基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，針對現(xiàn)有普通二三線和中西部城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村的大量測繪資料仍舊依托紙質(zhì)圖紙，存在難以管理、難以使用、難以分享的困難，該方法以掃描設備為平臺，以OCR、ArcGIS軟件為基礎，首先通過將紙質(zhì)圖紙矢量化識別，其次對整個矢量圖紙進行分層處理，最后將矢量圖紙輸入空間數(shù)據(jù)庫進行空間建模，形成具有三維形態(tài)的可視化模型，成為城鄉(xiāng)規(guī)劃管理者可管控，城鄉(xiāng)規(guī)劃師可利用，以及普通市民可認知的城市空間形態(tài)數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用簡便可行、自動化的步驟，具有快捷、準確的優(yōu)點，將紙質(zhì)圖紙轉(zhuǎn)化為數(shù)字化形態(tài)模型，促進了新型城鎮(zhèn)化背景下城鄉(xiāng)規(guī)劃成果的利用及技術(shù)手段的提升。
【專利說明】基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，屬于城市規(guī)劃【技術(shù)領域】。

【背景技術(shù)】
[0002]在我國的規(guī)劃管理和測繪部門，長期以來使用紙質(zhì)圖紙來記錄和存貯城市空間數(shù)據(jù)，在長期的和生產(chǎn)過程中，人們積累了大量的紙質(zhì)工程圖紙。這些圖紙是人們經(jīng)驗和智慧的結(jié)晶，是進行新產(chǎn)品設計與開發(fā)的重要依據(jù)和基礎。然而由于圖紙量大，給圖紙的保存、管理和使用帶來了不便。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設計CAD技術(shù)日益廣泛的應用到了工程設計的各個領域，CAD的準確性、智能性和易編輯性顯著的提高了制圖效率，得到了人們的廣泛認可并逐漸成為主流的設計方式。但是，現(xiàn)在的大多數(shù)CAD軟件只能在CAD圖形數(shù)據(jù)文件格式下進行繪制和編輯，對于圖像文件則不能識別其內(nèi)容。由于紙質(zhì)工程圖紙經(jīng)掃描設備輸入計算機時都采用圖像文件存儲，這就造成現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)對原有的紙質(zhì)工程圖紙無法利用。于是，人們面臨著這樣一個難題，即如何將原有的紙質(zhì)工程圖紙轉(zhuǎn)換成CAD圖形數(shù)據(jù)文件。這一難題一旦解決，不僅將使得保存在紙質(zhì)圖紙上的信息可以迅速方便地為今天所利用。
[0003]現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)主要采用人機交互的方式輸入工程圖紙(即由人讀圖，逐個圖素的輸入圖形)，這種圖形輸入方式相當于對原圖進行了重新繪制，存在著繁瑣、低效的弊端，嚴重影響了生產(chǎn)效率。于是，人們希望開發(fā)出一種高度自動化和智能化的系統(tǒng)來解決這一難題，這種系統(tǒng)被稱為工程圖紙?zhí)幚砑白R別系統(tǒng)或工程圖紙自動化處理系統(tǒng)。工程圖紙矢量化是將紙質(zhì)工程圖掃描輸入計算機后，對所得的掃描圖像經(jīng)過處理、分析和識別，最終重建其中的圖形對象的過程，它是圖紙復用、自動理解等應用的基礎，技術(shù)上涉及計算機圖形學、圖像處理、人工智能和模式識別等多個領域，處理過程也包含多個方面和多個層次，有很多問題值得深入研究，具有很高的學術(shù)價值和應用價值。
[0004]目前，基于紙質(zhì)規(guī)劃圖紙的識別方法有多種，渤海油田等引進的Skantck系統(tǒng)，挪威與德國合資的sysscan系統(tǒng)、美國的AnatechMetag系統(tǒng)、加拿大的Datapash系統(tǒng)等，主要應用了模板匹配、約束網(wǎng)絡、條件判別屬性關(guān)聯(lián)圖和規(guī)則等方法。由于工程圖不是簡單線條的組合，而是包含結(jié)構(gòu)與功能的意義，因此，如果識別系統(tǒng)在識別線條的基礎上具有對圖紙一定的理解功能，才有可能真正實現(xiàn)工程圖的重建。松下公司研制的機械圖自動識別裝置可以對圖面線條與尺寸標注進行一定的校驗；德國柏林工業(yè)大學研制的CASUS系統(tǒng)可以識別手繪的機械設計草圖；美國Andre公司與卡內(nèi)基一梅隆大學合作研制的Audre智能圖像系統(tǒng)不僅保留了點陣形的光柵圖像存貯管理及手工編輯功能，一方面用硬件實現(xiàn)模式識另O、模式匹配、以及矢量轉(zhuǎn)換功能。但這幾種方法計算量大、對線條幾何形狀要求高，不適用于基于規(guī)則的建筑工程圖識別方法。
