CN107545602A - 基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法 - Google Patents
基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法。它包括如下步骤：对目标区域的建筑物LiDAR点云进行点云分割处理和建筑物轮廓提取，得到建筑物的精确二维外轮廓以及建筑物屋顶几何基元的数学表达式；构建所述建筑物屋顶几何基元空间拓扑关系图；定义所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则；对每一个建筑物屋顶几何基元多面体进行三维布尔运算之后得到基元顶面半空间，根据建筑物精确二维外轮廓和高程信息得到完全包含建筑物实体模型的墙面及地面的半空间，将所述基元顶面半空间和所述墙面及地面的半空间进行三维布尔运算的求交运算，得到建筑物实体模型。具有降低建筑物模型的空间破碎程度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机载激光雷达技术领域，更具体地说它是基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法。
背景技术
LiDAR(Light Detection And Ranging)即激光探测与测量，是利用GPS(GlobalPosition System)和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量装置)机载激光扫描；其所测得的数据为数字表面模型(Digital Surface Model,DSM)的离散点表示，数据中含有空间三维信息和激光强度信息。应用分类(Classification)技术在这些原始数字表面模型中移除建筑物、人造物、覆盖植物等测点，即可获得数字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)，并同时得到地面覆盖物的高度。
现有的利用LiDAR点云数据与多源数据进行建筑物建模方法，主要分为点云分割处理、建筑物轮廓提取和建筑物模型生成几个步骤，其中，建筑物模型的生成是建筑物重建的核心步骤，其目的在于恢复建筑物屋顶的每一个面片的高度、形状、位置、方向，以及面片之间的关系，进而构成具有完整拓扑结构的建筑物实体模型。
目前，针对建筑物模型构型，主要有两种方法：其一是采用LiDAR建筑物点云中提取的阶跃边缘和屋脊线等线特征作为空间划分依据，基于BSP算法重建建筑物边界，进而重建建筑物模型；其二是基于“分割－合并－成型(Split-Merge-Shape)”算法重建建筑物模型，其中，分割－合并两步骤主要是重建建筑物结构线之间的拓扑关系，以完成封闭多边形；这两种方法在原理上具有一定的相似性，核心在于空间划分过程，空间划分结果的正确性直接决定了最终模型重建的效果；然而由于没有事先恢复面片之间的空间拓扑关系，空间划分存在一定的盲目性，容易造成破碎的细小空间，从而影响最终的建筑物重建结果的准确性。
申请号为201110218035.9，专利名称为《一种快速提取机载LiDAR数据中建筑物三维轮廓信息的方法》提出了一种快速提取机载LiDAR数据中建筑物三维轮廓信息的方法，申请号为201611248387.8，专利名称为《基于曲率从Lidar点云数据提取建筑物轮廓线的方法》提出了一种基于曲率从Lidar点云数据提取建筑物轮廓线的方法，但均未进一步给出如何根据该提取出的轮廓信息构建建筑物模型的方法。
专利申请号为201510465060.5，专利名称为《基于分类分层的机载Lidar点云建筑物顶面渐进提取方法》提出了一种基于分类分层的机载Lidar点云建筑物面渐进提取方法，也并未给出根据该提取出的建筑物面信息进行建筑物建模的方法。
现亟待一种重建准确、使得重建的建筑物模型能够有效保存建筑物细节特征的建筑物建模方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，在点云分割处理和建筑物轮廓提取后获取建筑物几何基元的基础上，将这些无组织的建模素材以一定的方法组合，进而构成建筑物模型，并使建筑物模型的空间破碎程度降至最低。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：对目标区域的建筑物LiDAR点云进行点云分割处理和建筑物轮廓提取，得到建筑物的精确二维外轮廓和高程信息以及建筑物屋顶几何基元的数学表达式；
步骤2：针对所述建筑物屋顶几何基元，提取相邻建筑物屋顶几何基元之间的邻接点对，计算分析邻接点对的空间连接关系，确定所述建筑物屋顶几何基元之间的空间连接关系；构建所述建筑物屋顶几何基元空间拓扑关系图；
