虚拟地景中地物与地形融合质量评估

摘 要：为解决虚拟地景中地物与地形融合质量差，融合结果与实际相比，方差与中误差较大的问题，本文对虚拟地景中地物与地形融合与质量评估进行了研究。采用独立于地形的地物与地形融合、依赖地形的地物与地形融合、地物模型与地形模型融合算法计算，实现虚拟地景中地物与地形融合，并对融合后的结果质量进行评估，采用新的融合方式可以有效提高质量，缩小融合方差与中误差，提高融合精度。

关键词：虚拟地景；地形融合；质量评估

中图分类号：P 217" 文献标志码：A

随着计算机科学技术的不断进步，人们对创建和展示虚拟地形提出了更高的要求，不仅要求地形模型有真实感，还要求地形模型能够与周围环境融合。

在虚拟地景中，地形和地物都是重要的组成部分。地形是基础，它提供了场景的基本形态和结构，而地物是添加的元素，它们可以增加场景的复杂性和真实感[1]。在传统的虚拟地形建模中，通常分开处理地形和地物，导致模型之间的不协调和断裂感。因此，将地形和地物进行有效融合，使其在视觉上更真实和自然，成为了虚拟地形建模中的重要问题。研究虚拟地景中地物与地形的融合方法，不仅可以提高虚拟环境的真实感和逼真度，还可以为虚拟环境的创建和应用提供更好的工具[2]。综上所述，该问题可以归结为计算机图形学的发展和对虚拟环境真实感和逼真度的追求。因此，本文将对其进行设计与研究。

1 虚拟地景中地物与地形融合

1.1 独立的地物与地形融合

对独立于地形的地物来说，应该采用地景相适应的思想，只需要在空间上对齐即可。本文提出了一种基于独立树的地形适应性方法，并根据该方法计算了一棵独立树的高程[3]。将此点与网格角点相结合，对其进行三角化处理，形成一个三角网。如图1所示。

由于大比例尺中独立的建筑是三维实体，因此当建筑物跨越多个或构建多个地形模型平面时，会产生建筑物与地面的“空洞”，从而导致模型变形，不能保证虚拟场景的准确性。因此，本文提出了一种基于地形特征的单体房屋三维建模方法，并考虑了该方法的有效性。

1.2 依赖于地形的地物与地形融合

对依赖于地形的地物与地形融合进行设计，当对此类地物覆盖的地区进行地貌建模时，必须充分考虑地物对地貌的改造效应[4]。地块、大型植被和湖泊等典型的面状分布地物，其所占面积大，可以改变地形，使地面平坦化。此外，这种类型的特征是在其界线上所有点的高度值都一样[5]。针对街区的地形重构问题，本文提出了一种新的方法：首先将街区中所有建筑高度值设为H，其次对其进行三角形划分。在此基础上，利用DEM在2D平面内的投影，对其进行剖分。最后在DEM网格上生成新的DEM单元，对其进行三角化处理，如图2所示。

为达到在虚拟环境下对地形进行重构的目的，将两条平行的路径沿着其位置轴向左、右形成具一定宽度W的平行直线，从而达到双线化处理的目的。在此基础上，在左、右平行线上相应坐标的数据点，它的高度与这个观测点的海拔相等[6]。公路改建地形的具体方法：首先，将两条公路平行的直线围成一个四边形，对该四边形进行三角剖分，其次，逐格求取平行线的左右侧边线与DEM的交点处，将相交点嵌入DEM中，对与道路四边形无关的离散元，除了连接到道路四边形的单元外，不做任何处理，将未被路面单元分割为新的多边形，对其进行三角划分，再次，对DEM格网中已有的数据进行划分，并对其进行简单的道路划分，就可以得到与地形相结合的三维道路模型。最后，针对不同的三角形曲面，按其自身特性进行相应映射。

1.3 地物模型与地形模型融合算法

考虑地物模型与地形模型融合算法的通用性，得出以下定义。

将裁减多边形的顶点定义为n个，各顶点分别为D1，D2，……，Dn，各边分别为D1D2，D2D3，……，Dn-1Dn，主多边形的顶点定义为m个，各顶点分别为W1，W2，……，Wm，各边分别为W1W2，W2W3，……，Wm-1Wm。

按照上述定义，结合图3的算法思路，得出地物模型与地形模型融合算法的计算步骤。

第一步：计算时，构建一个诸多变形的顶点列表。

第二步：逐个判定被裁剪的多边形中的每个顶点与主多边形的关系，并分别赋上“内”和“外”两种属性，用来创建裁剪后的多边形的顶点链表。

第三步：求解裁减多边形与主多边形的交点，如图3中的I1、I2、I3、……。按照顺时针顺序插入裁减多边形顶点列表中，同样为其赋予“进”或“出”的属性[7]。

第四步：创建一个生成的多边形点的清单，并把这个“进点”保存在一个列表中，这个“进点”是从一个被裁剪的多边形点的列表中开始的。按顺序从被裁剪的多边形点中取下一个点，如果是内点，就把它存储在生成的多边形点列表里，如果是“出点”，就将其储存至该多边形的点链表中。一直到最后，找到这一步“进点”的位置，再用“外点”替换掉这一步中的“进点”[8]。