[0005]國內(nèi)如清華大學、中國科技大學、東北大學等也都相繼推出了工程圖紙的掃描識別系統(tǒng)。但目前規(guī)劃圖紙的智能識別還不能適應當前的需要，建筑圖紙的識別更是有遙遠的路要走。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決技術(shù)問題是:克服上述技術(shù)的缺點，提出一種簡便可行、快捷準確地將紙質(zhì)圖紙轉(zhuǎn)化為三維空間矢量的建模方法，該方法可以形成具有三維形態(tài)的可視化模型，成為城鄉(xiāng)管理者可管控、城鄉(xiāng)規(guī)劃師可利用、普通市民可認知的城市空間形態(tài)數(shù)據(jù)。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是:一種基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，包括以下步驟:
1)使用掃描設備將所述城市的規(guī)劃圖紙錄入計算機，并進行二值化處理，得到城市數(shù)字圖像；
2)使用OCR軟件識別并分離出所述城市數(shù)字圖像中的空間要素圖像和矢量文字，然后把分離出的空間要素圖像轉(zhuǎn)換成矢量圖形；
3)從所述矢量圖形導入CAD軟件中得到矢量文件，通過人工提取出空間要素，并對提取出的空間要素根據(jù)種類進行分類，將每一類空間要素分別存儲到不同的圖層中；所述空間要素包括街區(qū)、建筑和自然地物共三類；
4)在所述矢量文件中新建文字圖層，將步驟2)中得到的矢量文字存儲到所述文字圖層中；
5)將所述矢量文件導入到GIS軟件中轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)庫，然后將三維數(shù)據(jù)庫導入到VR虛擬軟件，形成虛擬現(xiàn)實環(huán)境，從而完成城市三維空間的矢量建模。
[0008]本發(fā)明針對紙質(zhì)圖紙和掃描識別系統(tǒng)，利用機械設計、計算機圖形學、圖像處理及人工智能等領域方面技術(shù)，將研究方向同時轉(zhuǎn)向?qū)F(xiàn)存的大量紙質(zhì)工程圖紙，利用掃描儀等輸入設備，將紙質(zhì)工程圖紙信息輸入到計算機中，轉(zhuǎn)化成CAD軟件可以識別的文件，將原有的資源發(fā)揮到最大的作用。
[0009]本發(fā)明帶來的有益效果是:1)利用效率提高:與以往紙質(zhì)圖紙難以利用相比，紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型數(shù)據(jù)極大的提高了城市規(guī)劃紙質(zhì)圖紙的利用效率。2)時間成本縮短:與以往人工描繪紙質(zhì)圖紙進行規(guī)劃管理相比，降低了二三線城市及中西部地區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃部門規(guī)劃工作開展的時間成本。3)可操作性增加:部分城鎮(zhèn)的紙質(zhì)圖紙包含大量建筑及街區(qū)信息，如果需要人工錄入，則需要耗費大量的人力財力物力，而通過紙質(zhì)規(guī)劃圖紙識別并轉(zhuǎn)譯為可視化的三維模型，不僅便于規(guī)劃管理和市民認知，也節(jié)約了財力人力物力，提高了工作效率。4)精確性增強:與以往的人工錄入計算機相比，本發(fā)明采用完全理性的調(diào)查標準、統(tǒng)計精度和計算方法，其操作過程和技術(shù)成果具有明顯的客觀性、可計量性、精確性。幫助城市規(guī)劃部門在城市建設工程實踐中進行精確可視化的城市管理建設，高效合理的利用寶貴的城市建設資源。
[0010]本發(fā)明步驟2)中可以利用光柵圖像轉(zhuǎn)化軟件將分離出的空間要素圖像轉(zhuǎn)換成矢量圖形。所述光柵圖像轉(zhuǎn)化軟件優(yōu)選為R2V32或WinTopo。
[0011]對于工程圖紙來講，用紙質(zhì)底圖掃描輸入效果較好，通常一般掃描后可直接形成二值圖像。但對于曬圖機曬出的藍圖，圖紙的畸變、污點等引起的噪聲較為嚴重，特別是經(jīng)現(xiàn)場使用后還會有其它污損，掃描的圖像必須進行消藍去污等去噪處理。因此，上述技術(shù)方案的改進是:對步驟I)中掃描設備掃描城市的規(guī)劃圖紙得到的圖像，通過動態(tài)自適應閾值法進行二值化處理，這樣可以達到消藍去污的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0013]圖1為本發(fā)明實施例的流程示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明實施例中圖文分類的示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明實施例在ArcGIS軟件中打開建筑圖層的示意圖。
[0016]圖4為圖3中l(wèi)ayer Properties對話框不意圖。
[0017]圖5為本發(fā)明實施例在GIS軟件中三維模型可視化顯示的示意圖。