步骤3：以所述建筑物屋顶几何基元的空间拓扑关系为约束，引入奈夫多面体(NefPolyhedron)，定义所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则，以所述建筑物屋顶几何基元为基本单位进行建筑物模型的构建；
对每一个建筑物屋顶几何基元多面体，在上述定义的三维布尔运算规则下，与所有与该建筑物屋顶几何基元多面体邻接的基元多面体进行三维布尔运算之后得到基元顶面半空间，同时根据步骤1中得到的建筑物精确二维外轮廓和高程信息得到完全包含建筑物实体模型的墙面及地面的半空间，将所述基元顶面半空间和所述墙面及地面的半空间进行三维布尔运算的求交运算，得到建筑物实体模型。
在上述技术方案中，步骤3中，所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则包括几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则、邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则、建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则。
在上述技术方案中，所述建筑物屋顶几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则为：
定义建筑物屋顶初始基元多面体
其中，为初始基元多面体，
half_space表示由超平面划分得到的半空间，
NA为表面f(x,y,z)在该几何基元重心处的逆法向量。
在上述技术方案中，邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则包括直接连接关系约束下的布尔运算规则、阶跃连接关系约束下的布尔运算规则和混合连接关系约束下的布尔运算规则。
在上述技术方案中，直接连接关系约束下的布尔运算规则为：
Direct(NefA,NefB)为直接连接关系约束下的布尔运算规则；
NefA、NefB分别表示两个几何基元A、B所构成的半空间；
MA和MB分别为A、B所包含的点云的重心；
阶跃连接关系约束下的布尔运算规则为：
假设half_A与half_B为由平面pA,B构成的两个互为补集的半空间，提取后得到A与B之间的二维边缘阶跃直线为：
lA,B(x,y)＝ax+by+c＝0
由lA,B(x,y)定义一个竖直的墙壁平面为：
pA,B(x,y,z)＝Ax+By+Cz+D＝0
其中A＝a；B＝b；D＝c；
Step(NefA,NefB)表示阶跃连接关系运算，
则NefA、NefB由经过阶跃连接关系约束后得到新的几何基元多面体分别为：
NefA *＝NefA∩half_A
NefB *＝NefB∩half_B
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)
混合连接关系约束下的布尔运算规则为：
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)。
在上述技术方案中，建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则为，
由建筑物墙面所形成的表面和由建筑物地基平面形成的表面共同定义一个向z轴正方向无限延伸的奈夫多面体Nef_boundary，令建筑物点云的最大高程值为zmax，以平面z＝zmax和法向量n(0,0,-1)所定义的半空间与Nef_boundary求交，得到待求建筑物模型的轮廓多面体Nef_boundary*，所述轮廓多面体完全包含了待求建筑物模型。
本发明具有如下优点：
(1)在点云分割处理和建筑物轮廓提取后获取建筑物几何基元的基础上，将这些无组织的建模素材以一定的方法组合，进而构成建筑物模型，并使建筑物模型的空间破碎程度降至最低；
(2)直接以三维的几何基元为基本单位进行建筑物模型的构建，使得重建的建筑物模型能够有效保存建筑物细节特征，尤其对于复杂建筑物的模型重建，具有显著的优势，重建准确，具有复杂屋顶结构的建筑物的重建效果较好，能正确反映建筑物的细节特征的优点；克服了现有技术普遍采用由二维特征匹配恢复三维特征的过程，缺乏对点云数据空间几何和拓扑信息描述能力的挖掘，空间划分存在一定的盲目性，容易造成破碎的细小空间，从而影响最终的建筑物重建结果的准确性的缺点。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为本发明实施例分割后的建筑物的精确二维外轮廓以及建筑物屋顶几何基元示意图。
图3为本发明实施例建筑物几何基元空间拓扑关系图，其中每个顶点代表对应的建筑物屋顶面片，连接两个顶点的各条边则代表了两个面片之间所存在的邻接关系，文字注明了其具体的关系类型，由顶点和边所组成的连通图则表达了整个建筑物的空间拓扑关系。
