CN111553982A - 一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法，主要包括：依据屋顶拓扑图，得到所有环序列集合；删除环序列集合中重复的环序列；从删除重复环序列的集合中筛选出不包含其他环序列的单环结构，和利用已提取轮廓线角点确定一个与空间Z平面平行的横截平面作为屋顶Z平面；基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，判别包含外点的屋顶外部多边形和不包含外点的内部多边形；插入节点Nz，连接节点Nz与所有标记节点；计算轮廓线角点；重叠点检查并合并环结构，实现将屋顶重建问题转化为单环结构环检索问题，进而使建筑物屋顶的三维重建更加准确、完整。

Description

一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法

技术领域

本发明涉及测绘科学技术领域，特别涉及一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法。

背景技术

在建筑物三维重建领域中，坡屋顶建筑是一类典型建筑，坡屋顶结构作为最常见的屋顶类型之一，在建筑领域应用较广，通常将排水坡度大于3％的屋顶称为坡屋顶。根据坡屋顶造型的不同，生活中较常见的屋顶有：单坡屋顶、双坡屋顶、四坡屋顶和多坡屋顶。目前，对于坡屋顶的三维重建，大多针对特定类型的屋顶进行重建研究，如：人字屋顶、四坡屋顶。对于多坡屋顶或者更复杂的坡屋顶，往往人为的分解为简单类型屋顶的组合，再进行重建，或者是将复杂坡屋顶分解为简单屋顶基元结构。

在基于屋顶拓扑图的构建算法，该算法引入图论理论并充分利用了点云中面特征的显著性，具有较好的鲁棒性。在构建屋顶拓扑图中会对屋顶拓扑图的错误纠正，使其更加准确的呈现建筑物。

发明内容

(一)发明目的

为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，通过单环结构和屋顶多边形判别，将屋顶重建问题转化为单环结构环检索问题，进而使建筑物屋顶的三维重建更加准确、完整，本发明公开了以下技术方案。

(二)技术方案

作为本发明的第一方面，本发明公开了一种单环结构序列集合搜索方法，包括：

依据屋顶拓扑图，利用深度优先搜索算法,搜索所述屋顶拓扑图中的环，得到所有环序列集合；

删除所述环序列集合中重复的环序列；

从删除重复环序列的集合中筛选出不包含其他环序列的单环结构。

在一种可能的实施方式中，所述环序列为：

遍历所述屋顶拓扑图中的每条边的两个节点n1与n2，搜索n1到n2的所有可行路径。

在一种可能的实施方式中，所述重复的环序列包括：

元素相同但顺序不同的所述环序列。

在一种可能的实施方式中，所述删除所述环序列集合中重复的环序列，包括：

对每个所述环序列进行排序；

将所述环序列长度小于3个元素的删除；

对长度相等的所述环序列进逐元素比较，判断所述环序列是否相同，将重复元素的环序列删除。

在一种可能的实施方式中，所述对每个所述环序列进行排序，包括：

按照所述环序列长度，将所有所述环序列进行由小到大排序。

在一种可能的实施方式中，所述筛选出不包含其他环序列的单环序列，包括：

遍历所述环序列集合中每个环序列c；

检索所述环序列集合中序列长度小于c的环序列，如未检测到任何环序列长度小于环序列c，则环序列c为单环结构；否则，检测该环序列每一个元素是否多包含在环序列c中，如果全部包含则序列c不是单环结构；以此类推，止到完成所有环遍历，可确定序列c为单环结构；

存储所述单环结构，建立单环结构序列查找表。

作为本发明的第二方面，本发明还公开了一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法，包括单环结构序列集合搜索方法，与以下步骤：

利用已提取轮廓线角点确定一个与空间Z平面平行的横截平面作为屋顶Z平面；

基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，判别包含外点的屋顶多边形和不包含外点的多边形；

将所述Z平面视作一个特殊的节点Nz，在原有屋顶拓扑图中的基础上，插入所述节点Nz，连接所述节点Nz与所有标记节点；

计算轮廓线角点；

重叠点检查并合并环结构；

所述单环结构序列集合搜索方法为上述任一项所述的方法。

在一种可能的实施方式中，所述基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，包括：

针对每个所述屋顶拓扑图的节点Ni，利用所述单环结构序列查找表，检索包含所述节点所有单环结构序列；

利用环的邻接关系，以环为节点，构建图K,判断图K是否为一个环结构，若节点所代表的多边形包含轮廓线角点，则标记记录节点Ni。

在一种可能的实施方式中，所述计算轮廓线角点，包括：

检索由所述标记节点与所述Nz节点组成的环结构，利用每个环结构对应的平面计算轮廓线角点坐标[p1,p2,p3,...,pn]。

在一种可能的实施方式中，所述确定多边形顶点及顺序，包括：

利用单环序列对应的平面进行相交计算来确定多边形顶点；

按照环间邻接关系，能够确定屋顶多边形顶点的顺序。

(三)有益效果

本发明公开的一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法，具有如下有益效果：

1、通过对拓扑图中的单环结构序列集合搜索，确定单环结构序列表，从而将屋顶重建问题转化为单环结构环检索问题，进而使其重建屋顶更加的准确和完整。

2、通过精化外轮廓角点和确定多边形顶点及顺序的方法，避免轮廓线角点的误差，提高了轮廓线的准确性。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。

