專利名稱：一種基于水平集的lod2建筑物模型構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用水平集算法對(duì)DSM數(shù)據(jù)的分割處理領(lǐng)域，具體涉及ー種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)數(shù)字城市需求的日益提高，城市和郊區(qū)人造地物的高精度模型化能夠使人們參與到城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)與建設(shè)，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和避難措施的策劃提出參考性的建議。游戲娛樂、汽車導(dǎo)航、電子商務(wù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)數(shù)字城市的迫 需求。三維建筑物模型通常采用多尺度的表達(dá)方式，以滿足不同的應(yīng)用需求。根據(jù)CityGML的定義，LODl (Level Of Detail I)是指僅有平面屋頂?shù)慕ㄖ锬Ｐ?，LODl是第一級(jí)尺度，L0D2 (Level Of Detail 2)建筑物模型具有不同類型的建筑物屋頂和真實(shí)的表面紋理。目前，許多研究集中在LODl建筑物模型的構(gòu)建方法上，主要研究方向是對(duì)具有精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)以及表面紋理的建筑物模型的構(gòu)建方法。在過去的幾十年里，三維建筑物模型的構(gòu)建技術(shù)可以使用多種數(shù)據(jù)源，尤其是DSM (Digital Surface Model，數(shù)字表面模型)的應(yīng)用愈加廣泛，通過多角度航拍圖像或LiDAR(Light Detection And Ranging)數(shù)據(jù)處理所得的高精度DSM數(shù)據(jù)，其分辨率高達(dá)
O.3m，可提供豐富的三維信息，從而構(gòu)建出精細(xì)的屋頂幾何結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)有技術(shù)還沒有從DSM數(shù)據(jù)中提取復(fù)雜建筑物模型的頂面基元以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)較高精度的L0D2建筑物模型構(gòu)建的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的基于ニ維圖像的建筑物模型構(gòu)建方法中存在的頂面結(jié)構(gòu)不夠細(xì)致而導(dǎo)致構(gòu)建精度不高的問題，提出的一種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法。本發(fā)明的一種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法，其具體過程為步驟I、提取建筑物輪廓作為建筑物輪廓掩膜Qm，同時(shí)根據(jù)相對(duì)應(yīng)的建筑物區(qū)域的地理坐標(biāo)選取DSM數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)配準(zhǔn)或人工配準(zhǔn)的方式，將建筑物輪廓掩膜Qm和DSM數(shù)據(jù)配入到統(tǒng)ー的坐標(biāo)系下；步驟2、根據(jù)步驟I選取的建筑物輪廓掩膜Ωπ和DSM數(shù)據(jù)獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T ;步驟3、根據(jù)步驟2獲得的建筑物頂面數(shù)據(jù)T獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間；步驟4、根據(jù)步驟3獲取的特征空間將建筑物區(qū)域進(jìn)行多相水平集分割，獲取子區(qū)域；步驟5、根據(jù)多相水平集的定義分別提取步驟4獲得的每個(gè)子區(qū)域的點(diǎn)集，然后檢測(cè)建筑物每個(gè)片元的邊界點(diǎn)，獲取建筑物每個(gè)基元的角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；步驟6、根據(jù)步驟5獲得的的建筑物角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，與步驟I中選取的DSM數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，建立建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
步驟7、根據(jù)步驟6獲取的建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的建筑物區(qū)域的航拍可見光圖像提取建筑物表面的紋理數(shù)據(jù)，與建筑物的不同基元相對(duì)應(yīng)，完成L0D2建筑物模型的構(gòu)建。本發(fā)明基于多相多通道水平集框架，將局部區(qū)域信息引入該框架，以DSM數(shù)據(jù)點(diǎn)的法向量作為特征向量進(jìn)行水平集分割，分離出建筑物頂面的不同基元，從而實(shí)現(xiàn)頂面幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于能夠從DSM數(shù)據(jù)中提取復(fù)雜建筑物模型的頂面基元以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較高精度的L0D2建筑物模型構(gòu)建。本發(fā)明可用于L0D2級(jí)別的大規(guī)模建筑物的三維構(gòu)建任務(wù)。


