CN107967713A - 基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法和系统，属于三维建模技术领域。本发明实施例提供的城市信息模型构建方法和系统，不仅支持激光扫描点云数据，也支持倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据,降低了数据采集成本；以DTM或者DEM数据为地面参考数据，使建筑具有准确的地面高程信息，避免了仅依靠点云数据时无法判断被遮挡区域的地面高程的问题；以DLG或建筑轮廓矢量数据作为建筑精确的轮廓约束，计算效果优于直接通过点云计算建筑外形轮廓，并且无需复杂的从点云计算建筑轮廓的过程，大幅度地提高了构建建筑物三维模型的效率。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模技术领域，具体而言，涉及一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法和系统。
背景技术
随着智慧城市与智慧测绘的发展，城市大规模三维模型建模需求不断上升，随着技术的发展与客户需求的数据质量要求不断提高，倾斜摄影测量方式获取的数据精度无法满足高精度建模要求，而传统的手工建模的方式在效率上又存在重大瓶颈。
为了解决这一问题，市场上出现了利用点云数据来进行大规模城市三维模型构建。大多数利用激光点云进行建模的方案为：获取激光点云数据；对点云数据进行地面点与非地面点的分离或者提取建筑的点云数据到独立的层；优化各种算法从建筑的点云数据提取建筑的轮廓，进而完成三维建模。
实际项目中，现有的点云数据处理方案存在一个矛盾问题：数据量与处理质量。激光点云扫描精度与点云的数据量成正相关关系，若要获得高质量的建筑轮廓，就需要超高精度的激光点云数据，而高精度、高密度的点云会造成数据量的激增与处理效率的下降。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法、和系统，可以提高构建建筑物三维模型的效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法，包括：
根据预先获取的空间点云数据，提取建筑物的轮廓信息；所述空间点云数据为激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据；
根据预先获取的DEM数据或DTM数据，确定建筑物所在的地面高程；
根据所述轮廓信息和所述地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型；
采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述采用预先获取的建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束的步骤，包括：
将所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合
，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处；
根据所述建筑矢量轮廓调整所述初步轮廓模型。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，将所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处的步骤，包括：
以所述建筑矢量轮廓的矢量轮廓线所在位置的纵向延伸为边界，通过拓扑判断，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型的步骤之后，所述方法还包括：
从预先获取的DOM数据或TDOM数据中提取特征信息；
根据所述特征信息，对所述建筑物三维模型进行修正。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建系统，包括：
轮廓信息提取模块，用于根据预先获取的空间点云数据，提取建筑物的轮廓信息；所述空间点云数据为激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据；
地面高程确定模块，用于根据预先获取的DEM数据或DTM数据，确定建筑物所在的地面高程；
初步模型生成模块，用于根据所述轮廓信息和所述地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型；
三维模型生成模块，用于采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述初步模型生成模块，还用于：
将所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合
，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处；
根据所述建筑矢量轮廓调整所述初步轮廓模型。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述初步模型生成模块，还用于：
以所述建筑矢量轮廓的矢量轮廓线所在位置的纵向延伸为边界，通过拓扑判断，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述系统还包括：
三维模型修正模块，用于从预先获取的DOM数据或TDOM数据中提取特征信息；根据所述特征信息，对所述建筑物三维模型进行修正。
第三方面本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有上述系统所用的计算机软件指令。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法、和系统，不仅支持激光扫描点云数据,也支持倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据,降低了数据采集成本；以DTM或者DEM数据为地面参考数据，使建筑具有准确的地面高程信息，避免了仅依靠点云数据时无法判断被遮挡区域的地面高程的问题；以DLG或建筑轮廓矢量数据作为建筑精确的轮廓约束，计算效果优于直接通过点云计算建筑外形轮廓，并且无需复杂的从点云计算建筑轮廓的过程，大幅度地提高了构建建筑物三维模型的效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明一实施例所提供的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法的流程图；
图2为本发明另一实施例所提供的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法的流程图；