图1是本发明公开的一种单环结构序列集合搜索方法的流程图；

图2是本发明公开的删除环序列集合中重复的环序列的流程图；

图3是本发明公开的筛选出不包含其他环序列的单环序列的流程图；

图4是本发明公开的一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法的流程图；

图5是本发明公开的基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法的流程图；

图6是本发明公开的屋顶轮廓线示意图；

图7是本发明公开的屋顶拓扑图示意图；

图8是本发明公开的加入屋顶Z平面节点的示意图；

图9是本发明公开的基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法得到的建筑物示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

需要说明的是：在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

下面参考图1-3详细描述本发明公开的一种单环结构序列集合搜索方法的第一实施例。本实施例主要应用于建筑物三维重建，通过单环结构和屋顶内外多边形判别，将屋顶重建问题转化为单环结构环检索问题，进而使建筑物屋顶的三维重建更加准确、完整。

如图1所示，本实施例主要包括一下步骤：

100、依据屋顶拓扑图，利用深度优先搜索算法,搜索屋顶拓扑图中的环，得到所有环序列集合；

120、删除环序列集合中重复的环序列；

130、从删除重复环序列的集合中筛选出不包含其他环序列的单环结构。

进一步的，搜索屋顶拓扑图中的环，也就是对屋顶拓扑图中的回路检索。

单环结构是基于空间几何体面拓扑分析得来，也就是拓扑图中的节点代表几何体的面片所在的空间平面。几何体中顶点为若干个相邻面片相交的交点，这些面在拓扑上形成环结构，而几何体的边为一对相邻的环结构。

进一步的，顶点为至少3个不共面的相交面，代表几何空间中一个顶点的原则，提高了理论的几何完备性。

进一步的，在屋顶拓扑图中，一个环的节点数至少为3个，代表几何空间上的一个顶点，即屋顶内点，该屋顶内点为在屋顶轮廓线内部的屋顶角点；

相邻的两个环代表几何空间上的一条线段，即屋顶上的一条屋脊线；

每个环必须保证是单环结构，即在屋顶拓扑图中，该环结构中不能存在任何其他的环结构。

进一步的，屋顶拓扑图中，相邻单环结构之间有且仅有一条相邻边或公共边。

进一步的，深度优先搜索算法是对每一个可能的分支路径深入到不能在深入为止，而且每个节点只能访问一次，深度优先搜索算法属于现有技术，不在此一一赘述。

在一种实施方式中，环序列为：遍历屋顶拓扑图中的每条边的两个节点n1与n2，搜索n1到n2的所有可行路径。也就是拓扑图中的一条边，以这条边的一个节点n1为原点，另一个节点n2为终点，从n1到n2的所有可行的路劲。

在一种实施方式中，重复的环序列包括：元素相同但顺序不同的环序列，元素是组成环序列的单元。比如，一个环序列为(1，2,11)，另一个环序列为(11，2，1)，这两个环的元素是相同的，但是元素排列的顺序是不同的，这两个环就是重复的环序列。

在一种实施方式中，请参考图2，步骤120中，删除环序列集合中重复的环序列，包括：

1201、对每个环序列进行排序；

1202、将环序列长度小于3个元素删除；

1203、对长度相等的环序列进逐元素比较，判断环序列是否相同，将重复元素的环序列删除。

将环序列集合中的环序列进行一定顺序的排列，先对环序列长度小于3个元素的环序列进行删除，在对长度相同的环序列进行逐元素比较，若是环序列中元素相同，则删除其他相同元素的环序列。

在一种实施方式中，对每个环序列进行排序，包括：按照环序列长度，将所有环序列进行由小到大排序，有利于对其小于3个元素的环序列进行删除，同时也便于检测到重复环序列。

在一种实施方式中，请参考图3，步骤130中，筛选出不包含其他环序列的单环序列，包括：

1301、遍历环序列集合中每个环序列c；

1302、检索环序列集合中序列长度小于环序列c，如未检测到任何环序列长度小于环序列c，则环序列c为单环结构；否则，检测该环序列每一个元素是否多包含在环序列c中，如果全部包含则序列c不是单环结构；以此类推，止到完成所有环遍历，可确定序列c为单环结构；

