專利名稱：建筑物三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)的制作方法
建筑物三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種建筑物三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)。背景技術(shù)：
隨著遙感測(cè)量、激光掃描、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的迅速發(fā)展，以及“數(shù)字地球”概念的提 出，“智慧城市”建設(shè)悄然興起。2009年溫家寶總理提出“感知中國(guó)”以來(lái)，“智慧城市”建設(shè) 在全國(guó)開展。建立城市場(chǎng)景的三維模型是“智慧城市”建設(shè)的重要內(nèi)容與必要步驟，而城市場(chǎng)景 中的建筑物三維建模則是“智慧城市”建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一直以來(lái)三維城市模型的數(shù)據(jù)獲 取是一項(xiàng)投資巨大、技術(shù)要求復(fù)雜的工程，其技術(shù)水平是影響三維城市模型建設(shè)與更新工 作效率的重要制約因素。最近幾年，激光掃描系統(tǒng)在三維空間目標(biāo)的獲取方面取得了較為廣泛的應(yīng)用，根 據(jù)搭載平臺(tái)的不同，激光掃描系統(tǒng)可以分為機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)和地面 激光掃描系統(tǒng)。目前，對(duì)城市建立三維模型大多采用機(jī)載激光掃描系統(tǒng)，利用掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行 構(gòu)建，或者結(jié)合圖像和掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建。但是，由于機(jī)載激光掃描系統(tǒng)獲取的掃描數(shù)據(jù)本身的限制，構(gòu)建后的模板比較粗 糙，一般僅包含建筑物的輪廓信息，缺乏墻面細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建效果較差。結(jié)合圖像和掃描數(shù) 據(jù)的構(gòu)建，雖然可以部分恢復(fù)墻面細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，但是需要尋找圖像和三維掃描點(diǎn)的匹配，計(jì)算 繁瑣，工作量大，且計(jì)算精度不高，構(gòu)建效率同樣低下，從而嚴(yán)重影響了“智慧城市”的建設(shè)。

發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，有必要針對(duì)上述建筑物構(gòu)建繁瑣、效率低下且精度差的問(wèn)題，提供一種 快速便捷且精確的建筑物三維模型構(gòu)建方法。此外，有必要提供一種快速便捷且精確的建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)。一種建筑物三維模型構(gòu)建方法，包括如下步驟獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面；檢測(cè)并提取平面點(diǎn)云的邊界；構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板；將重復(fù)單元的模板組合并對(duì)齊；結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置；將模板自動(dòng)拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云邊界對(duì)模板進(jìn) 行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元。優(yōu)選的，所述檢測(cè)并提取平面點(diǎn)云的邊界的步驟具體為將平面點(diǎn)云劃分為等間距的條帶；計(jì)算每個(gè)條帶內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，得到點(diǎn)分布的直方根據(jù)點(diǎn)分布的直方圖計(jì)算點(diǎn)分布的梯度，梯度取極大值處為點(diǎn)云邊界，提取所述 邊界。優(yōu)選的，所述構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板的步驟具體為根據(jù)重復(fù)單元幾何結(jié)構(gòu)前表面上點(diǎn)云的分布確定模板前表面在寬度和高度兩個(gè) 維度中的尺寸，模板深度由另一表面的點(diǎn)確定或者由用戶根據(jù)需要設(shè)定。優(yōu)選的，所述將重復(fù)單元的模板組合并對(duì)齊的步驟具體為獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進(jìn)行組合，標(biāo)記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權(quán)平均位置，進(jìn)行對(duì) 齊。優(yōu)選的，所述結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或組合的模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在 位置的步驟具體為獲取用戶將模板由一個(gè)實(shí)例拖拽到下一個(gè)實(shí)例位置附近所產(chǎn)生的偏移量，將所述 偏移量作為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置。優(yōu)選的，所述將模板自動(dòng)拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云 邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元 的步驟具體為在預(yù)測(cè)的實(shí)例所在位置兩倍于模板包圍盒的范圍內(nèi)檢測(cè)各個(gè)平面點(diǎn)云的邊界；利用所述邊界對(duì)模板進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)中的一種或者兩種以上幾何變換；獲得幾何變換后的所有模板，并將其作為實(shí)例的候選對(duì)象；對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，選取得分最高者，作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果。優(yōu)選的，所述候選對(duì)象為以下六種中任意一種或者兩種以上對(duì)模板無(wú)幾何變換，分布和幾何尺寸嚴(yán)格規(guī)則的候選對(duì)象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對(duì)齊所 獲得的候選對(duì)象；任取相互垂直的一對(duì)邊界，將模板平移至與該對(duì)邊界對(duì)齊所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在排列方向不 做縮放所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在垂直于排列 方向上不做縮放所獲得的候選對(duì)象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對(duì)，將模板縮放至與四條邊界均對(duì)齊所獲 得的候選對(duì)象。