一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法

摘要

本发明公开了一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法，所述方法包括：获取立面平面基元的标准法向量；获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息与预设的语义约束关系确定平面基元之间的拓扑关系；以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，根据所述平面基元之间的拓扑关系，按照自下而上的顺序恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。本发明从立面平面基元开始，按照自下而上的顺序，依次调整建筑物平面基元之间的拓扑关系，使平面基元间拓扑结构恢复至规则拓扑结构，解决了现有技术中难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及地理信息系统技术领域，尤其涉及的是一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法。

背景技术

现有技术中已经存在获取建筑物的平面基元的拓扑关系的技术方案，例如为了建立每个屋顶平面的拓扑关系，可以利用平面延伸交叉得到屋脊线，然后利用线特征信息监测到相邻平面来保持屋顶拓扑关系。此外，还可以利用屋顶-屋顶规则、屋顶-边界线规则以及边界线-边界线规则的全局规则特征，为建筑物模型提供相对灵活的全局知识，并适用于较为复杂的建筑物，生成高质量建筑物模型。然而，在实际应用中，现有技术由于受点云噪声和离群点影响，难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱问题。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法，旨在解决现有技术中难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱的问题。

本发明解决问题所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法，其中，所述方法包括：

获取立面平面基元的标准法向量；

获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息与预设的语义约束关系确定平面基元之间的拓扑关系；

以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，根据所述平面基元之间的拓扑关系，按照自下而上的顺序恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。

在一种实施方式中，所述获取立面平面基元的标准法向量包括：

获取平面基元的属性信息，所述属性信息包括所述平面基元的尺寸信息、方向信息以及拓扑信息；

根据所述平面基元的属性信息确定所述平面基元的类别信息，所述类别信息包括立面信息或者非立面信息；

将类别信息为立面信息的平面基元作为立面平面基元；

获取所述立面平面基元的法向量，将所述立面平面基元的法向量调整至水平状态，将调整后得到的法向量作为所述立面平面基元的标准法向量。

在一种实施方式中，所述获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息与预设的语义约束关系确定平面基元之间的拓扑关系包括：

获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息确定每一个平面基元对应的邻接平面基元；

获取所述平面基元以及所述邻接平面基元的法向量；

根据所述平面基元、所述邻接平面基元的法向量以及预设的语义约束关系确定所述平面基元以及所述邻接平面基元之间的拓扑关系，直至得到所有平面基元之间的拓扑关系。

在一种实施方式中，所述获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息确定每一个平面基元对应的邻接平面基元包括：

获取所有平面基元的边界信息，

根据所有平面基元的边界信息计算平面基元之间的边界点的最小差异值；

将所述边界点的最小差异值小于预设距离阈值的平面基元确定为邻接关系，以实现确定每一个平面基元对应的邻接平面基元。

在一种实施方式中，所述根据所述平面基元、所述邻接平面基元的法向量以及预设的语义约束关系确定所述平面基元以及所述邻接平面基元之间的拓扑关系，直至得到所有平面基元之间的拓扑关系：

当所述平面基元的法向量与所述邻接平面基元的法向量的点乘值小于第一点乘阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为垂直关系；

将所述平面基元的法向量与坐标轴竖轴的方向的点乘值作为第一点乘值，将所述邻接平面基元的法向量与坐标轴竖轴的方向的点乘值作为第二点乘值，当所述第一点乘值与所述第二点乘值的差值的绝对值小于预设差距阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为对称关系。

在一种实施方式中，所述根据所述平面基元、所述邻接平面基元的法向量以及预设的语义约束关系确定所述平面基元以及所述邻接平面基元之间的拓扑关系，直至得到所有平面基元之间的拓扑关系还包括：

当所述平面基元的法向量与所述邻接平面基元的法向量的点乘值小于第二点乘阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为相邻平行关系；

获取所述平面基元和所述邻接平面基元的中心点数据，并获取基于所述中心点数据生成的连线的方向，将基于所述中心点数据生成的连线的方向分别与所述平面基元的法向量、所述邻接平面基元的法向量方向进行点乘操作，得到第三点乘值和第四点乘值，当所述第三点乘值与所述第四点乘值均小于所述第一点乘阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为共面关系。

在一种实施方式中，所述以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，根据所述平面基元之间的拓扑关系，按照自下而上的顺序恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系包括：