图4为本发明实施例重建后的建筑物模型立体结构示意图。
图5为本发明实施例同区域实物的影像图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图1可知：基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对目标区域的建筑物LiDAR点云进行点云分割处理和建筑物轮廓提取，得到建筑物的精确二维外轮廓和高程信息以及建筑物屋顶几何基元的数学表达式；
步骤2：针对所述建筑物屋顶几何基元，提取相邻建筑物屋顶几何基元之间的邻接点对，计算分析邻接点对的空间连接关系，确定所述建筑物屋顶几何基元之间的空间连接关系，判断建筑物屋顶几何基元之间的连接关系属于阶跃连接关系、直接连接关系、混合连接关系中的哪一类连接关系；构建所述建筑物屋顶几何基元空间拓扑关系图，将建筑物屋顶的拓扑关系用一个无向图表示，其中，所有的建筑物屋顶几何基元均视为图的顶点，对于每一对邻接关系都用图的一条边进行表示，具体的连接关系则作为每条边的属性存储在图中，最终得到建筑物屋顶的拓扑关系图；
步骤3：以所述建筑物屋顶几何基元的空间拓扑关系为约束，引入NefPolyhedron，定义所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则，结合每一个建筑物屋顶几何基元与其他构成建筑物模型的基础要素之间的空间约束关系，依据建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则对几何基元进行运算，以所述建筑物屋顶几何基元为基本单位进行建筑物模型的构建；
对每一个建筑物屋顶几何基元多面体，在上述定义的三维布尔运算规则下，与所有与该建筑物屋顶几何基元多面体邻接的基元多面体进行三维布尔运算之后得到基元顶面半空间，同时根据步骤1中得到的建筑物精确二维外轮廓和高程信息得到完全包含建筑物实体模型的墙面及地面的半空间，将所述基元顶面半空间和所述墙面及地面的半空间进行三维布尔运算的求交运算，得到建筑物实体模型。
步骤3中，所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则包括几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则、邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则、建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则。
建筑物屋顶几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则为：
定义建筑物屋顶初始基元多面体
其中，为初始基元多面体，
half_space表示由超平面划分得到的半空间，
NA为表面f(x,y,z)在该几何基元重心处的逆法向量。
邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则包括直接连接关系约束下的布尔运算规则、阶跃连接关系约束下的布尔运算规则和混合连接关系约束下的布尔运算规则。
直接连接关系约束下的布尔运算规则为：
Direct(NefA,NefB)为直接连接关系约束下的布尔运算规则；
NefA、NefB分别表示两个几何基元A、B所构成的半空间；
MA和MB分别为A、B所包含的点云的重心；
阶跃连接关系约束下的布尔运算规则为：
假设half_A与half_B为由平面pA,B构成的两个互为补集的半空间，提取后得到A与B之间的二维边缘阶跃直线为：
lA,B(x,y)＝ax+by+c＝0
由lA,B(x,y)定义一个竖直的墙壁平面为：
pA,B(x,y,z)＝Ax+By+Cz+D＝0
其中A＝a；B＝b；D＝c；
Step(NefA,NefB)表示阶跃连接关系运算，
则NefA、NefB由经过阶跃连接关系约束后得到新的几何基元多面体分别为：
NefA *＝NefA∩half_A
NefB *＝NefB∩half_B
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)
混合连接关系约束下的布尔运算规则为：
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)。
建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则为，
由建筑物墙面所形成的表面和由建筑物地基平面形成的表面共同定义一个向z轴正方向无限延伸的奈夫多面体Nef_boundary，令建筑物点云的最大高程值为zmax，以平面z＝zmax和法向量n(0,0,-1)所定义的半空间与Nef_boundary求交，得到待求建筑物模型的轮廓多面体Nef_boundary*，所述轮廓多面体完全包含了待求建筑物模型。