[0018]圖6為本發(fā)明實施例在VR虛擬軟件中以人眼或鳥瞰角度導出的圖片示意圖。

【具體實施方式】
實施例
[0019]本實施例的基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，如圖1所示，包括以下步驟:
I)使用掃描設備將所述城市的規(guī)劃圖紙錄入計算機，并進行二值化處理，得到城市數(shù)字圖像；
1.1)掃描設備選擇:由于城市的規(guī)劃圖紙往往尺寸較大，因此在儀器選擇上，應選擇大幅面的AO掃描儀(如沒有大幅面掃描儀,可將紙質(zhì)圖紙折疊掃描,最后在Adobe Photoshop軟件中拼接)來輸入城市的規(guī)劃圖紙。大幅面掃描儀是一種以密接式圖像感應系統(tǒng)為傳感器的圖文掃描輸入裝置，它通過多個圖像感應系統(tǒng)將一幅城市的規(guī)劃圖紙像照片一樣拍下來，通過自行轉(zhuǎn)換成為點陣在輸入到計算機中。
[0020]1.2)使用掃描設備預輸入規(guī)劃紙質(zhì)圖紙:將欲掃描的紙質(zhì)圖紙一側(cè)正面朝下壓在掃描儀的掃描入口上，然后啟動掃描儀驅(qū)動程序后，安裝在掃描儀內(nèi)部的光源開始掃描紙質(zhì)圖紙。為了均勻照亮圖紙，掃描儀光源為長條形，掃描入口緩緩將圖紙吞入掃描；掃描內(nèi)容通過轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號以及數(shù)字電子信號后，反映原稿圖像的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能夠接受的二進制數(shù)字電子信號，最后通過串行或者并行等接口送至計算機，得到城市數(shù)字圖像。
[0021]1.3)使用動態(tài)自適應閾值法預處理規(guī)劃紙質(zhì)圖紙:
對于工程圖紙來講，用紙質(zhì)底圖掃描輸入效果較好，通常一般掃描后可直接形成二值圖像。但對于曬圖機曬出的藍圖，圖紙的畸變、污點等引起的噪聲較為嚴重，特別是經(jīng)現(xiàn)場使用后還會有其它污損，掃描圖像必須進行消藍去污等去噪處理。一般采用動態(tài)自適應閾值法，在分離目標和背景的同時達到消藍去污的目的。動態(tài)自適應閾值法是基于影像DN值的直方圖統(tǒng)計特征，是一種比較簡便快捷的辨識和分析目標或前景(其他部分稱為背景)的方法。若直方圖滿足雙峰分布，在直方圖最大波峰之后選取有效的最小波谷對應的DN值作為閾值，把小于等于閾值的部分判定為一項內(nèi)容，大于閾值的部分判定為另一項內(nèi)容，從而得到二值化圖。本實施例中采用的動態(tài)自適應閾值法可參見《微型電腦應用》(2004年第20卷第I期)公開的《地質(zhì)圖件的多閾值動態(tài)自適應二值化法及改進的二值圖像細化算法》。
[0022]2)如圖2所示，使用OCR軟件識別并分離出所述城市數(shù)字圖像中的空間要素圖像和矢量文字，然后把分離出的空間要素圖像轉(zhuǎn)換成矢量圖形。
[0023]規(guī)劃圖紙的空間要素是由街區(qū)、建筑和自然地物構(gòu)成，而建筑等空間要素數(shù)據(jù)由包含平面、高度等多維數(shù)據(jù)構(gòu)成。
[0024]2.1)圖文分離。規(guī)劃圖紙通常由圖形和字符(文字、符號等)兩部分組成，掃描圖像的處理方式是字符識別和圖形矢量化分別進行，所以從城市數(shù)字圖像中分離出字符是一項重要的步驟，圖文分離由OCR軟件進行，分離出空間要素圖像和矢量文字。本實施例中OCR軟件可以使用漢王、尚書七號或者IBM的OCR軟件等。
[0025]2.2)空間要素的提取。通過光柵圖像轉(zhuǎn)化軟件如R2V32或WinTopo等將空間要素圖像中的單線和多條線轉(zhuǎn)換成相應的矢量圖形。
[0026]3)從所述矢量圖形導入CAD軟件中得到矢量文件，通過人工提取出空間要素，并對提取出的空間要素根據(jù)種類進行分類，將每一類空間要素分別存儲到不同的圖層中；所述空間要素包括街區(qū)、建筑和自然地物共三類。
[0027]規(guī)劃圖紙的主要空間要素是由街區(qū)、建筑、自然地物構(gòu)成，在對空間要素提取之后，將矢量圖形導入CAD軟件，在CAD軟件中利用圖層(layer)對街區(qū)，建筑，自然地物三類進行人工分層分離。
[0028]本實施例對矢量圖形在AutoCAD軟件中進行處理，運用pe命令將建筑層及街區(qū)層的所有線條轉(zhuǎn)化為Pl線并進行連接，保證每個建筑和街區(qū)的矢量線框都閉合。
[0029]4)在所述矢量文件中新建文字圖層，將步驟2)中得到的矢量文字存儲到所述文字圖層中。
[0030]這樣，通過步驟3)和步驟4)提取其相關(guān)的信息，存儲到數(shù)據(jù)庫中可以為以后的工程量計算和工程估價提供依據(jù)，并將提取的信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。