優(yōu)選的，對(duì)所述候選對(duì)象打分具體包括數(shù)據(jù)擬合，檢測(cè)支持候選對(duì)象點(diǎn)的可信度和支持候選對(duì)象的邊的可信度；規(guī)則性，檢測(cè)候選對(duì)象與模板幾何尺寸的相似度和候選對(duì)象與相鄰實(shí)例的規(guī)則度。優(yōu)選的，還包括對(duì)構(gòu)建出的建筑物表面重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化的步驟；具體為 以點(diǎn)云和建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)則性作為約束對(duì)構(gòu)建出的建筑物重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化。一種建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，包括點(diǎn)云獲取模塊，用于獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面，檢測(cè)并提 取平面點(diǎn)云的邊界；模板建立模塊，用于構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板；模板處理模塊，用于將重復(fù)單元的模板組合并且對(duì)齊；重復(fù)單元 定位模塊，用于結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各 個(gè)實(shí)例所在位置，將模板自動(dòng)拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云邊界 對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元。優(yōu)選的，所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊將平面點(diǎn)云劃分為等間距的條帶，計(jì)算每個(gè)條帶 內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，得出點(diǎn)分布的直方圖，根據(jù)點(diǎn)分布的直方圖計(jì)算點(diǎn)分布的梯度，梯度取極大值 處為點(diǎn)云邊界，提取所述邊界。優(yōu)選的，所述模板建立模塊根據(jù)重復(fù)單元幾何結(jié)構(gòu)前表面上點(diǎn)云的分布確定模板 前表面在寬和高兩個(gè)維度中的尺寸，模板深度由另一表面的點(diǎn)確定或者由用戶根據(jù)需要設(shè)定。 優(yōu)選的，所述模板處理模塊獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進(jìn)行組合，標(biāo) 記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權(quán)平均位置，進(jìn)行對(duì) 齊。優(yōu)選的，所述重復(fù)單元定位模塊獲取用戶將模板由一個(gè)實(shí)例拖拽到下一個(gè)實(shí)例位 置附近所產(chǎn)生的偏移量，將所述偏移量作為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置；在預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置兩倍于模板包圍盒的范圍內(nèi)檢測(cè)各個(gè)平面點(diǎn)云的邊 界；利用所述邊界對(duì)模板進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)中的一種或者兩種以上幾何變換；獲得經(jīng)幾何變換后的模板，并將其作為實(shí)例的候選對(duì)象；對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，選取得分最高者，作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果。優(yōu)選的，所述候選對(duì)象包括以下六種中的任意一種或者兩種以上對(duì)模板無(wú)幾何變換，分布和幾何尺寸嚴(yán)格規(guī)則的候選對(duì)象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對(duì)齊所 獲得的候選對(duì)象；任取相互垂直的一對(duì)邊界，將模板平移至與該對(duì)邊界對(duì)齊所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在排列方向不 做縮放所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在垂直于排列 方向上不做縮放所獲得的候選對(duì)象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對(duì)，將模板縮放至與四條邊界均對(duì)齊所獲 得的候選對(duì)象。優(yōu)選的，所述重復(fù)單元定位模塊對(duì)所述候選對(duì)象打分包括數(shù)據(jù)擬合，檢測(cè)支持候選對(duì)象點(diǎn)的可信度和支持候選對(duì)象的邊的可信度；規(guī)則性，檢測(cè)候選對(duì)象與模板幾何尺寸的相似度和候選對(duì)象與其相鄰實(shí)例的規(guī)則度。
優(yōu)選的，還包括布局優(yōu)化模塊，用于以點(diǎn)云和建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)則性作為約束對(duì)構(gòu)建出的建筑物表面 重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化。上述建筑物三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)，根據(jù)建筑物表面具有重復(fù)單元的特點(diǎn)首先建立重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的模板，然后結(jié)合用戶對(duì)模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置， 自動(dòng)將模板復(fù)制到該位置，利用提取的邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和 精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元從而構(gòu)建出建筑物的三維模型。構(gòu)建中，通過(guò)用戶簡(jiǎn) 單的拖拽交互，大大減小了重建過(guò)程中的搜索范圍，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)單元的自動(dòng)重建，降低了重 建的工作量，提高了建筑物構(gòu)建的精度和速度，更加簡(jiǎn)單快捷、有效、真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)建 筑物模型的構(gòu)建和再現(xiàn)，大大節(jié)約了成本。