实施例
现以某地某建筑物基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建模方法为实施例进行说明，对基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的其他建筑物建模方法同样具有指导作用。
步骤1：对目标区域的建筑物LiDAR点云进行点云分割处理和建筑物轮廓提取，得到建筑物的精确二维外轮廓和高程信息以及建筑物屋顶几何基元(如图2所示)；
步骤2：针对所述建筑物屋顶几何基元，提取相邻建筑物屋顶几何基元之间的邻接点对；计算分析邻接点对的空间连接关系，确定所述建筑物屋顶几何基元之间的空间连接关系，判断建筑物屋顶几何基元之间的连接关系属于阶跃连接关系、直接连接关系、混合连接关系中的哪一类；构建所述建筑物屋顶几何基元空间拓扑关系图，将建筑物屋顶的拓扑关系用一个无向图表示，其中，所有的建筑物屋顶几何基元均视为图的顶点，对于每一对邻接关系都用图的一条边进行表示，具体的连接关系则作为每条边的属性存储在图中，最终得到建筑物屋顶的拓扑关系图(如图3所示)；
步骤3：以所述建筑物屋顶几何基元的空间拓扑关系为约束，引入NefPolyhedron，定义所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则，以所述建筑物屋顶几何基元为基本单位进行建筑物模型的构建；结合每一个建筑物屋顶几何基元与其他构成建筑物模型的基础要素之间的空间约束关系，依据以下运算规则对建筑物屋顶几何基元进行运算：
(1)建筑物屋顶几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则为：
定义建筑物屋顶初始基元多面体
其中，为初始基元多面体，
half_space表示由超平面划分得到的半空间，
NA为表面f(x,y,z)在该几何基元重心处的逆法向量；
(2)邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则
包括直接连接关系约束下的布尔运算规则、阶跃连接关系约束下的布尔运算规则和混合连接关系约束下的布尔运算规则，
a直接连接关系约束下的布尔运算规则为：
Direct(NefA,NefB)为直接连接关系约束下的布尔运算规则；
NefA、NefB分别表示两个几何基元A、B所构成的半空间；
MA和MB分别为A、B所包含的点云的重心；
b阶跃连接关系约束下的布尔运算规则为：
假设half_A与half_B为由平面pA,B构成的两个互为补集的半空间，提取后得到A与B之间的二维边缘阶跃直线为：
lA,B(x,y)＝ax+by+c＝0
由lA,B(x,y)定义一个竖直的墙壁平面为：
pA,B(x,y,z)＝Ax+By+Cz+D＝0
其中A＝a；B＝b；D＝c；
Step(NefA,NefB)表示阶跃连接关系运算，
则NefA、NefB由经过阶跃连接关系约束后得到新的几何基元多面体分别为：
NefA *＝NefA∩half_A
NefB *＝NefB∩half_B
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)
c混合连接关系约束下的布尔运算规则为：
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)
(3)建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则为：
由建筑物墙面所形成的表面和由建筑物地基平面形成的表面共同定义一个向z轴正方向无限延伸的奈夫多面体Nef_boundary：令建筑物点云的最大高程值为zmax，以平面z＝zmax和法向量n(0,0,-1)所定义的半空间与Nef_boundary求交，得到待求建筑物模型的轮廓多面体Nef_boundary*，所述轮廓多面体完全包含了待求建筑物模型。
对每一个建筑物屋顶几何基元多面体，在上述定义的三维布尔运算规则下，与所有与该建筑物屋顶几何基元多面体邻接的基元多面体进行三维布尔运算之后得到基元顶面半空间，同时根据步骤1中得到的建筑物精确二维外轮廓和高程信息得到完全包含建筑物实体模型的墙面及地面的半空间，将所述基元顶面半空间和所述墙面及地面的半空间进行三维布尔运算的求交运算，得到建筑物实体模型；重建后的建筑物实体模型如图4所示；通过对同区域实物的影像(如图5所示)进行比较可以看出，所有建筑物整体结构重建准确，本发明具有复杂屋顶结构的建筑物的重建效果较好、且能正确地反映建筑物的细节特征的优点。
其它未说明的部分均属于现有技术。
Claims (6)