图3为本发明一实施例所提供的方法中从空间点云数据中提取建筑物的轮廓信息的效果图；
图4为本发明一实施例所提供的方法中对建筑物三维模型进行修正后的效果图；
图5为本发明一实施例所提供的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有的建筑物三维建模方法采用激光点云建立三维模型需要处理的数据量大，处理效率低的问题，本发明实施例提供了一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法、和系统，以下首先对本发明的建筑物三维模型构建方法进行详细介绍。
实施例一
本实施例提供了一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法，该方法所输入的数据可以包括激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式生成的点云、DEM(DigitalElevation Model，数字高程模型) 数据或DTM(Digital Terrain Model，数字地形模型)数据、建筑D LG(Digital Line Graphic，数字线划地图)或建筑矢量轮廓、DOM (DigitalOrthophoto Map，数字正射影像)数据或TDOM(Ture Di gital Orthophoto Map，真正射影像)数据中的一种或多种。如图1 所示，包括如下步骤：
步骤S101，根据预先获取的激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式生成的点云，提取建筑物的轮廓信息。
激光扫描点云数据是采用三维激光扫描仪获取的真实建筑物表面的空间采样点的坐标数据。对预先获取的激光扫描点云数据，进行点云分割，可以提取建筑物的轮廓信息，如图3所示。
步骤S102，根据预先获取的DEM数据或DTM数据，确定建筑物所在的地面高程。
DEM数据是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是零阶单纯的单项数字地貌模型数据。DTM数据是描述包括高程在内的各种地貌因子的数据，可以体现如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布情况。从预先获取的建筑物的DEM数据或DTM数据中，均可以得到建筑物所在的地面高程。
步骤S103，根据轮廓信息和地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型。
根据上述步骤S101和步骤S102中获取的建筑物的轮廓信息和地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型。
步骤S104，采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型。
DLG称为数字线划地图，是现有地形图上基础地理信息要素的矢量数据集，保存了各要素间的空间关系和相关的属性信息，可以全面地描述地表目标。建筑矢量轮廓是建筑物轮廓的矢量图。
采用预先获取的建筑矢量轮廓对初步轮廓模型进行约束的步骤，包括：将初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合；以建筑矢量轮廓的矢量轮廓线所在位置的纵向延伸为边界，通过拓扑判断，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处，根据所述建筑矢量轮廓调整所述初步轮廓模型。
采用预先获取的建筑DLG对初步轮廓模型进行约束的步骤与上述步骤相似，在此不再赘述。
本实施例提供的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法，不仅支持激光扫描点云数据,也支持倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据,降低了数据采集成本；以DTM或者DEM数据为地面参考数据，使建筑具有准确的地面高程信息，避免了仅依靠点云时无法判断被遮挡区域的地面高程的问题；以DLG或建筑轮廓矢量数据作为建筑精确的轮廓约束，计算效果优于直接通过点云计算建筑外形轮廓，并且无需复杂的从点云计算建筑轮廓的过程，大幅度地提高了构建建筑物三维模型的效率。同时，也改善了现有的三维建模过程中使用的激光点云数据获取成本较高的问题，降低了项目的成本预算。
在一可选的实施例中，如图2所示，建筑物三维模型构建方法包括如下步骤：
步骤S201，根据预先获取的激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式生成的点云，提取建筑物的轮廓信息；
步骤S202，根据预先获取的DEM数据或DTM数据，确定建筑物所在的地面高程；
步骤S203，根据轮廓信息和地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型；
步骤S204，采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型；
步骤S205，从预先获取的DOM数据或TDOM数据中提取特征信息；
步骤S206，根据特征信息，对建筑物三维模型进行修正。
与图1所示的上述实施例相比，本实施例增加了对建筑物三维模型进行修正的步骤，以得到精度更高、更直观真实的模型并检测异常模型。可以依据预先获取的DOM数据或TDOM数据，对建筑物三维模型进行修正。
其中，DOM数据是利用数字高程模型对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，再根据图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。DOM数据是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。
TDOM数据是利用数字表面模型，采用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，以使影像上每一点都被纠正为垂直视角而形成的影像图。例如，在繁华的都市地区，TDOM数据通过高精度数字表面模型的纠正，消除了所有视差，建立了完全垂直视角的地表景观，使建筑物保持垂直视角。因此，在真正射影像上，只显示建筑物的顶部，不显示侧面，避免了高大建筑物对其它地表信息的遮挡，其所包含的信息更全面、更丰富。
从预先获取的DOM数据或TDOM数据中提取建筑物的特征信息，主要是提取建筑物的关键特征点的信息，根据提取的关键特征点的信息，对建筑物三维模型进行修正，使建筑物三维模型的外观轮廓与提取的关键特征点的信息相吻合，进一步提高建筑物三维模型的精度和真实性。模型修正后的效果图如图4所示。
