基于无人机倾斜摄影场景建模的建筑物单体化方法

摘要

“数字城市”和“智慧城市”的建设已成为城市运行管理的必然，其基础是城市场景三维模型，也是城市三维GIS的主要内容。因此，针对大规模城市场景而言，如何快速、高效地构建其三维模型，是测绘地理信息领域的挑战。当今，快速发展的倾斜摄影测量技术为城市场景模型的构建提供了一种新的技术途径。建筑物是城市场景中最重要的对象，然而倾斜摄影测量技术得到的场景模型是一个整体，能良好地满足视觉上的观感，但不能实现计算机对目标对象的识别、属性的赋予且不利于后期的GIS应用。因此，还需要实现目标的语义分割，尤其是建筑物的单体化建模。目前建筑物单体化建模大多是采用在整体模型上交互描绘、编辑的方法，显然其工作量大、效率低，难以满足大规模城市快速、高效建模的需求。
　　基于上述的问题和挑战，本文以自动生成的三维场景模型为基础，以场景整体三维模型中建筑物模型自动提取与单体化为目标，开展了相关的研究，其主要内容如下:
　　(1)基于影像特征的建筑物提取及其三维模型的粗略分割
　　对场景数字正射影像(DOM)中建筑物的几何、纹理特征进行了详细地分析。在此基础上，提出对建筑物进行粗略定位的方法，对场景DOM进行处理获取并筛选出建筑物的轮廓，然后对建筑物轮廓生成最小规则外包矩形。基于此，获取外包矩形顶点的图像坐标并转换成地理空间坐标，然后将外包矩形作为地理位置的约束区域，对三维场景模型进行初步分割，得到建筑物粗略的单体模型。
　　(2)基于几何特征的建筑物单体模型的净化处理
　　通过对三维场景模型中建筑物模型的整体和局部的几何特征进行分析，提出利用三角面片几何特征筛选保留建筑物三角面片的方法。利用三角面片的法向量表示三角面片的方向，结合参考方向对面片方向进行分类;构建三角面片拓扑邻接关系;利用三角面片的法向量结合面片之间的拓扑关系，设计3种模式由简单到复杂地描述中心三角面片所处区域的粗糙度。基于粗糙度准则、面片类别和面片的高度这3种几何特征对模型三角面片进行筛选，保留符合建筑物特征的三角面片;将保留的三角面片采用邻接面片生长的方法重新构建整体，依据建筑物整体特征筛选保留属于建筑物模型的整体，从而获得比较纯净的建筑物单体模型。
　　(3)建筑物单体模型数据的组织
　　为了便于单体模型数据后期的保存、管理、修复、应用等，采用单个文件表达单个模型的思路，在建筑物模型整体筛选保留后，提出双集合并行索引的方法，对单体模型数据进行准确的调整和组织，实现建筑物单体化模型数据的表达。
　　(4)基于三维场景模型的建筑物单体化建模原型系统的设计开发
　　在实现以上内容的基础上，设计开发基于三维场景模型的建筑物单体化建模原型系统，该系统能完成场景DOM中建筑物轮廓的识别与定位，能完成基于建筑物轮廓的位置信息对三维场景模型进行分割得到建筑物或类似建筑物的粗略模型，能完成依据三维空间中建筑物的几何特征对粗略单体模型进行净化处理得到较为理想的建筑物单体模型，并采用单个文件将建筑物单体模型数据进行组织。

目录

论文说明

声明

摘要

图目录

表目录

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状分析

1．2．1交互式建筑物单体化建模

1．2．2基于LiDAR数据的场景建模

1．2．3基于多角度倾斜摄影的场景三维建模

1．2．4基于影像的建筑物单体化建模

1．2．5高分辨率影像中建筑物的提取

1．2．6城市三维建模方法存在的问题及分析

1．3研究目标、内容与技术路线

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

1．3．3研究技术路线

1．4论文结构与内容安排

第2章基于无人机倾斜摄影的三维场景建模

2．1无人机倾斜航空摄影

2．2基于倾斜摄影的场景三维建模的一般过程

2．3基于无人机倾斜摄影的三维场景构建实例

2．3．1原始数据的处理

2．3．2建筑物三维模型单体化实验的数据基础及其分析

2．4本章小结

第3章基于影像特征的建筑物轮廓分割与三维模型提取

3．1高分辨率影像E建筑物特征分析

3．2基于Canny算子的建筑物边缘特征检测

3．3建筑物轮廓检测和外包矩形生成

3．3．1建筑物轮廓提取

3．3．2轮廓外包矩形的生成与顶点坐标的获取

3．4建筑物三维模型的粗略分割

3．4．1数据的读取与组织

3．4．2约束区域内三角面片的提取

3．5实验结果与分析

3．6本章小结

第4章基于几何特征的建筑物单体模型净化处理

4．1三维空间中建筑物几何特征分析

4．2三角面片法向量、高程的计算及拓扑关系的建立

4．2．1三角面片单位法向量和高程的计算

4．2．2面片邻接拓扑关系的建立

4．3建筑物三角面片的判别与提取

4．3．1三角面片的方向分组与分类

4．3．2非地面三角面片的提取

4．3．3局部区域三角面片粗糙度的度量

4．4净化处理后建筑物单体模型的生成

4．4．1三维空间中粗略单体模型的净化处理

4．4．2独立整体面组的构建

4．5建筑物单体模型数据的组织与表达

4．5．1三维单体模形数据文件的组织

4．5．2三维单体模型数据整理

4．6实验结果与分析

4．7本章小结

第5章基于三维场景模型的建筑物单体化建模原型系统

5．1系统的整体设计

5．2系统的开发与运行实仞

5．2．1系统的开发

5．2．2系统的运行实例

5．3本章小结

第6章总结与展望

6．1主要研究总结

6．2主要创新点

6．3研究展望

参考文献

致谢

在读期间学术论文及研究成果