一种人口分布数据与三维模型场景融合的方法

技术领域

本发明涉及一种方法，具体为一种人口分布数据与三维模型场景融合的方法，属于人口分布数据分析技术领域。

背景技术

随着数字孪生技术发展以及硬件性能的提升，数字孪生应用也越来越广泛，在申请号为CN202110482704.7的中国发明专利中提出一种确定人口分布热力数据的方法、装置和存储介质，使用高分辨率的地域属性数据，确定高分辨率的人口权重数据，进而基于高分辨率的人口权重数据，对低分辨率的人口分布热力数据进行处理，得到高分辨率的人口分布热力数据，从而，可以提高人口分布热力数据的精度。

在申请号为CN201210020492.1的中国发明专利中提出一种基于手机定位数据的动态人口分布密度检测方法，充分依托现有的移动通信网络资源，以海量的手机信号数据为输入，采用基于出行轨迹持续追踪和区域内逗留时长的判别机制，实现对动态人口分布密度的检测。该发明可用于高频度、自动化地检测动态人口分布密度信息。

然而，目前上述对比文件，包括传统的人口数据分布，还是基于二维呈现方式，无法满足用户在数字孪生应用场景的需求，存在扁平化，不直观的问题。将人口分布数据结合到三维场景，可以更直观且多视角的辅助城市规划和交通管理领域决策，目前基于人口分布数据的三维场景融合大多是以平面的形式，不便于数据能快速的直观呈现，三维建筑和人口分布数据的融合，也可以通过人工建模贴图来实现，但是这种方式存在效率低，更新维护困难的问题。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种人口分布数据与三维模型场景融合的方法，通过程序将人口分布数据与三维场景融合的方法，通过接入真实的地理基础要素数据搭建三维城市场景底座，结合手机信令数据渲染人口热力图，最终通过着色器渲染到三维建筑上，相对现有技术，本发明将人口数据和楼房建筑数据融合，为城市规划和交通管理提供更直观的决策依据。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种人口分布数据与三维模型场景融合的方法，包括以下步骤：

S1：搭建三维城市底座：接入真实坐标数据，将WGS84坐标系的矢量地理要素文件在建模软件中生成模型，包括道路面、水系面、山体、房屋面模型，使手机信令数据和三维场景精准匹配；

S2：数据标准化：将获取的手机信令数据通过QGIS工具处理转换成WGS84坐标系的GeoJSON文件，保持数据的标准化；

S3：数据预处理：取S2中得到的信令点位数据、房屋面的矢量文件通过QGIS的提取图层范围工具，得到各自范围面，若点位数据的图层范围包含房屋面的图层范围，则进入到S4，若不属于包含关系，则补充边界点，以达到补充信令点位后的图层范围包含房屋面的图层范围；

S4：信令数据的热力图渲染：基于heatmap.js的热力图渲染方式，将S3中得到的标准化后信令数据在程序中转换成heatmap.js的基于屏幕坐标的x,y值，该过程需要做以下四步操作：

一，通过s3中得到的信令点位图层范围，将4个顶点记为A、B、C、D，为了便于计算出顶点间的距离，需要先将4个顶点的经纬度数据转换为墨卡托平面投影坐标，反投影转换公式如下：

R＝D/(2*π*r*；360)

R＝转换后的地理弧度；D＝转换前的投影距离；r＝地球平均半径；取常量6371004；

二，通过4个顶点的平面投影坐标，得到信令图层范围的x方向和y方向的距离，公式如下：

W＝B.x-A.x；H＝A.y-C.y

A.x＝顶点A的横坐标x；A.y＝顶点A的纵坐标y；B.x＝顶点B的横坐标x；C.y＝顶点C的纵坐标y；W＝信令图层范围的x方向的位置距离；H＝信令图层范围的y方向的距离

三，将信令数据同样做反投影转换，得到每个点的平面坐标x值、y值，然后做基于屏幕坐标的归一化处理，公式如下：

p.x＝(x/W)＊canvasWidth

p.y＝(1-(y/H)＊canvasHeight

p.x＝信令数据基于屏幕坐标的横坐标x；p.y＝信令数据基于屏幕坐标的横坐标y；canvasWidth＝浏览器视图窗口的宽度(单位为像素)；canvasHeight＝浏览器视图窗口的高度(单位为像素)；

四，遍历信令数据集，每一个点位记做一个权重，通过heatmap.js，最终得到基于地理位置的屏幕热力图渲染。

S5：三维场景建筑热力渲染，在模型读取后，且场景渲染之前获取模型的材质替换为S4中得到的热力图；

S6：信令数据实时渲染，分别使用工作日中午时段及傍晚时段的手机信令数据经过S2到S5的过程，直观的看到三维场景内基于建筑的人口工作分布情况和人口居住情况。

WGS84坐标系：World Geodetic System 1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。