圖1是一個(gè)實(shí)施例中建筑物三維模型構(gòu)建方法流程圖；圖2是一個(gè)實(shí)施例中檢測(cè)平面點(diǎn)云邊界的方法流程圖；圖3是一個(gè)實(shí)施例中對(duì)重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化的示意圖；圖4是一個(gè)實(shí)施例中的建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，通過(guò)對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案 及其有益效果顯而易見。圖1是一個(gè)實(shí)施例中建筑物三維模型構(gòu)建方法流程圖，該方法包括如下步驟SlO 獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該實(shí)施例中，利用車載激光掃描系統(tǒng)對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。車載 激光掃描系統(tǒng)能夠快速、高效的獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包 含建筑物的更多細(xì)節(jié)信息。其他實(shí)施例中，也可采用其他方式(例如機(jī)載)掃描系統(tǒng)對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，獲取 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。S20 對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面。對(duì)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用RANSAC技術(shù)提取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)所包含的建筑物幾 何機(jī)構(gòu)中的所有平面，并對(duì)每個(gè)平面隨機(jī)分配一個(gè)顏色，便于在后續(xù)建模過(guò)程中更好的區(qū) 分各個(gè)平面。S30 檢測(cè)并提取平面點(diǎn)云的邊界。圖2是一個(gè)實(shí)施例中檢測(cè)及提取平面點(diǎn)云邊界的方法流程圖，該方法包括如下步 驟S31 將平面點(diǎn)云劃分為等間距的條帶。S32 計(jì)算每個(gè)條帶內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，得到點(diǎn)分布的直方圖。S33:根據(jù)點(diǎn)分布的直方圖計(jì)算點(diǎn)分布的梯度，梯度取極大值處為平面點(diǎn)云邊界， 提取該邊界。S40 構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板。
通常建筑物表面有很多樓層，每個(gè)樓層上具有與其他樓層相同的重復(fù)出現(xiàn)的單 元，比如陽(yáng)臺(tái)、窗戶、陽(yáng)臺(tái)欄桿等，稱為重復(fù)單元。其中，某個(gè)樓層的某個(gè)陽(yáng)臺(tái)、窗戶等稱為重 復(fù)單元的實(shí)例。在對(duì)建筑物三維模型構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)重復(fù)單元建立模板，然后對(duì)建立的模板 進(jìn)行拖拽(用戶進(jìn)行拖拽)，由一個(gè)實(shí)例拷貝到其他實(shí)例所在位置，估測(cè)所有實(shí)例的位置， 對(duì)重復(fù)單元所有實(shí)例進(jìn)行構(gòu)建，大大提高構(gòu)建效率。由于車載激光掃描系統(tǒng)獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在建筑物重復(fù)單元幾何結(jié)構(gòu)的前表 面包含較為密集的點(diǎn)，側(cè)面和背面基本沒有點(diǎn)，故可根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)前表面上點(diǎn)云的分布確 定重復(fù)單元模板在寬和高兩個(gè)維度中的尺寸。該實(shí)施例中，根據(jù)距離使用者的遠(yuǎn)近確定 幾何結(jié)構(gòu)的前后表面，近者為前表面，遠(yuǎn)者為后表面(也可以通過(guò)用戶的交互指定前后表 面)。利用前表面上檢測(cè)出的橫向和縱向的邊界確定模板(長(zhǎng)方體)的寬度和高度。模板 的深度可由另一表面(側(cè)面或者墻表面)的點(diǎn)確定，也可由用戶根據(jù)需要指定。在其他實(shí)施方式中，建筑物表面重復(fù)單元的模板也可由用戶根據(jù)需求或者根據(jù)建 筑物表面重復(fù)單元的真實(shí)情況(由拍攝建筑物的照片或者影像獲取)，通過(guò)自我設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu) 建。構(gòu)建后，將用戶構(gòu)建的模板導(dǎo)入到重復(fù)單元實(shí)例所在位置。S50 將重復(fù)單元的模板組合并對(duì)齊。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑物的快速構(gòu)建，對(duì)重復(fù)單元建立模板后，根據(jù)實(shí)際情形將屬于 同一組合的重復(fù)單元模板組合并對(duì)齊，比如陽(yáng)臺(tái)底面、陽(yáng)臺(tái)窗戶以及陽(yáng)臺(tái)欄桿在實(shí)際中通 常組合出現(xiàn)在一起。在構(gòu)建中，將陽(yáng)臺(tái)底面、陽(yáng)臺(tái)窗戶以及陽(yáng)臺(tái)欄桿等模板進(jìn)行組合，標(biāo)記 為一組。在此后的操作中，對(duì)該組合進(jìn)行拖拽拷貝，同時(shí)完成對(duì)多個(gè)重復(fù)單元的構(gòu)建。在該實(shí)施例中，將多個(gè)重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的模板組合的具體步驟為獲取用戶圈選 (利用OpenGL選擇機(jī)制)的所有模板，將選中的模板進(jìn)行組合，標(biāo)記為一組，作為一個(gè)整體。重復(fù)單元模板組合后，需要對(duì)組合中的各個(gè)模板按照實(shí)際的分布狀況和建筑物的 布局特征(對(duì)稱性和規(guī)則性)進(jìn)行對(duì)齊，使其符合建筑物的構(gòu)建特征。對(duì)齊的方法具體為 將組合中平行且距離接近的面片平移到這些面片的面積加權(quán)平均位置。S60 結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置。該實(shí)施例中，獲取用戶將模板由一個(gè)實(shí)例拖拽到下一個(gè)實(shí)例位置附近所產(chǎn)生的偏 移量，并以此偏移量作為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置，縮小構(gòu)建過(guò)程中的搜索范 圍，提高效率。在其他實(shí)施方式中，也可由用戶將模板拖拽到重復(fù)單元所有實(shí)例位置；或者初始 設(shè)定偏移量，根據(jù)偏移量對(duì)模板進(jìn)行拷貝。