1.基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：对目标区域的建筑物LiDAR点云进行点云分割处理和建筑物轮廓提取，得到建筑物的精确二维外轮廓和高程信息以及建筑物屋顶几何基元的数学表达式；
步骤2：针对所述建筑物屋顶几何基元，提取相邻建筑物屋顶几何基元之间的邻接点对，计算分析邻接点对的空间连接关系，确定所述建筑物屋顶几何基元之间的空间连接关系，构建所述建筑物屋顶几何基元空间拓扑关系图；
步骤3：以所述建筑物屋顶几何基元的空间拓扑关系为约束，引入奈夫多面体，定义所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则，以所述建筑物屋顶几何基元为基本单位进行建筑物模型的构建；
对每一个建筑物屋顶几何基元多面体，在上述定义的三维布尔运算规则下，与所有与该建筑物屋顶几何基元多面体邻接的基元多面体进行三维布尔运算之后得到基元顶面半空间，同时根据步骤1中得到的建筑物精确二维外轮廓和高程信息得到完全包含建筑物实体模型的墙面及地面的半空间，将所述基元顶面半空间和所述墙面及地面的半空间进行三维布尔运算的求交运算，得到建筑物实体模型。
2.根据权利要求1所述的基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：步骤3中，所述建筑物屋顶几何基元间的三维布尔运算规则包括几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则、邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则、建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则。
3.根据权利要求2所述的基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：建筑物屋顶几何基元自身曲面约束下的三维布尔运算规则为：定义建筑物屋顶初始基元多面体：
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其中，为初始基元多面体
half_space表示由超平面划分得到的半空间，
NA为表面f(x,y,z)在该几何基元重心处的逆法向量。
4.根据权利要求2所述的基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：邻接几何基元约束下的三维布尔运算规则包括直接连接关系约束下的布尔运算规则、阶跃连接关系约束下的布尔运算规则和混合连接关系约束下的布尔运算规则。
5.根据权利要求4所述的基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：直接连接关系约束下的布尔运算规则为：
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Direct(NefA,NefB)为直接连接关系约束下的布尔运算规则；
NefA、NefB分别表示两个几何基元A、B所构成的半空间；
MA和MB分别为A、B所包含的点云的重心；
阶跃连接关系约束下的布尔运算规则为：
假设half_A与half_B为由平面pA,B构成的两个互为补集的半空间，提取后得到A与B之间的二维边缘阶跃直线为：
lA,B(x,y)＝ax+by+c＝0
由lA,B(x,y)定义一个竖直的墙壁平面为：
pA,B(x,y,z)＝Ax+By+Cz+D＝0
其中A＝a；B＝b；D＝c；
Step(NefA,NefB)表示阶跃连接关系运算，
则NefA、NefB由经过阶跃连接关系约束后得到新的几何基元多面体分别为：
NefA *＝NefA∩half_A
NefB *＝NefB∩half_B
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)
混合连接关系约束下的布尔运算规则为：
Step(NefA,NefB)＝NefA *∩NefB *＝(NefA∩half_A)∪(NefB∩half_B)。
6.根据权利要求2所述的基于LiDAR点云的空间拓扑关系约束下的建筑物建模方法，其特征在于：建筑物外部表面约束下的三维布尔运算规则为，
由建筑物墙面所形成的表面和由建筑物地基平面形成的表面共同定义一个向z轴正方向无限延伸的奈夫多面体Nef_boundary，令建筑物点云的最大高程值为zmax，以平面z＝zmax和法向量n(0,0,-1)所定义的半空间与Nef_boundary求交，得到待求建筑物模型的轮廓多面体Nef_boundary*，所述轮廓多面体完全包含了待求建筑物模型。
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