程，其次對人工標志點坐標引入條件方程式：

Gx≡X_G-X＝0

Gy≡Y_G-Y＝0

Gz≡Z_G-Z＝0

其中X_G、Y_G、Z_G表示人工標志點的地面坐標，X、Y、Z表示測定的坐標，由于在條件方程式中，對X、Y、Z三個坐標分別列出條件式，所以用本方法結算時，所使用的控制點并非一定要具有三個坐標值。通過條件方程的線性化，計算所有樹木形態結構的各點坐標。

構造幾何圖元函數法如下：

借助OpenGL內置的幾何分形算法，建立若干組相連的以單木三維坐標點為三角形頂點的三角網格，經過平滑處理后形成逼真的單木形態結構三維模型。其中，設以n作為以1開始的整數，N作為指定的全部頂點數，繪制一組相連的三角形，對于奇數點n，頂點n，n+1和n+2定義了第n個三角形；對于偶數n，頂點n+1，n和n+2定義了第n個三角形，總共繪制N-2個三角形。

紋理映射法如下：

紋理映射就是把表現物體表面細節的影像通過定義紋理、控制紋理、設置映射方式以及指定紋理坐標的過程粘貼到樹木三維模型的表面。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：