以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，按照自下而上的顺序执行建筑物平面基元之间的规则拓扑关系的恢复操作；

将已经恢复规则拓扑关系的平面基元作为标准平面基元；所述标准平面基元包括所有含有标准法向量的立面平面基元；

将未恢复规则拓扑关系的平面基元作为待调整平面基元；

根据所述平面基元之间的拓扑关系，通过所述标准平面基元对所述待调整平面基元进行重新定向操作或者重新定位操作；

基于所述重新定向操作和/或所述重新定位操作恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。

在一种实施方式中，所述根据所述平面基元之间的拓扑关系，通过所述标准平面基元对所述待调整平面基元进行重新定向操作或者重新定位操作包括：

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为垂直关系或者对称关系或者平行关系时，根据所述标准平面基元的法向量的方向对所述待调整平面基元的法向量的方向进行重新定向操作；

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为共面关系时，根据所述标准平面基元的法向量的方向对所述待调整平面基元进行重新定位操作。

在一种实施方式中，所述当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为垂直关系或者对称关系或者平行关系时，根据所述标准平面基元的法向量的方向对所述待调整平面基元的法向量的方向进行重新定向操作包括：

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为垂直关系时，将所述待调整平面基元的法向量的方向调整至与所述标准平面基元的法向量的方向之间的夹角值为90°；

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为对称关系时，将所述待调整平面基元的法向量的方向调整至与坐标轴竖轴的方向之间的夹角值之差为0°；

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为平行关系时，将所述待调整平面基元的法向量的方向调整至与所述标准平面基元的法向量的方向的夹角值为0°。

在一种实施方式中，所述当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为共面关系时，根据所述标准平面基元的法向量的方向对所述待调整平面基元进行重新定位操作包括：

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为共面关系时，将所述待调整平面基元沿自身的法向量的方向进行平移操作，使所述待调整平面基元的中心与所述标准平面基元的中心的连线方向分别与所述待调整平面基元、所述标准平面基元的法向量的方向的夹角值为90°。

本发明的有益效果：本发明实施例通过预设的语义约束关系强制垂直建筑物立面平面基元，并参照立面平面基元调整其他平面方向恢复其他建筑物平面基元的规则拓扑关系。本发明从立面平面基元开始，按照自下而上的顺序，依次调整建筑物平面基元之间的拓扑关系，使平面基元间拓扑结构恢复至规则拓扑结构，解决了现有技术中难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

建筑物场景通常包含大量的平面，每一个平面即为一个平面基元。根据平面基元之间的相对位置关系，可以得到建筑物完整的平面基元的拓扑关系，这是实现结构分类与密闭三维几何体构建的基础。

现有技术中已经存在获取建筑物的平面基元的拓扑关系的技术方案，例如为了建立每个屋顶平面的拓扑关系，可以利用平面延伸交叉得到屋脊线，然后利用线特征信息监测到相邻平面来保持屋顶拓扑关系，虽然生成了具有屋脊线的闭合三维模型，但是仍需要后续手动消除建筑物模型中可能存在的虚影。此外，对于复杂的建筑物屋顶结构，通过简单地使用平面基元与其相邻平面基元之间的交叉，不容易提取内部结构线。与这类局部相邻平面基元特征不同是，利用屋顶-屋顶规则、屋顶-边界线规则以及边界线-边界线规则的全局规则特征，可以为建筑物模型提供相对灵活的全局知识，并适用于较为复杂的建筑物，生成高质量建筑物模型。然而，在实际应用中，现有技术由于受点云噪声和离群点影响，难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱的问题。

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法，通过首先调整平面基元中立面平面基元的法向量方向，并通过预设的语义约束关系检测平面基元之间的拓扑关系，然后以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，根据所述平面基元之间的拓扑关系，按照自下而上的顺序恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。本发明从立面平面基元开始，按照自下而上的顺序，依次调整建筑物平面基元之间的拓扑关系，使平面基元间拓扑结构恢复至规则拓扑结构，解决了现有技术中难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱的问题。

如图1所示，本实施例提供一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S100、获取立面平面基元的标准法向量。

由于本实施例需要从立面平面基元开始对所有建筑物平面基元的方位进行调整，因此作为调整基础的立面平面基元的法向量必须是标准法向量，才能避免在对建筑物平面基元进行调整时，从带有误差的平面基元开始，以致造成误差不断地累积。