S70:將模板自動(dòng)拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云邊界對(duì)模 板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元。預(yù)測(cè)各個(gè)實(shí)例所在位置后，模板會(huì)被自動(dòng)復(fù)制到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置。由于 建立的模板以及預(yù)測(cè)的重復(fù)單元實(shí)例所在位置可能與實(shí)例實(shí)際的結(jié)構(gòu)和位置存在偏差，故 還需對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行準(zhǔn)確的擬合以及精確定位。該實(shí)施例中，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，其方法具體為在預(yù)測(cè)的實(shí)例所在位置兩倍于模板包圍盒的范圍內(nèi)檢測(cè)并提取各個(gè)平面點(diǎn)云的 邊界，利用這些邊界對(duì)模板進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等幾何變換，獲得經(jīng)幾何變換后的模板，并 將其作為重復(fù)單元實(shí)例的候選對(duì)象。
對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，選取得分最高者作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果，構(gòu) 建出重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例，從而構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元。所有重復(fù)單元構(gòu)建出后即構(gòu)建 出建筑物的三維模型。由于利用所有獲取的邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變化，每個(gè)實(shí)例的候選對(duì)象比較多，優(yōu) 選的考慮以下六類候選對(duì)象(1)對(duì)模板無(wú)幾何變換，分布和幾何尺寸嚴(yán)格規(guī)則的候選對(duì)象。此類候選對(duì)象與已 經(jīng)定位好的前一實(shí)例(或者模板)尺寸相等且等間距排列。(2)任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對(duì) 齊所獲得的候選對(duì)象。此類候選對(duì)象與已經(jīng)定位好的前一實(shí)例尺寸相等、嚴(yán)格對(duì)齊但間距不等。(3)任取相互垂直的一對(duì)邊界，將模板至與該對(duì)邊界對(duì)齊所獲得的候選對(duì)象。(4)任取一對(duì)與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在排列方 向不做縮放所獲得的候選對(duì)象。(5)任取一對(duì)與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在垂直于 排列方向上不做縮放所獲得的候選對(duì)象。(6)任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對(duì)，將模板縮放至與四條邊界均對(duì)齊 所獲得的候選對(duì)象。在獲取大量候選對(duì)象后，需要對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，選取得分最高者作為實(shí) 例的擬合和精確定位結(jié)果。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分采用如下方法，該方法由兩部分組 成1、數(shù)據(jù)擬合(a)支持該候選對(duì)象點(diǎn)的可信度。該實(shí)施方式中，采用位于該候選對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)前 表面單位面積內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目來(lái)判斷，數(shù)目越大，可信度越高。(b)支持該候選對(duì)象的邊的可信度，即點(diǎn)云中支持該候選對(duì)象的所有邊和該候選 對(duì)象中相應(yīng)邊長(zhǎng)度比(若大于1則取其倒數(shù))之和。和越大，可信度越高。2、規(guī)則性(a)該候選對(duì)象與模板幾何尺寸的相似度。該實(shí)施方式中，采用該候選對(duì)象與模板 對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)度之比(大于1則取其倒數(shù))的和來(lái)度量。和越大則相似度越高。(b)該候選對(duì)象與相鄰實(shí)例的規(guī)則性。該實(shí)施方式中，采用與相鄰實(shí)例的間距、對(duì) 齊程度來(lái)衡量。在對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和規(guī)則性兩部分打分之后，將每一項(xiàng)的得分進(jìn)行歸一 化處理，計(jì)算候選對(duì)象的加權(quán)平均分。其中，權(quán)重可由用戶根據(jù)具體的情況調(diào)整。將加權(quán)平 均分最高的候選對(duì)象作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果(將加權(quán)平均分最高的候選對(duì)象作 為實(shí)例的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu))。S80 對(duì)構(gòu)建出的建筑物表面重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化。建筑物重復(fù)單元所有實(shí)例擬合和精確定位后，建筑物重復(fù)單元即構(gòu)建出來(lái)。但各 個(gè)實(shí)例之間會(huì)存在間距或者對(duì)齊不規(guī)則的狀況，故根據(jù)建筑物表面結(jié)構(gòu)的布局特點(diǎn)(如對(duì) 齊排列、等間距排列)，還需以點(diǎn)云和建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)則性作為約束對(duì)重復(fù)單元的布局進(jìn)行優(yōu)化，以更大程度的提高精度。圖3是一個(gè)實(shí)施例中對(duì)重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化的示意圖。圖中每個(gè)矩形代表實(shí)例 結(jié)構(gòu)中的一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，Pi和P」分別代表相鄰兩個(gè)實(shí)例對(duì)應(yīng)平面的中心位置，是這組 平面的法向量，(；和。分別是從點(diǎn)云中估算得到的平面中心位置。為了使得這組平面對(duì)齊， 只需將Pi和Pj沿方向調(diào)整即可，在調(diào)整過(guò)程中要兼顧新位置對(duì)點(diǎn)云的擬合。