圖I是本發(fā)明的建筑物模型構(gòu)建方法流程示意圖；圖2是多想水平集分割過程的流程示意圖；圖3是本發(fā)明所采用的多相水平集方法的示意圖；圖4和圖5是本發(fā)明在水平集框架中引入局部化區(qū)域信息方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，一種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法，其具體過程為步驟I、提取建筑物輪廓作為建筑物輪廓掩膜Qm，同時(shí)根據(jù)相對(duì)應(yīng)的建筑物區(qū)域的地理坐標(biāo)選取DSM數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)配準(zhǔn)或人工配準(zhǔn)的方式，將建筑物輪廓掩膜Qm和DSM數(shù)據(jù)配入到統(tǒng)ー的坐標(biāo)系下；步驟2、根據(jù)步驟I選取的建筑物輪廓掩膜Ωπ和DSM數(shù)據(jù)獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T ;步驟3、根據(jù)步驟2獲得的建筑物頂面數(shù)據(jù)T獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間；步驟4、根據(jù)步驟3獲取的特征空間將建筑物區(qū)域進(jìn)行多相水平集分割，獲取子區(qū)域；步驟5、根據(jù)多相水平集的定義分別提取步驟4獲得的每個(gè)子區(qū)域的點(diǎn)集，然后檢測(cè)建筑物每個(gè)片元的邊界點(diǎn)，獲取建筑物每個(gè)基元的角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；步驟6、根據(jù)步驟5獲得的的建筑物角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，與步驟I中選取的DSM數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，建立建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟7、根據(jù)步驟6獲取的建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的建筑物區(qū)域的航拍可見光圖像提取建筑物表面的紋理數(shù)據(jù)，與建筑物的不同基元相對(duì)應(yīng)，完成L0D2建筑物模型的構(gòu)建。
具體實(shí)施方式
ニ、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的區(qū)別在于，本實(shí)施方式是對(duì)具 體實(shí)施方式一中步驟2的進(jìn)ー步限定，所述步驟2中獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的方法為用建筑物輪廓掩膜Ωπ與配準(zhǔn)后的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘，然后用獲得的結(jié)果去除建筑物輪廓外點(diǎn)集，獲得建筑物的頂面數(shù)據(jù)Τ。
具體實(shí)施方式
三、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的區(qū)別在于，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一中步驟3的進(jìn)ー步限定，所述步驟3中獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間的具體過程為對(duì)建筑物頂面數(shù)據(jù)T應(yīng)用Delaunay三角形剖分算法計(jì)算每ー個(gè)三角形的法向量，然后對(duì)法向量進(jìn)行歸一化處理，將建筑物頂面數(shù)據(jù)T中的每ー個(gè)點(diǎn)Pi的法向量Ni用共用點(diǎn)Pi的相鄰三角形的法向量的平均值來表示，結(jié)果作為建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間。
具體實(shí)施方式
四、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的區(qū)別在于，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一中步驟4的進(jìn)ー步限定，所述步驟4中將建筑物區(qū)域進(jìn)行多相水平集分割的具體過程為步驟4-1、在待分割數(shù)據(jù)I的定義域Ω內(nèi)，以兩條等間距、等半徑的圓圈為初始曲線C1和C2，把定義域Ω劃分為四個(gè)區(qū)域，分別將曲線C1和C2轉(zhuǎn)化成水平集方程Ct1和Φ2的形式，令X表示任意點(diǎn)(x，y)，用符號(hào)距離函數(shù)表示ー個(gè)點(diǎn)X的水平集方程Φ^Χ)和Φ2(Χ)為
權(quán)利要求
1.一種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法,其特征在于該方法的具體過程為 步驟I、提取待構(gòu)建模型的建筑物輪廓作為該建筑物輪廓掩膜Qm，同時(shí)根據(jù)相對(duì)應(yīng)的建筑物區(qū)域的地理坐標(biāo)選取DSM數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)配準(zhǔn)或人工配準(zhǔn)的方式，將建筑物輪廓掩膜Ωπ和DSM數(shù)據(jù)配入到統(tǒng)ー的坐標(biāo)系下； 步驟2、根據(jù)步驟I選取的建筑物輪廓掩膜Ωπ和DSM數(shù)據(jù)獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T ； 步驟3、根據(jù)步驟2獲得的建筑物頂面數(shù)據(jù)T獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間；步驟4、根據(jù)步驟3獲取的特征空間將建筑物區(qū)域進(jìn)行多相水平集分割，獲取子區(qū)域； 步驟5、根據(jù)多相水平集的定義分別提取步驟4獲得的每個(gè)子區(qū)域的點(diǎn)集，然后檢測(cè)建筑物每個(gè)片元的邊界點(diǎn)，獲取建筑物每個(gè)基元的角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)； 步驟6、根據(jù)步驟5獲得的建筑物角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，與步驟I中選取的DSM數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，建立建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 步驟7、根據(jù)步驟6獲取的建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的建筑物區(qū)域的航拍可見光圖像提取建筑物表面的紋理數(shù)據(jù)，與建筑物的不同基元相對(duì)應(yīng)，完成L0D2建筑物模型的構(gòu)建。