在一种实现方式中，所述步骤S100包括如下步骤：

步骤S110、获取平面基元的属性信息，所述属性信息包括所述平面基元的尺寸信息、方向信息以及拓扑信息；

步骤S120、根据所述平面基元的属性信息确定所述平面基元的类别信息，所述类别信息包括立面信息或者非立面信息；

步骤S130、当所述平面基元的类别信息为立面信息时，将所述平面基元作为立面平面基元；

步骤S140、获取所述立面平面基元的标准法向量，将所述立面平面基元的标准法向量调整至水平状态，将调整后得到的法向量作为所述立面平面基元的标准法向量。

简单来说，本实施例中提取到的建筑物平面基元都具有其自身的属性信息，其中平面基元可以分为立面平面基元、地面平面基元以及屋顶平面基元，而建筑物平面基元的属性信息是基于多种先验语义信息得到的，所述属性信息包括平面基元的尺寸信息、方向信息以及拓扑信息。在一种实现方式中，所述先验语义信息具体为：1.平面基元的尺寸信息，即平面基元的长度、宽度和面积等信息，通常具有较大的面积，可以明显地与噪声或建筑物旁边植被的提取平面基元进行区分。2.平面基元的方向信息，即平面基元的法向量的方向，例如当所述平面基元为立面平面基元的时候，所述立面平面基元的法向量的方向通常与坐标轴竖轴（Z轴）近似垂直，而地面平面基元的方向通常与坐标轴竖轴近似平行。3.平面基元的拓扑信息，所述拓扑关系具体为：立面平面基元与地面平面基元存在相交关系，立面平面基元与屋顶平面基元存在相交关系，以及地面平面基元与屋顶平面基元存在相离关系。在一种实现方式中，可以将所述先验语义知识归结抽象为下述公式：

其中S

如图1所示，所述方法还包括如下步骤：

步骤S200、获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息与预设的语义约束关系确定平面基元之间的拓扑关系。

具体地，为了恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系，首先要检测当前建筑物平面基元之间的基本拓扑关系，才能清楚后续应该如何对各平面基元进行调整。因此本实施例还需要获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息与预设的语义约束关系确定平面基元之间的拓扑关系。其中平面基元的边界信息可以通过对建筑物进行点云提取后得到的数据获得。

在一种实现方式中，所述步骤S200具体包括如下步骤：

步骤S210、获取所有平面基元的边界信息，根据所有平面基元的边界信息确定每一个平面基元对应的邻接平面基元；

步骤S220、获取所述平面基元以及所述邻接平面基元的法向量；

步骤S230、根据所述平面基元、所述邻接平面基元的法向量以及预设的语义约束关系确定所述平面基元以及所述邻接平面基元之间的拓扑关系，直至得到所有平面基元之间的拓扑关系。

简单来说，对于每个平面基元(

然后获取该平面基元以及其相邻的邻接平面基元的法向量，针对每个平面基元与其邻接平面基元的法向量的关系，本实施例预先设定了语义约束关系，通过比较每个平面基元与其邻接平面基元的法向量满足何种语义约束关系可以确定每个平面基元与其邻接平面基元之间的拓扑关系，进而得到所有平面基元之间的拓扑关系。

在一种实现方式中，所述语义约束关系可以分为以下四类：

垂直关系：当所述平面基元的法向量与所述邻接平面基元的法向量的点乘值小于第一点乘阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为垂直关系。

举例说明，关于垂直关系（So），若两个平面基元i和j满足垂直关系，则它们的法向 量（n

对称关系：将所述平面基元的法向量与坐标轴竖轴的方向的点乘值作为第一点乘值，将所述邻接平面基元的法向量与坐标轴竖轴的方向的点乘值作为第二点乘值，当所述第一点乘值与所述第二点乘值的差值的绝对值小于预设差距阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为对称关系。

举例说明，关于对称关系（Ss）。若两个平面基元i和j与垂直平面镜像对称，则它们 的法向量（n

相邻平行关系：当所述平面基元的法向量与所述邻接平面基元的法向量的点乘值小于第二点乘阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为相邻平行关系。

举例说明，关于相邻平行关系(Sp)。若两个平面基元i和j相互邻近且平行，则它们 边界点的最小差异值（

共面关系：获取所述平面基元和所述邻接平面基元的中心点数据，并获取基于所述中心点数据生成的连线的方向，将基于所述中心点数据生成的连线的方向分别与所述平面基元的法向量、所述邻接平面基元的法向量方向进行点乘操作，得到第三点乘值和第四点乘值，当所述第三点乘值与所述第四点乘值均小于所述第一点乘阈值时，确定所述平面基元与所述邻接平面基元之间的拓扑关系为共面关系。

