基于虚拟驾驶的线形要素矢量化作业方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟驾驶的线形要素矢量化作业方法，属于影像信息提取技术。本方法为：1)将要矢量化的影像作为漫游对象，生成二维或三维场景；创建一虚拟漫游车，在影像上设置虚拟漫游车及其巡航路线；2)封装一自动追踪模块，使其纳入到漫游作业软件中；将作业系统与封装后的自动追踪模块进行交互；3)虚拟漫游车沿巡航路线巡航，验证巡航路线；当巡航路径缺失、或已经位于巡航路径的末端、或在自动巡航过程中出现手动方向调整消息时，将虚拟漫游车切换为手动驾驶状态，实现生成或编辑巡航路线；4)分别统计虚拟漫游车在自动巡航和手动驾驶状态下的轨迹长度，验证所述巡航路线的准确性。本发明方法提高了作业效率、适应能力强。

说明书

技术领域

本发明属于影像信息提取技术，涉及一种基于虚拟驾驶的线形要素矢量化作业方法。该 发明可应用于基于遥感影像或珊格地图的道路、水系、等高线等线形要素的矢量化。

背景技术

遥感技术包括遥感数据获取技术和信息提取技术。当前遥感技术的飞速发展为遥感影像 的广泛应用提供了丰富的数据源，影像信息提取技术却远远落后于遥感数据获取技术。信息 提取方式按照自动化程度可区分为：人工目视判读、计算机辅助和自动提取等三种类型。其 中人工目视判读是最可靠的方法，但是工作量大，越来越不适应遥感应用的发展；计算机辅 助方法，也称为半自动方法，利用人的识别能力和计算机的快速计算和扩展能力来提高作业 效率，因为需要验证和编辑，而且操作复杂，效率依然不能满足需求；因而自动化的方法是 当前该领域研究的重点，但技术尚未成熟，提取的结果精度、准确性、完备性等均无法达到 应用需求。

因为自动识别与解译很难在短期内能实现技术上的突破，所以不论是采用哪种方法，均 需要对道路进行人工验证与编辑操作，该操作要么在矢量化过程中进行，要么在进行自动提 取后进行，该操作是矢量化过程中耗费人力和时间最多的环节，其效率成为当前矢量化方法 中的最大问题，成为地理信息系统空间数据分析的一个效率瓶颈。

计算机自动提取生成的线形要素会出现识别错误、漏检、局部偏离、整体偏离、过长、 过短、不连续、不同对象连接等问题，因而人工验证作业需要的工具集必需包括：删除工具 (删除识别错误的要素)、手工矢量化工具(添加漏检的要素)、结点编辑工具(对局部偏离 进行移动编辑)、平移工具、打断工具(切除多余的或不属于同一对象的要素)、延伸工具(使 要素完整)、连接工具(将属于同一对象的要素连接)。而且为了观察的需要经常需要对视图 进行缩放与平移操作。因而一个完整的验证编辑环境至少有9种工具，实际上商业软件 ARCGIS中提供了30多种相关工具。工具的频繁切换是效率低的重要原因。

对线形要素的几何描述是节点序列，为了精确定位各个节点，操作员要么对自动提取不 准确的节点逐个编辑，要么需要逐个精确定位节点，这是矢量化人员眼睛容易疲劳受损的重 要原因。

发明内容

为了提高影像线形要素矢量化与验证的作业效率，针对该作业中普遍存在的需要频繁更 换工具、反复精确标点这一影响效率的最大问题，本发明的目的在于提出了一种基于虚拟驾 驶的线形要素矢量化作业方法，仅通过操纵杆的漫游控制功能实现全部的线形要素的生成、 验证与编辑操作，无需工具切换，有效提高了工作效率，同时降低了操作员的工作负荷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

1.通过将要矢量化的影像作为漫游对象，生成二维或三维场景，在影像上设置虚拟漫游 车及其巡航路线(即待验证线形对象)，并将虚拟车的运行、显示视图渲染与虚拟车 控制设备通过消息机制关联，形成完整的作业系统。该系统主要包括：操作员、计算 机、漫游显示设备、虚拟车驾驶设备、场景渲染软件及漫游作业软件；

2.通过消息机制建立系统交互接口，方便系统内部及其与外部封装后的自动追踪模块间 的交互。

3.通过建立虚拟车速度与视图范围、观察角度的关联，实现漫游场景的自适应调整。当 速度小时，说明线性要素比较复杂，需要缩小观察范围(即放大)，观察角度也需要 增大；反之，说明线性要素比较平直，可以扩大视图范围(即缩小)，缩小观察角度 以利于观察更远处的影像；

4.建立基于消息的自动状态切换机制，协调自动巡航与操作员利用虚拟驾驶设备对虚拟 车的干预，实现虚拟车在影像空间快速地沿正确路径行驶。借助自动状态切换，操作 员仅仅使用三个控制行为完成所有操作，即状态(起飞-着陆)控制、速度控制、方 向控制。