其中，優(yōu)化過(guò)程中涉及兩個(gè)位置約束，分別為位置約束(點(diǎn)云擬合)Pi = Ci對(duì)齊約束<Pj-Pi，n> = 0綜合以上兩個(gè)約束，可以得到待求解的目標(biāo)函數(shù)為 式中Wd和W。分別是點(diǎn)云擬合和對(duì)齊約束的權(quán)重。通過(guò)最小化該函數(shù)，可以得到各 重復(fù)單元新的空間位置。最小化過(guò)程可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性方程組進(jìn)行求解，轉(zhuǎn)化后的方程 組如下 此外，還提供一種建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)。圖4是一個(gè)實(shí)施例中的建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)包括點(diǎn)云獲 取模塊410、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊420、模板建立模塊430、模板處理模塊440、重復(fù)單元定位模 塊450以及布局優(yōu)化模塊460。點(diǎn)云獲取模塊410用于獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該實(shí)施例中，點(diǎn)云獲取模塊410利用車載激光掃描系統(tǒng)對(duì)建筑物進(jìn)行掃描，獲取 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。車載激光掃描系統(tǒng)能夠快速、高效的獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且獲取的 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含建筑物的更多細(xì)節(jié)信息。其他實(shí)施例中，點(diǎn)云獲取模塊410也可采用其他方式(例如機(jī)載)掃描系統(tǒng)對(duì)建 筑物進(jìn)行掃描，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊420用于對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面，檢測(cè)并提取平面點(diǎn)云的邊界。該實(shí)施例中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊420采用RANSAC技術(shù)提取建筑物三維點(diǎn)云中的所 有平面，然后對(duì)每個(gè)平面隨機(jī)分配一個(gè)顏色，便于在后續(xù)建模過(guò)程中區(qū)別于其他平面。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊420將平面點(diǎn)云劃分為等間距的條帶，計(jì)算每個(gè)條帶內(nèi)點(diǎn)的數(shù) 目，得出點(diǎn)分布的直方圖，然后根據(jù)點(diǎn)分布的直方圖計(jì)算點(diǎn)分布的梯度，梯度取極大值處為 平面點(diǎn)云邊界，最后提取這些邊界。模板建立模塊430用于構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板。建筑物表面通常具有很多樓層，每個(gè)樓層上具有與其他樓層相同的重復(fù)出現(xiàn)的單 元，比如陽(yáng)臺(tái)、窗戶、陽(yáng)臺(tái)欄桿等，稱為重復(fù)單元。其中，某個(gè)樓層的陽(yáng)臺(tái)、窗戶稱為重復(fù)單 元的實(shí)例。在構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)重復(fù)單元建立模板然后對(duì)建立的模板進(jìn)行拖拽(用戶進(jìn)行拖 拽)，由一個(gè)實(shí)例拷貝到其他實(shí)例所在位置，估測(cè)所有實(shí)例的位置，對(duì)重復(fù)單元所有實(shí)例進(jìn) 行構(gòu)建，大大提高構(gòu)建效率。由于車載激光掃描系統(tǒng)獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在建筑物重復(fù)單元幾何結(jié)構(gòu)的前表 面包含較為密集的點(diǎn)，側(cè)面和背面基本沒有點(diǎn)，故模板建立模塊430根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)前表面 上點(diǎn)云的分布確定重復(fù)單元模板在寬和高兩個(gè)維度中的尺寸。該實(shí)施例中，模板建立模塊 430根據(jù)距離使用者的遠(yuǎn)近確定幾何結(jié)構(gòu)的前后表面，近者為前表面，遠(yuǎn)者為后表面(也可 以通過(guò)用戶的交互指定前后表面)。利用前表面上檢測(cè)出的橫向和縱向的邊界確定建筑物 幾何結(jié)構(gòu)模塊(長(zhǎng)方體)的寬度和高度。模板的深度可由另一表面(側(cè)面或者墻表面)的 點(diǎn)確定，也可由用戶根據(jù)需要指定。在其他實(shí)施方式中，建筑物表面重復(fù)單元的模板也可由用戶根據(jù)需求或者根據(jù)建 筑物表面重復(fù)單元的真實(shí)情況(由拍攝建筑物的照片或者影像獲取)，通過(guò)自我設(shè)計(jì)來(lái)構(gòu) 建。構(gòu)建中，將用戶構(gòu)建的模板導(dǎo)入到重復(fù)單元實(shí)例所在位置。模板處理模塊440用于將重復(fù)單元的模板組合并對(duì)齊。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑物的快速構(gòu)建，對(duì)重復(fù)單元建立模板后，根據(jù)實(shí)際情形將屬于 同一組合的重復(fù)單元模板組合并對(duì)齊，比如陽(yáng)臺(tái)底面、陽(yáng)臺(tái)窗戶以及陽(yáng)臺(tái)欄桿等模板進(jìn)行 組合，標(biāo)記為一組。在構(gòu)建中，將陽(yáng)臺(tái)底面、陽(yáng)臺(tái)窗戶以及陽(yáng)臺(tái)欄桿等模板進(jìn)行組合，標(biāo)記為 一組。在此后的操作中，對(duì)該組合進(jìn)行拖拽拷貝，同時(shí)完成對(duì)多個(gè)重復(fù)單元的構(gòu)建。在該實(shí)施例中，模板處理模塊440獲取用戶圖選(利用OpenGL選擇機(jī)制)的所有 模板，將選中的模板進(jìn)行組合，標(biāo)記為一組，作為一個(gè)整體。重復(fù)單元組合后，需要對(duì)組合中的模板按照實(shí)際的分布狀況和建筑物的布局特征 (對(duì)稱性和規(guī)則性)進(jìn)行對(duì)齊，使其符合建筑物的構(gòu)建特征。模板處理模塊440將組合中平 行且距離接近的面片平移到這些面片的面積加權(quán)平均位置進(jìn)行對(duì)齊。重復(fù)單元定位模塊450用于結(jié)合使用者對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單 元各個(gè)實(shí)例所在位置，將模板拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置并在該位置利用提取的平面 點(diǎn)云邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位。