举例说明，关于共面关系(Sc)，若两个平面基元i和j共面，它们的中心点（C

获取到当前建筑物平面基元之间的拓扑关系以后，为了将其恢复至规则拓扑关系，如图1所示，所述方法还包括如下步骤：

步骤S300、以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，根据所述平面基元之间的拓扑关系，按照自下而上的顺序恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。

由于在建筑物平面基元提取过程中采用的是拟合平面提取，所以当前建筑物平面基元之间的拓扑关系存在少许偏差。因此还需要对部分平面基元的方位进行调整，这个调整的过程即相当于恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。具体地，本实施例以立面平面基元的标准法向量为基础，按照自下而上的顺序，对当前平面基元之间的拓扑关系进行调整，使其恢复至规则的拓扑关系。

在一种实现方式中，所述步骤S300具体包括如下步骤：

步骤S310、以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，按照自下而上的顺序执行建筑物平面基元之间的规则拓扑关系的恢复操作；

步骤S320、将已经恢复规则拓扑关系的平面基元作为标准平面基元；所述标准平面基元包括所有含有标准法向量的立面平面基元；

步骤S330、将未恢复规则拓扑关系的平面基元作为待调整平面基元；

步骤S340、根据所述平面基元之间的拓扑关系，通过所述标准平面基元对所述待调整平面基元进行重新定向操作或者重新定位操作；

步骤S350、基于所述重新定向操作和/或所述重新定位操作恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。

具体地，本实施例首先以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，按照自下而上的顺序执行建筑物平面基元之间的规则拓扑关系的恢复操作，在执行恢复操作的过程中，将已经恢复规则拓扑关系的平面基元作为标准平面基元，可以理解的是含有标准法向量的立面平面基元属于标准平面基元，并将未恢复规则拓扑关系的平面基元作为待调整平面基元。不断地通过已经完成调整的标准平面基元对未进行调整的待调整平面基元的方位进行调整，调整方式包括重新定位操作以及重新定向操作，从而使得其当前平面基元之间的拓扑关系规则化。

在一种实现方式中，当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为垂直关系或者对称关系或者平行关系时，根据所述标准平面基元的法向量的方向对所述待调整平面基元的法向量的方向进行重新定向操作。具体地，当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为垂直关系时，将所述待调整平面基元的法向量的方向调整至与所述标准平面基元的法向量的方向之间的夹角值为90°（相当于两者的点乘值为0），公式为：

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为对称关系时，将所述待调整平面基元的法向量的方向调整至与坐标轴竖轴的方向之间的夹角值之差为0°，公式为：

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为平行关系时，将所述待调整平面基元的法向量的方向调整至与所述标准平面基元的法向量的方向的夹角值为0°（相当于两者的点乘值为1），公式为：

当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为共面关系时，根据所述标准平面基元的法向量的方向对所述待调整平面基元进行重新定位操作。具体地，当所述标准平面基元与所述待调整平面基元之间的拓扑关系为共面关系时，将所述待调整平面基元沿自身的法向量的方向进行平移操作，使所述待调整平面基元的中心与所述标准平面基元的中心的连线方向分别与所述待调整平面基元、所述标准平面基元的法向量的方向的夹角值为90°（相当于两者的点乘值为0），公式为：

最后对所有需要调整的平面基元完成重新定向操作或所述重新定位操作以后，即可恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。

综上所述，本发明公开了一种语义约束的平面基元拓扑关系规则检测与恢复方法，通过首先调整平面基元中立面平面基元的法向量方向，并通过预设的语义约束关系检测平面基元之间的拓扑关系，然后以所述立面平面基元的标准法向量为基础，并从所述立面平面基元开始，根据所述平面基元之间的拓扑关系，按照自下而上的顺序恢复建筑物平面基元之间的规则拓扑关系。本发明从立面平面基元开始，按照自下而上的顺序，依次调整建筑物平面基元之间的拓扑关系，使平面基元间拓扑结构恢复至规则拓扑结构，解决了现有技术中难以精准获取平面基元主方向，容易造成平面基元间拓扑结构错乱的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。