QGIS：是一款非常开源的桌面GIS软件，能够提供数据的显示、编辑和分析功能。

GeoJSON：一种对各种地理数据结构进行编码的格式，基于Javascript对象表示法(JavaScript Object Notation,简称JSON)的地理空间信息数据交换格式。

Heatmap.js:是基于canvas开源的热力图框架，使用该框架可以方便的实现热力图。

墨卡托平面投影坐标：墨卡托投影(Mercator Projection)，又称麦卡托投影、正轴等角圆柱投影，是一种等角的圆柱形地图投影法。

本发明的技术效果和优点：本发明通过程序将人口分布数据与三维场景融合的方法，通过接入真实的地理基础要素数据搭建三维城市场景底座，结合手机信令数据渲染人口热力图，最终通过着色器渲染到三维建筑上，相对现有技术，本发明将人口数据和楼房建筑数据融合，为城市规划和交通管理提供更直观的决策依据。

附图说明

图1为本发明的具体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，一种人口分布数据与三维模型场景融合的方法，包括以下步骤：

S1：搭建三维城市底座：接入真实坐标数据，将WGS84坐标系的矢量地理要素文件在建模软件中生成模型，包括道路面、水系面、山体、房屋面模型，使手机信令数据和三维场景精准匹配。

S2：数据标准化：将获取的手机信令数据通过QGIS工具处理转换成WGS84坐标系的GeoJSON文件，保持数据的标准化。

S3：数据预处理：取S2中得到的信令点位数据、房屋面的矢量文件通过QGIS的提取图层范围工具，得到各自范围面，若点位数据的图层范围包含房屋面的图层范围，则进入到S4，若不属于包含关系，则补充边界点，以达到补充信令点位后的图层范围包含房屋面的图层范围。

S4：信令数据的热力图渲染：基于heatmap.js的热力图渲染方式，将S3中得到的标准化后信令数据在程序中转换成heatmap.js的基于屏幕坐标的x,y值，该过程需要做以下四步操作：

一，通过s3中得到的信令点位图层范围，将4个顶点记为A、B、C、D，为了便于计算出顶点间的距离，需要先将4个顶点的经纬度数据转换为墨卡托平面投影坐标，反投影转换公式如下：

R＝D/(2*π*r*360)

R＝转换后的地理弧度；D＝转换前的投影距离；r＝地球平均半径；取常量6371004。

二，通过4个顶点的平面投影坐标，得到信令图层范围的x方向和y方向的距离，公式如下：

W＝B.x-A.xH＝A.y-C.y

A.x＝顶点A的横坐标x；A.y＝顶点A的纵坐标y；B.x＝顶点B的横坐标x；C.y＝顶点C的纵坐标y；W＝信令图层范围的x方向的位置距离；H＝信令图层范围的y方向的距离。

三，将信令数据同样做反投影转换，得到每个点的平面坐标x值、y值，然后做基于屏幕坐标的归一化处理，公式如下：

p.x＝(x/W)＊canvasWidth

p.y＝(1-(y/H)＊canvasHeight

p.x＝信令数据基于屏幕坐标的横坐标x；p.y＝信令数据基于屏幕坐标的横坐标y；canvasWidth＝浏览器视图窗口的宽度(单位为像素)；canvasHeight＝济览器视图窗口的高度(单位为像素)。

四，遍历信令数据集，每一个点位记做一个权重，通过heatmap.js，最终得到基于地理位置的屏幕热力图渲染。

S5：三维场景建筑热力渲染，在模型读取后，且场景渲染之前获取模型的材质替换为S4中得到的热力图。

S6：信令数据实时渲染，分别使用工作日中午时段及傍晚时段的手机信令数据经过S2到S5的过程，直观的看到三维场景内基于建筑的人口工作分布情况和人口居住情况。

通过程序将人口分布数据与三维场景融合的方法，通过接入真实的地理基础要素数据搭建三维城市场景底座，结合手机信令数据渲染人口热力图，最终通过着色器渲染到三维建筑上，相对现有技术，本发明将人口数据和楼房建筑数据融合，为城市规划和交通管理提供更直观的决策依据。

在本发明中，WGS84坐标系：World Geodetic System 1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。

QGIS：是一款非常开源的桌面GIS软件，能够提供数据的显示、编辑和分析功能。

GeoJSON：一种对各种地理数据结构进行编码的格式，基于Javascript对象表示法(JavaScript Object Notation,简称JSON)的地理空间信息数据交换格式。

Heatmap.js:是基于canvas开源的热力图框架，使用该框架可以方便的实现热力图。

墨卡托平面投影坐标：墨卡托投影(Mercator Projection)，又称麦卡托投影、正轴等角圆柱投影，是一种等角的圆柱形地图投影法。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。