第五步：判定裁剪后的顶点列表中有无“进点”，如果有，就重复步骤四，没有就继续。

第六步：生成若干多边形的顶点，并指出要裁剪的多边形的数目。

第七步：对每个结构面都进行三角剖分，形成一个完整的三角网格。

2 质量评估

2.1 虚拟环境建模平台

为确保相关工作在实施中可以达到预期效果，为检验融合算法，须建立虚拟环境建模平台。在此过程中，明确虚拟环境的应用场景和需求，例如游戏、模拟飞行、城市规划等，以便确定虚拟环境的功能和特点。根据需求，需要采集和处理相关的数据，包括地形数据、建筑数据、植被数据等，以构建虚拟环境的基础模型。

利用三维建模工具，例如3ds Max、Maya等，构建虚拟环境中的三维模型，包括地形、建筑、植被、交通工具等。同时，利用计算机图形学技术，根据采集的地形和地物数据构建虚拟地形和地物模型。在此过程中，可以采用多种技术手段，例如LOD技术、纹理映射、光照模型等，以提高建模平台的细节和逼真度。在此基础上，为三维模型添加材质和纹理贴图，以增加模型的细节和逼真度。利用光照和阴影模拟工具，模拟太阳、灯光等光源对模型的影响，以创建逼真的光照效果。通过组织和发布虚拟场景，包括场景的层次结构、资源管理、场景导出等，完成虚拟环境建模平台的开发。

当构建虚拟环境建模平台时，需要考虑平台的可扩展性和可维护性，以便满足不断变化的应用需求。同时还需要考虑平台的安全性和稳定性，以保证虚拟环境的稳定运行。过程如图4所示。

2.2 融合质量测试

完成上述相关内容的研究后，对地物与地形融合质量进行测试，考虑测试中试验样本数据的数量有限，为保证测试结果的可靠性与准确性，按照公式（1），对地物与地形融合后的空间阈值进行设定。

（1）

式中：S为地物与地形融合后的空间阈值；K为地形坡度融合常量参数；H为空间中的等高线间距；P为坡度变量；C为网格尺寸。

首先，当对融合后的几何精度进行评估时，必须慎之又慎，选择合适的评估方法至关重要。除了评估方法的选择，制定明确的评估标准和指标也是不可或缺的。这些标准和指标就像是评估过程中的指南针，指明了方向，能够清楚地知道融合效果是否达到了预期目标。通过对比实际数据与融合数据之间的差异，可以得出融合效果的优劣，为后续的决策提供参考。

其次，还需要注意测试样本的选取。这些样本应该具有代表性，能够充分反映地物与地形的特征。只有选取了合适的测试样本，才能确保评估结果的准确性和可靠性。否则，即使评估方法再科学、评估标准再明确，如果样本选择不当，那么得出的评估结果也将失去意义。

最后，在完成测试中相关条件的设定后，将对融合后样本均方根误差（标准偏差）进行计算。均方根误差能够直观地反映出融合数据与真实数据之间的偏差程度，因此通过计算均方根误差，可以对融合质量进行定量评价，从而为后续的改进工作提供依据。

在评估过程中，还需要收集实际的地物与地形数据，以便与虚拟环境中的模型进行比较。这种比较能够更直观地了解融合数据与实际数据之间的差异，从而更加准确地评估融合效果。在一定的测量条件下，计算数据期望值，将计算结果作为融合后平均误差，为后续提供一个全面的视角，以便更好地了解融合数据的质量。

具体的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：E（|∆|）为融合后平均误差；f（∆）为中误差函数。通过这个公式，可以计算出融合后的平均误差，从而对融合效果进行量化评估。这个计算过程虽然复杂，但却是评估融合效果不可或缺的一步。根据计算结果，计算融合后的样本均方根误差（标准偏差）。如公式（3）所示。

（3）

式中：RMSE为融合后的样本均方根误差（标准偏差）；Li为空间位置关系准确度为i的样本数据离散程度；u为真值；n为误差数量。完成上述内容的研究后，根据具体情况，统计与分析不同网格空间尺度下融合后的样本高程值均方根误差，见表1。

从表1可以看出，在网格空间尺度相同的条件下，高山地区高程值均方根误差gt;中山地区高程值均方根误差gt;丘陵地区高程值均方根误差，在地形与地物一致的条件下，随着网格空间尺度的增加，融合后样本高程值均方根误差也呈现增加趋势。

根据表中数据可知，当网格空间尺度达到一定数值时，融合后的误差极大，已经影响了地物与地形的融合精度，因此，在融合过程中，应尽量控制网格空间尺度，同时，对提出的融合方案进行深层次优化，以这种方式，缩小融合后的误差。

3 结语

在虚拟地景中，地物与地形的融合是实现真实感和逼真度的关键。通过研究地物与地形的融合方法，可以更好地模拟现实世界的地形和地物特征，提高虚拟环境的真实感和逼真度。这对虚拟现实、游戏开发、城市规划、自然灾害模拟等领域都具有重要的意义。

在未来的研究中，可以进一步探索地物与地形的融合方法，例如通过引入更多的物理模型和算法来提高模型的细节和精度，或者通过结合深度学习和计算机视觉技术来实现自动融合。此外，还可以将地物与地形的融合方法应用于其他领域，例如医学影像分析、仿真训练等。

研究虚拟地景中地物与地形融合方法具有重要的理论和实践意义，它可以为创建和应用虚拟环境提供更好的支持，为未来的数字地球和智慧城市等大型虚拟环境提供更真实的体验。

参考文献

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