本实施例提供的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法，可以利用点云数据、DEM或DTM数据以及建筑DLG或者建筑轮廓线数据、DOM或TDOM数据自动生成建筑区域三维模型，可以高效率地构建大规模建筑物三维模型。本实施例首先利用DLG或者建筑轮廓作为约束，控制提取的建筑轮廓绝对准确度，可以快速提取大批量的建筑模型；第二，支持多种数据的输入，可利用现成数据，提高数据重用性，降低生产成本。
实施例二
本实施例提供了一种与上述方法实施例相对应的基于空间点云数据的建筑物三维模型构建系统，如图5所示，包括：
轮廓信息提取模块51，用于根据预先获取的激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式生成的点云数据，提取建筑物的轮廓信息；
地面高程确定模块52，用于根据预先获取的DEM数据或DTM 数据，确定建筑物所在的地面高程；
初步模型生成模块53，用于根据轮廓信息和地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型；
三维模型生成模块54，用于采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型。
其中，初步模型生成模块53，还用于将初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合
，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处；
根据所述建筑矢量轮廓调整所述初步轮廓模型。初步模型生成模块53，还可以用于：以建筑矢量轮廓的矢量轮廓线所在位置的纵向延伸为边界，通过拓扑判断，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处。
可选地，上述系统还可以包括：
三维模型修正模块55，用于从预先获取的DOM数据或TDOM 数据中提取特征信息；根据特征信息，对建筑物三维模型进行修正。
本实施例提供的建筑物三维模型构建系统，不仅支持激光扫描点云数据,也支持倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据,降低了数据采集成本；以DTM或者DEM数据为地面参考数据，使建筑具有准确的地面高程信息，避免了仅依靠点云或DSM时无法判断被遮挡区域的地面高程的问题；以DLG或建筑轮廓矢量数据作为建筑精确的轮廓约束，计算效果优于直接通过点云计算建筑外形轮廓，并且减少了从点云计算建筑轮廓的复杂过程，大幅度地提高了构建建筑物三维模型的效率。同时，也改善了现有的三维建模过程中使用的激光点云数据获取成本较高的问题，降低了项目的成本预算。
进一步地，本发明另一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有上述建筑物三维模型构建系统所用的计算机软件指令。
本发明实施例提供的建筑物三维模型构建方法、和系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备 (可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器 (RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，包括：
根据预先获取的空间点云数据，提取建筑物的轮廓信息；所述空间点云数据为激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据；
根据预先获取的DEM数据或DTM数据，确定建筑物所在的地面高程；
根据所述轮廓信息和所述地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型；
采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用预先获取的建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束的步骤，包括：
将所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处；
根据所述建筑矢量轮廓调整所述初步轮廓模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处的步骤，包括：
以所述建筑矢量轮廓的矢量轮廓线所在位置的纵向延伸为边界，通过拓扑判断，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型的步骤之后，所述方法还包括：
从预先获取的DOM数据或TDOM数据中提取特征信息；
根据所述特征信息，对所述建筑物三维模型进行修正。
5.一种基于空间点云数据的建筑物三维模型构建系统，其特征在于，包括：
轮廓信息提取模块，用于根据预先获取的空间点云数据，提取建筑物的轮廓信息；所述空间点云数据为激光扫描点云数据或倾斜摄影测量方式处理生成的点云数据；
地面高程确定模块，用于根据预先获取的DEM数据或DTM数据，确定建筑物所在的地面高程；
初步模型生成模块，用于根据所述轮廓信息和所述地面高程，生成建筑物的初步轮廓模型；
建筑物三维模型生成模块，用于采用预先获取的建筑DLG或建筑矢量轮廓对所述初步轮廓模型进行约束，得到建筑物三维模型。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述初步模型生成模块，还用于：
将所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓进行套合，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处；
根据所述建筑矢量轮廓调整所述初步轮廓模型。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述初步模型生成模块，还用于：
以所述建筑矢量轮廓的矢量轮廓线所在位置的纵向延伸为边界，通过拓扑判断，确定所述初步轮廓模型与所述建筑矢量轮廓不一致之处。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
三维模型修正模块，用于从预先获取的DOM数据或TDOM数据中提取特征信息；根据所述特征信息，对所述建筑物三维模型进行修正。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有权利要求5至8中任一项所述系统所用的计算机软件指令。
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