5.借助虚拟车的状态和行驶轨迹实现对线形要素的生成、验证与编辑操作。虚拟车的行 驶状态和轨迹记录了操作员认为应该执行的各种操作。

6.通过如下措施辅助提高作业效率：

a)通过自动路径感知完成虚拟车位置的初始化；

b)通过接入自动追踪完成实时巡航路径生成；

c)通过自动巡航实现对正确线形要素段的快速验证；

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

基于本发明的线形要素矢量化，通过改变作业方式，减少了人机交互接口，降低了动作 频率，实现了线形要素验证与编辑操作的简化，提高了作业效率；另一方面，因为不要求操 作员掌握各种验证编辑工具，只要会识别和虚拟驾驶就能完成作业任务，更符合人性化的自 然作业方式，降低了操作员的工作负荷；而且本发明方法适应能力强，可以应用于所有类型 线形要素的编辑，包括已经提取和尚未提取的，高等级和低等级的。

附图说明

图1.系统结构与作业流程图；

图2.舱外驾驶视图模式；

图3.速度控制视图原理图，其中O是虚拟车当前所在的位置；OC是与竖直线OF夹角 为α的直线，α与速度正相关；OC与椭圆曲线BO的交点确定观察点A的位置；θ为视轴与 观察点到虚拟车连线的夹角，该夹角决定虚拟车在显示设备上的纵向位置；

图4.自动状态切换；

图5.线要素生成；

(a).原始线形；(b)平滑后的线形；(c)简化后的线形。

图6.自动路径感知；

(a)在虚拟车周围一定范围内寻找可用路径；(b)虚拟车附着在路径上。

图7.自动追踪；

(a)遥感影像；(b)以虚拟车的位置为起点自动追踪形成的路径。

图8.自动巡航。

具体实施方式

本方明是操作员通过一种虚拟漫游的方式来实现线形影像要素的矢量化与验证作业，如 图1所示。其中，计算机上完成设备的连接和漫游作业软件的功能实现；漫游显示设备显示 要矢量化的影像及路径、虚拟车状态等附加数据、参考巡航路径、虚拟车及状态等内容，可 以是普通显示器、投影仪等设备；虚拟车驾驶设备是操作员干预虚拟车行驶的手段，游戏杆 是首选；操作员通过漫游显示设备观察虚拟车的影像空间状态，并通过虚拟车驾驶设备来保 证虚拟车沿影像上正确路径前进。

本发明所使用的软件除操作系统、硬件驱动外还需要渲染工具和漫游作业软件。

渲染工具将影像及路径、虚拟车状态等附加数据、参考巡航路径、虚拟车及状态等内容 渲染形成可视化图像，实现本发明方法所依赖的可视化人机交互界面。该工具需要支持矢量、 图像与三维地形数据加载、匹配与显示，支持动态点目标的显示，支持层次数据的显示与关 闭、上下调整、显示效果调整，支持的漫游控制接口(视点移动、视线移动、视角缩放)。常 用的GIS、RS商业软件均可以完成该功能。

漫游作业软件是建立在常规基于相机观察原理的视图漫游工具之上，利用漫游工具提供 的观察相机状态控制机制实现漫游，在漫游中记录漫游状态和路径，进而实现线形要素生成、 验证与编辑，同时提供路径感知、自动巡航、自动追踪、自动状态切换以及观察视图控制等 模块实现各种辅助功能。

其中视图控制模块主要利用车外驾驶控制漫游技术如图2所示，达到面向作业任务的优 化，避免了频繁的视图缩放、平移操作。该功能通过视图与速度的关联来实现，视图控制模 块以用户控制的速度作为输入，调整观察角度和观察距离。当情况比较复杂时，操作员会放 慢速度，视图控制模块将缩短观察距离，同时增大观察角度，以减小视野，更利于提高精度； 当速度提高时，视图模块将增大观察距离和减小观察角度，以扩大视野，便于观察远方情况。 该功能可以通过观察点在椭圆曲线(图中经过BAO的曲线)上随速度变化来实现，如图3 所示。这种变化可以通过角度α来描述，这时可以通过α＝atan(k·V)来建立其间的关系， 其中k为调整参数。

自动状态切换模块，如图4所示，协调自动巡航与操作员利用虚拟驾驶设备对虚拟车的 干预，达到减少控制操作的目的。其具体设计是：当前具有参考巡航路径(即待验证线性对 象)且正行驶在该路径上，且操作员没有方向动作或方向动作很微弱时，进入自动巡航，操 作员不再控制方向，仅控制速度，记录轨迹；当参考路径失效、没有参考路径或操作员进行 方向干预超过一定阈值时，进入手动驾驶状态。结合路径状态(有-无)、驾驶方式(自动-手 动)、轨迹类型(飞行态-着陆态)共分为5个状态。着陆后的状态均为无路径驾驶态。具体 地说，系统从飞行状态开始，由操作员发现选择降落点，一旦着陆就表示行驶轨迹将成为有 效的线形要素，并进入无巡航路径的手动驾驶状态，此时通过操作员控制速度和方向，同时 激活路径感知(如果没有现成路径还要激活自动追踪)去发现可巡航路径，当有可巡航路径 出现时，就进入有巡航路径的手动驾驶状态；当处于有巡航路径手动驾驶状态、沿巡航路径 驾驶状态和自动巡航状态，并到达路径的末端时，就又回到无巡航路径手动驾驶状态。有巡 航路径手动驾驶状态是处于对当前巡航路径的修改编辑状态。地面行驶的各个状态都可以起 飞后进入飞行状态，此时的起飞标识一个线形要素验证的完成，停止记录轨迹。沿巡航路径 手动驾驶状态是过渡状态，一旦具备自动驾驶条件就进入自动巡航状态。在自动巡航状态时， 出现操作员的方向性干预，就自动进入手动驾驶状态。