該實(shí)施例中，重復(fù)單元定位模塊450獲取用戶將模板由一個(gè)實(shí)例拖拽到下一個(gè)實(shí) 例位置附近所產(chǎn)生的偏移量，并以此偏移量作為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置，縮 小構(gòu)建過(guò)程中的搜索范圍，提高效率。在其他實(shí)施方式中，重復(fù)單元定位模塊450也可根據(jù)初始設(shè)定偏移量，對(duì)模板進(jìn)行拷貝。預(yù)測(cè)各個(gè)實(shí)例所在位置后，模板會(huì)被自動(dòng)復(fù)制到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置。由于建立的模板以及預(yù)測(cè)的實(shí)例所在位置可能與實(shí)例實(shí)際的結(jié)構(gòu)和位置存在偏差，故還需對(duì)各 個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合以及精確定位。重復(fù)單元定位模塊450在預(yù)測(cè)的實(shí)例所在位置兩倍于模板包圍盒的范圍內(nèi)檢測(cè) 并提取各個(gè)平面點(diǎn)云的邊界，利用這些邊界對(duì)模板進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等幾何變換，獲得 經(jīng)幾何變換后的模板，并將其作為重復(fù)單元實(shí)例的候選對(duì)象。然后對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩 選，選取得分最高者作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果，構(gòu)建出重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例，從而構(gòu)建 出建筑物表面重復(fù)單元。由于利用所有獲取的邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，每個(gè)實(shí)例的候選對(duì)象比較多，優(yōu) 選的考慮以下六類候選對(duì)象(1)對(duì)模板無(wú)幾何變換，分布和幾何尺寸嚴(yán)格規(guī)則的候選對(duì)象。此類候選對(duì)象與已 經(jīng)定位好的前一實(shí)例(或者模板)尺寸相等且間距排列。(2)任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對(duì) 齊所獲得的候選對(duì)象。此類候選對(duì)象與已經(jīng)定位好的前一實(shí)例尺寸相等、嚴(yán)格對(duì)齊但間距不等。(3)任取相互垂直的一對(duì)邊界，將模板平移至與該對(duì)邊界對(duì)齊所獲得的候選對(duì)象。(4)任取一對(duì)與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在排列方 向不做縮放所獲得的候選對(duì)象。(5)任取一對(duì)與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在垂直于 排列方向上不做縮放所獲得的候選對(duì)象。(6)任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對(duì)，將模板縮放至與四條邊界均對(duì)齊 所獲得的候選對(duì)象。在獲取大量候選對(duì)象后，重復(fù)單元定位模塊450對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，獲取 得分最高者作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，重復(fù)單元定位模塊450對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分由兩部分組 成1、數(shù)據(jù)擬合(a)支持該候選對(duì)象點(diǎn)的可信度。該實(shí)施方式中，重復(fù)單元定位模塊450根據(jù)位于 該候選對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)前表面單位面積內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目來(lái)判斷，數(shù)目越大，可信度越高。(b)支持該候選對(duì)象的邊的可信度，即點(diǎn)云中支持該候選對(duì)象的所有邊和該候選 對(duì)象中相應(yīng)邊長(zhǎng)度比(若大于1則取其倒數(shù))之和。和越大，可信度越高。2、規(guī)則性(a)該候選對(duì)象與模板幾何尺寸的相似度。該實(shí)施方式中，采用該候選對(duì)象與模板 對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)度之比(大于1則取其倒數(shù))的和來(lái)度量。和越大則相似度越高。(b)該候選對(duì)象與相鄰實(shí)例的規(guī)則性。該實(shí)施方式中，采用與相鄰實(shí)例的間距、對(duì) 齊程度來(lái)衡量。在對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和規(guī)則性兩部分打分之后，將每一項(xiàng)的得分進(jìn)行歸一 化處理，計(jì)算候選對(duì)象的加權(quán)平均分。其中，權(quán)重可由用戶根據(jù)具體的情況調(diào)整。將加權(quán)平均分最高的候選對(duì)象作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果。(將加權(quán)平均分最高的候選對(duì)象所 在位置為實(shí)例準(zhǔn)確位置，完成對(duì)實(shí)例的擬合和精確定位)。布局優(yōu)化模塊460用于對(duì)構(gòu)建出的建筑物表面重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化。建筑物重復(fù)單元精確定位后，各個(gè)實(shí)例之間會(huì)存在間距或者對(duì)齊不規(guī)則的狀況， 布局優(yōu)化模塊460根據(jù)建筑物表面結(jié)構(gòu)的布局特點(diǎn)(如對(duì)齊排列、等間距排列)，以點(diǎn)云和 建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)則性作為約束對(duì)重復(fù)單元的布局進(jìn)行優(yōu)化，以更大程度的提高精度。如圖3所示，圖中每個(gè)矩形代表實(shí)例結(jié)構(gòu)中一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，Pi和P」分別代表相 鄰兩個(gè)實(shí)例中對(duì)應(yīng)平面的中心位置，是這組平面的法向量,Ci和&分別是從點(diǎn)云中估算 得到的平面中心位置。為了使得這組平面對(duì)齊，布局優(yōu)化模塊460將Pi和P」沿方向調(diào) 整，且在調(diào)整過(guò)程中要兼顧新位置對(duì)點(diǎn)云的擬合。其中，布局優(yōu)化模塊460調(diào)整過(guò)程中涉及兩個(gè)位置約束，分別為位置約束(點(diǎn)云擬合)Pi = Ci對(duì)齊約束<ρΓρ”η> = 0綜合以上兩個(gè)約束，可以得到待求解的目標(biāo)函數(shù)為 式中Wd和W。分別是點(diǎn)云擬合和對(duì)齊約束的權(quán)重。