[0031]5)將所述矢量文件導入到GIS軟件中轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)庫，然后將三維數(shù)據(jù)庫導入到VR虛擬軟件，形成虛擬現(xiàn)實環(huán)境，從而完成城市三維空間的矢量建模。
[0032]將矢量文件用AutoCAD軟件打開，只打開建筑圖層，關(guān)閉其他圖層，選擇所有對象，運用wblock命令另存為文件名為jianzhu的dwg文件,運用以上命令另存jiequ以及wenzi兩個dwg文件。
[0033]如圖3所示,在ArcGIS軟件的ArcScene中點擊添加數(shù)據(jù)工具,打開jianzhu文件。
[0034]在ArcScene中點擊添加數(shù)據(jù)工具,打開jiequ文件。
[0035]在ArcScene中點擊添加數(shù)據(jù)工具,打開wenzi文件。
[0036]使用Spatial join命令,將wenzi文件中高度信息傳遞至jianzhu文件,并在其中新建屬性欄“高度”。
[0037]在jianzhu圖層右鍵，點擊“圖層屬性”命令，如圖4所示，打開圖層屬性面板(Layer Properties)選擇“拉伸”選項卡,選擇按照“高度”字段拉伸。
[0038]如圖5所示點擊確定可以看到快速建立的盒狀三維模型。也可以在圖層屬性面板(Layer Properties)中“Symbol”選項卡中給模型選擇顏色紋理,這里選擇按照顏色類型顯
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[0039]然后將三維數(shù)據(jù)庫導入VR虛擬軟件，形成虛擬現(xiàn)實環(huán)境，以更好的模擬城市三維環(huán)境。如圖6所示，以人眼或鳥瞰角度導出圖片，作為規(guī)劃參考或公示的資料，便于規(guī)劃成果的審查與市民了解。本實施例中將三維數(shù)據(jù)庫導入VR虛擬軟件，形成虛擬現(xiàn)實環(huán)境為現(xiàn)有技術(shù)，可以參考《湖南城市學院學學報(自然科學版)》(第21卷第4期，2012年12月)第69-73頁公開的《虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)劃中的應用》，以及《測繪通報》(2010年第5期)第45-47頁公開的《虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城市規(guī)劃管理中的應用研究與實踐》。
[0040]本發(fā)明不局限于上述實施例所述的具體技術(shù)方案，凡采用等同替換形成的技術(shù)方案均為本發(fā)明要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)使用掃描設備將所述城市的規(guī)劃圖紙錄入計算機，并進行二值化處理，得到城市數(shù)字圖像； 2)使用OCR軟件識別并分離出所述城市數(shù)字圖像中的空間要素圖像和矢量文字，然后把分離出的空間要素圖像轉(zhuǎn)換成矢量圖形； 3)從所述矢量圖形導入CAD軟件中得到矢量文件，通過人工提取出空間要素，并對提取出的空間要素根據(jù)種類進行分類，將每一類空間要素分別存儲到不同的圖層中；所述空間要素包括街區(qū)、建筑和自然地物共三類； 4)在所述矢量文件中新建文字圖層，將步驟2)中得到的矢量文字存儲到所述文字圖層中； 5)將所述矢量文件導入到GIS軟件中轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)庫，然后將三維數(shù)據(jù)庫導入到VR虛擬軟件，形成虛擬現(xiàn)實環(huán)境，從而完成城市三維空間的矢量建模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，其特征在于:步驟2)中利用光柵圖像轉(zhuǎn)化軟件將分離出的空間要素圖像轉(zhuǎn)換成矢量圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，其特征在于:對步驟I)中掃描設備掃描城市的規(guī)劃圖紙得到的圖像，通過動態(tài)自適應閾值法進行二值化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，其特征在于:所述光柵圖像轉(zhuǎn)化軟件為R2V32或WinTopo。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于紙質(zhì)平面數(shù)據(jù)的城市三維空間矢量建模方法，其特征在于:步驟3)中將提取的建筑和街區(qū)的矢量線條進行人工連接，使每個建筑和街區(qū)的矢量線框都閉合。
【文檔編號】G06T17/05GK104077447SQ201410310251
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】楊俊宴, 胡昕宇, 史宜 申請人:東南大學