传统的线形创建是通过逐点标定实现，编辑是通过修改节点实现，执行线形要素连接实 现两条线形要素的合并，执行打断实现一条线形要素的分解，执行删除排除冗余的要素。这 些功能在本发明的方法中全部蕴含到虚拟驾驶过程中。即当认为巡航路径与影像要素符合时， 操作员不予干预，快速通过，实现正确性验证；当巡航路径出现不符合影像时，操作员进行 干预，并按照符合影像的正确的路径前进，到达与影像符合段时，操作员又停止干预，自动 巡航，以此实现编辑现有巡航路径的目的；当影像存在线形要素而没有巡航路径时，操作员 直接控制虚拟车辆行驶，生成线形要素，达到新建要素的目的。当需要将两个线形段连接时， 无需进行任何操作，轨迹自然连续。当完成一条线形要素时，操作员控制进入飞行状态，自 动停止轨迹记录，并提交已完成线形要素；当一个一个地区的验证任务结束时，所有未验证 和编辑要素将自动删除。

线形要素生成模块根据虚拟车的状态记录下有效轨迹，并对轨迹进行形态优化、简化， 如图5所示，提交验证合格的线形要素。

通过路径感知，虚拟车感知到其位于可导航路径上时，其巡航路径将自动关联到该路径 上，虚拟车将自动跟踪巡航路径前进。其中路径感知通过设置可巡航数据集和感知范围来实 现，通过在可巡航数据集上建立K-D树来提高搜索的效率，当虚拟漫游车当前位置邻域内存 在可巡航导航路径时，按照最近垂直上路原则定位到该巡航路径上，如图6所示。

自动巡航沿巡航路径前进，由操作员控制的行驶速度，在该过程实现操作员对该线形要 素的检查。

自动追踪属于辅助性功能，常用于半自动化道路提取，常用的方法包括：模板匹配、动 态轮廓、粒子滤波、双边缘检测等，利用当前虚拟车的方向和位置信息进行路径追踪。

实施过程中需要研发的软件实现设计如下：

1.封装自动追踪模块

自动追踪模块作为本发明方法的辅助，用于提高作业效率，常用的追踪方法皆可使用， 但必须对其进行封装，使其纳入到漫游作业软件中。因而封装后的追踪模块必需支持消息响 应：MSG_TracingPathError(起点，方向，数据源)，执行路径追踪；生成路径后，产生 MSG_NewTracingPath(path)消息；

3.创建虚拟车辆模块，属性包括：

●当前位置

●当前速度；

●当前方向；

●当前轨迹；

●当前跟踪路径；

●当前状态：飞行、自动巡航、手动驾驶。不论什么状态，速度由手动控制。

表1，各状态时记录的信息

  方向   速度   轨迹   飞行   √   √   自动巡航   √   √   手动驾驶   √   √   √

相关的方法如下：

●消息产生：巡航路径缺失或已经位于巡航路径的末端(MSG_TracingPathError)。

●消息响应：出现MSG_TracingPathError时，自动切换为手动驾驶状态。

●消息产生：自动巡航时，出现手动方向调整消息(MSG_OperatorTracing)。

●消息响应：出现MSG_OperatorTracing时，自动进入手动驾驶状态。

●消息产生：手动驾驶状态轨迹与当前跟踪轨迹的重叠距离大于一定阈值，并且无方向 校正(MSG_CanAutoTracing)。

●消息响应：出现MSG_CanAutoTracing时，自动进入自动巡航状态。

●消息产生：自动追踪模块生成新路径或由路径感知模块发现新路径后产生 MSG_NewTracingPath消息。

●消息响应：响应MSG_NewTracingPath，将该新的路径附加到当前路径后面。

●消息产生：进入飞行状态前，生成MSG_PathCompleted消息；

●消息响应：响应MSG_PathCompleted消息，完成本段线形要素的编辑与验证并记录 路径数据。

●统计：分别统计自动追踪与手动驾驶状态下的轨迹长度，方便作业员对先期自动生成 要素的评价，也方便对作业员的作业量进行统计；

●速度调整消息响应，调整速度；

●方向调整消息响应，调整方向；

4.创建虚拟控制模块

虚拟控制模块接受操作员的控制输入，生成内部控制消息，控制虚拟驾驶过程，主要可 操作量有：速度、方向、状态。并以此实现状态切换；并通过速度调整观察点位置和观察方 向，实现视图控制；

5.创建管理模块包括如下方法：

●装载图层数据；

●初始化虚拟车辆状态；

●设置跟踪数据源；

●响应MSG_PathCompleted消息，保存轨迹。