通過(guò)最小化該函數(shù)，可以得到重 復(fù)單元實(shí)例新的空間位置。最小化過(guò)程可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性方程組進(jìn)行求解，轉(zhuǎn)化后的方 程組如下 上述建筑物三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)，根據(jù)建筑物表面具有重復(fù)單元的特點(diǎn)首先 建立重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的模板，然后結(jié)合用戶對(duì)模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置， 自動(dòng)將模板復(fù)制到該位置，利用提取的邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和 精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元從而構(gòu)建出建筑物的三維模型。構(gòu)建中，通過(guò)用戶簡(jiǎn)單的拖拽交互，大大減小了重建過(guò)程中的搜索范圍，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)單元的自動(dòng)重建，降低了重 建的工作量，提高了建筑物構(gòu)建的精度和速度，更加簡(jiǎn)單快捷、有效、真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)建 筑物模型的構(gòu)建和再現(xiàn)，大大節(jié)約了成本。 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能 因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范 圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括如下步驟獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面；檢測(cè)并提取平面點(diǎn)云的邊界；構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板；將重復(fù)單元的模板組合并對(duì)齊；結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置；將模板自動(dòng)拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述檢測(cè)并提取平面 點(diǎn)云的邊界的步驟具體為將平面點(diǎn)云劃分為等間距的條帶；計(jì)算每個(gè)條帶內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，得到點(diǎn)分布的直方圖；根據(jù)點(diǎn)分布的直方圖計(jì)算點(diǎn)分布的梯度，梯度取極大值處為點(diǎn)云邊界，提取所述邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述構(gòu)建建筑物表面 重復(fù)單元的模板的步驟具體為根據(jù)重復(fù)單元幾何結(jié)構(gòu)前表面上點(diǎn)云的分布確定模板前表面在寬度和高度兩個(gè)維度 中的尺寸，模板深度由另一表面的點(diǎn)確定或者由用戶根據(jù)需要設(shè)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述將重復(fù)單元的模 板組合并對(duì)齊的步驟具體為獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進(jìn)行組合，標(biāo)記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權(quán)平均位置，進(jìn)行對(duì)齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述結(jié)合用戶對(duì)單個(gè) 或組合的模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置的步驟具體為獲取用戶將模板由一個(gè)實(shí)例拖拽到下一個(gè)實(shí)例位置附近所產(chǎn)生的偏移量，將所述偏移 量作為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述將模板自動(dòng)拷 貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí) 例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元的步驟具體為在預(yù)測(cè)的實(shí)例所在位置兩倍于模板包圍盒的范圍內(nèi)檢測(cè)各個(gè)平面點(diǎn)云的邊界； 利用所述邊界對(duì)模板進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)中的一種或者兩種以上幾何變換； 獲得幾何變換后的所有模板，并將其作為實(shí)例的候選對(duì)象； 對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，選取得分最高者，作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，所述候選對(duì)象為以下 六種中任意一種或者兩種以上對(duì)模板無(wú)幾何變換，分布和幾何尺寸嚴(yán)格規(guī)則的候選對(duì)象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對(duì)齊所獲得 的候選對(duì)象；任取相互垂直的一對(duì)邊界，將模板平移至與該對(duì)邊界對(duì)齊所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在排列方向不做縮 放所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在垂直于排列方向 上不做縮放所獲得的候選對(duì)象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對(duì)，將模板縮放至與四條邊界均對(duì)齊所獲得的 候選對(duì)象。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，對(duì)所述候選對(duì)象打分 具體包括數(shù)據(jù)擬合，檢測(cè)支持候選對(duì)象點(diǎn)的可信度和支持候選對(duì)象的邊的可信度； 規(guī)則性，檢測(cè)候選對(duì)象與模板幾何尺寸的相似度和候選對(duì)象與相鄰實(shí)例的規(guī)則度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述建筑物三維模型構(gòu)建方法，其特征在于，還包括對(duì)構(gòu)建出的建 筑物表面重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化的步驟；具體為以點(diǎn)云和建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)則性作為約束對(duì) 構(gòu)建出的建筑物重復(fù)單元進(jìn)行布局優(yōu)化。