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法,其特征在于所述步驟2中獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的方法為用建筑物輪廓掩膜Ωπ與配準(zhǔn)后的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘，然后用獲得的結(jié)果去除建筑物輪廓外點(diǎn)集，獲得建筑物的頂面數(shù)據(jù)Τ。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法,其特征在于所述步驟3中獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間的具體過程為對(duì)建筑物頂面數(shù)據(jù)T應(yīng)用Delaunay三角形剖分算法計(jì)算每ー個(gè)三角形的法向量，然后對(duì)所有法向量進(jìn)行歸ー化處理，將建筑物頂面數(shù)據(jù)T中的每ー個(gè)點(diǎn)Pi的法向量Ni用共用點(diǎn)Pi的相鄰三角形的法向量的平均值來表示，結(jié)果作為建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法,其特征在于所述步驟4中將建筑物區(qū)域進(jìn)行多相水平集分割的具體過程為 步驟4-1、在待分割數(shù)據(jù)I的定義域Ω內(nèi)，以兩條等間距、等半徑的圓圈為初始曲線C1和C2，把定義域Ω劃分為四個(gè)區(qū)域，分別將曲線C1和C2轉(zhuǎn)化成水平集方程Φ1和Φ2的形式，令X表不任意點(diǎn)(X，y)，用符號(hào)距離函數(shù)表不一個(gè)點(diǎn)X的水平集方程Φ“Χ)和Φ200為 OJT在封閉曲線C1上φλ(Χ) = \+D(X,Cx) JT在封閉曲線C1的外部-D(X,Cx) JT在封閉曲線C1的內(nèi)部 其中，D(X, C1)表示點(diǎn)X與曲線C1之間的Euclidean距離，OJT在封閉曲線C2上 ^2(X)= +D(X5C2) JT在封閉曲線C2的外部 -D(X,C2) JT在封閉曲線C2的內(nèi)部 其中，D(X, C2)表示點(diǎn)X與曲線C2之間的Euclidean距離； 步驟4-2、分別計(jì)算兩個(gè)水平集方程Φ“Χ)和Φ2(Χ)曲線的長度分量和面積分量，長度分量分別為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法，其特征在于所述步驟4-7中判斷能量泛函是否達(dá)到了最小值的依據(jù)為通過設(shè)定閾值或設(shè)定迭代次數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于水平集的L0D2建筑物模型構(gòu)建方法,其特征在于所述步驟5中獲取建筑物每個(gè)基元的角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)具體方法為步驟5-1、令水平集方程Ct1 = O，Φ2 = O，獲得建筑物頂面幾何結(jié)構(gòu)邊緣的ニ值圖；步驟5-2、對(duì)步驟5-1獲得的建筑物頂面幾何結(jié)構(gòu)邊緣ニ值圖應(yīng)用Harris算子檢測(cè)建筑物結(jié)構(gòu)姆個(gè)基元的角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，Harris算子為R = det (C) -ktr2 (C),其中
全文摘要
一種基于水平集的LOD2建筑物模型構(gòu)建方法，屬于應(yīng)用水平集算法對(duì)DSM數(shù)據(jù)的分割處理領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有的基于二維圖像的建筑物模型構(gòu)建方法中存在的頂面結(jié)構(gòu)不夠細(xì)致而導(dǎo)致構(gòu)建精度不高的問題。具體過程為提取建筑物輪廓掩膜Ωm，選取DSM數(shù)據(jù)，配入到統(tǒng)一坐標(biāo)系下；獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T；獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)T的特征空間；進(jìn)行多相水平集分割，獲取子區(qū)域；提取每個(gè)子區(qū)域的點(diǎn)集，檢測(cè)每個(gè)片元的邊界點(diǎn)，獲取建筑物每個(gè)基元的角點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；建立建筑物頂面數(shù)據(jù)T的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；根據(jù)航拍可見光圖像提取建筑物表面的紋理數(shù)據(jù)，與建筑物不同基元相對(duì)應(yīng)，完成LOD2建筑物模型的構(gòu)建。用于LOD2級(jí)別的大規(guī)模建筑物的三維構(gòu)建任務(wù)。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102663815SQ201210090628
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者張曄, 王春媛, 賈冰, 陳雨時(shí) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)