10.一種建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，包括 點(diǎn)云獲取模塊，用于獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面，檢測(cè)并提取平 面點(diǎn)云的邊界；模板建立模塊，用于構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板； 模板處理模塊，用于將重復(fù)單元的模板組合并且對(duì)齊；重復(fù)單元定位模塊，用于結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí) 例所在位置，將模板自動(dòng)拷貝到預(yù)測(cè)的各個(gè)實(shí)例所在位置，利用提取的平面點(diǎn)云邊界對(duì)模 板進(jìn)行幾何變換，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出建筑物表面重復(fù)單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 模塊將平面點(diǎn)云劃分為等間距的條帶，計(jì)算每個(gè)條帶內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目，得出點(diǎn)分布的直方圖，根 據(jù)點(diǎn)分布的直方圖計(jì)算點(diǎn)分布的梯度，梯度取極大值處為點(diǎn)云邊界，提取所述邊界。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述模板建立模塊 根據(jù)重復(fù)單元幾何結(jié)構(gòu)前表面上點(diǎn)云的分布確定模板前表面在寬和高兩個(gè)維度中的尺寸， 模板深度由另一表面的點(diǎn)確定或者由用戶根據(jù)需要設(shè)定。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述模板處理模塊 獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進(jìn)行組合，標(biāo)記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權(quán)平均位置，進(jìn)行對(duì)齊。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述重復(fù)單元定位 模塊獲取用戶將模板由一個(gè)實(shí)例拖拽到下一個(gè)實(shí)例位置附近所產(chǎn)生的偏移量，將所述偏移 量作為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置；在預(yù)測(cè)的實(shí)例所在位置兩倍于模板包圍盒的范圍內(nèi)檢測(cè)各個(gè)平面點(diǎn)云的邊界； 利用所述邊界對(duì)模板進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)中的一種或者兩種以上幾何變換； 獲得經(jīng)幾何變換后的模板，并將其作為實(shí)例的候選對(duì)象； 對(duì)候選對(duì)象進(jìn)行打分篩選，選取得分最高者，作為實(shí)例的擬合和精確定位結(jié)果。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述候選對(duì)象包括以下六種中的任意一種或者兩種以上對(duì)模板無(wú)幾何變換，分布和幾何尺寸嚴(yán)格規(guī)則的候選對(duì)象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對(duì)齊所獲得 的候選對(duì)象；任取相互垂直的一對(duì)邊界，將模板平移至與該對(duì)邊界對(duì)齊所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在排列方向不做縮 放所獲得的候選對(duì)象；任取一對(duì)與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對(duì)邊界對(duì)齊但在垂直于排列方向 上不做縮放所獲得的候選對(duì)象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對(duì)，將模板縮放至與四條邊界均對(duì)齊所獲得的 候選對(duì)象。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，所述重復(fù)單元定位 模塊對(duì)所述候選對(duì)象打分包括數(shù)據(jù)擬合，檢測(cè)支持候選對(duì)象點(diǎn)的可信度和支持候選對(duì)象的邊的可信度；規(guī)則性，檢測(cè)候選對(duì)象與模板幾何尺寸的相似度和候選對(duì)象與其相鄰實(shí)例的規(guī)則度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑物三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，其特征在于，還包括布局優(yōu)化模塊，用于以點(diǎn)云和建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)則性作為約束對(duì)構(gòu)建出的建筑物表面重復(fù) 單元進(jìn)行布局優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種建筑物三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)，該方法包括獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取點(diǎn)云中的平面；檢測(cè)并提取平面點(diǎn)云的邊界；構(gòu)建建筑物表面重復(fù)單元的模板；將重復(fù)單元模板組合并對(duì)齊；結(jié)合用戶對(duì)單個(gè)或者組合模板的拖拽，預(yù)測(cè)重復(fù)單元各個(gè)實(shí)例所在位置；將模板自動(dòng)拷貝到所在位置，利用提取的邊界對(duì)模板進(jìn)行幾何變換，對(duì)實(shí)例進(jìn)行擬合和精確定位，構(gòu)建出重復(fù)單元。本發(fā)明建筑物三維模型構(gòu)建中，通過(guò)用戶簡(jiǎn)單的拖拽交互，大大減小了重建過(guò)程的搜索范圍，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)單元的自動(dòng)重建，降低了重建的工作量，提高了建筑物構(gòu)建的精度和速度，更加簡(jiǎn)單快捷、有效、真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物模型的構(gòu)建，大大節(jié)約了成本。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101887597SQ201010220298
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者南亮亮, 程章林, 陳寶權(quán) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院