1303、存储单环结构，建立单环结构序列查找表。

单环结构序列集合搜索方法具体步骤为：

第一步、依据屋顶拓扑图，利用深度优先搜索算法,遍历图中的每条边的两个节点n1与n2，搜索n1到n2的所有可行路径，得到所有环序列集合；

第二步、删除环序列集合中重复的环序列：先对环序列长度小于3个元素的环序列进行删除，在对长度相同的环序列进行逐元素比较，若是环序列中元素相同，则删除其他相同元素的环序列；

第三步、由第二步得到无重复的环序列集合，从该环序列集合中筛选出不包含其他环序列的单环结构：先遍历环序列集合中每个环序列c，在检索环序列集合中序列长度小于c的环序列，如未检测到任何环序列长度小于环序列c，则环序列c为单环结构；否则，检测该环序列每一个元素是否多包含在环序列c中，如果全部包含则序列c不是单环结构；以此类推，止到完成所有环遍历，可确定序列c为单环结构，最终将所有单环结构存储，并建立单环结构序列查找表。

下面参考图4-图9，详细描述本发明公开的一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法的第一实施例。本实施例主要应用于建筑物三维重建，过单环结构和屋顶内外多边形判别，将屋顶重建问题转化为单环结构环检索问题，进而使建筑物屋顶的三维重建更加准确、完整。

如图4所示，本实施例主要上述一种单环结构序列集合搜索方法的第一实施例以及以下步骤：

200、利用已提取轮廓线角点确定一个与空间Z平面平行的横截平面作为屋顶Z平面；

210、基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，判别包含外点的屋顶多边形和不包含外点的内部多边形；

220、将Z平面视作一个特殊的节点Nz，在原有屋顶拓扑图中的基础上，插入节点Nz，连接节点Nz与所有标记节点；

230、计算轮廓线角点；

240、重叠点检查并合并环结构。

进一步的，采用面片相交的方式进行提取轮廓线，使轮廓线更加准确。

在一种实施方式中，请参考图5，步骤210中，基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，包括：

2101、针对每个屋顶拓扑图的节点Ni，利用单环结构序列查找表，检索包含节点所有单环结构序列；

2102、利用环的邻接关系，构建图K,判断图K是否为一个环结构，若节点所代表的多边形包含轮廓线角点，则标记节点。

在一种实施方式中，计算轮廓线角点，包括：

检索由标记节点与Nz节点组成的环结构，利用每个环结构对应的平面计算轮廓线角点坐标[p1,p2,p3,...,pn]。

具体的步骤为：

第一步：精化外轮廓角点，利用已提取轮廓线角点确定一个与空间Z平面平行的横截平面作为屋顶Z平面；

第二步：基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，判别包含外点的屋顶多边形和不包含外点的内部多边形：先针对每个屋顶拓扑图的节点Ni，利用第一实施例中得到的单环结构序列查找表，检索包含该节点所有单环结构序列；其次利用环的邻接关系，以每个单环序列为节点，以单环之间的邻接关系为边，构建图K,判断图K是否为一个环结构，如果是，节点Ni所代表的多边形不包含轮廓线角点，属于内部多边形；否则，节点Ni所代表的多边形包含轮廓线角点，标记并记录在列表中；

第三步：由第二步记录的Ni节点列表可以认为是与z平面有相交的，将Z平面视作一个特殊的节点Nz，在原有屋顶拓扑图的基础上，插入节点Nz，连接节点Nz与所有标记节点；

第四步：计算轮廓线角点，在标记节点及其与节点Nz之间邻接关系的基础上，检索由标记节点与节点Nz组成的环结构，利用每个环结构对应的平面计算轮廓线角点坐标[p1,p2,p3,...,pn]，从节点Nz出发，依据第二步找出的标记节点间邻接关系，逐一遍历，当一下标记节点与节点Nz没有关联，则继续下一个节点，直到寻找到下一个与节点Nz有关联的节点，形成环结构；

第五步：重叠点检查并合并环结构，为了避免凹多边形导致的重叠点问题，因此要进行重叠点检查，并对造成重叠点的环进行合并。首先，计算[p1,p2,p3,...,pn]中每两个点的点间距，然后，检查距离非常接近或小于阈值的点，如果对应的环相邻，则对其环序列进行合并。

在一种实施方式中，确定多边形顶点及顺序，包括：

利用单环序列对应的平面进行相交计算来确定多边形顶点；

按照环间邻接关系，能够确定屋顶多边形顶点的顺序。

具体的，在确定所有屋顶拓扑图节点对应的环结构后，多边形的顶点坐标可以通过利用单环序列对应的平面进行相交计算来确定。环中节点大于3的仅需任意三个节点对应的面进行计算。除此之外，对顶点与单环序列进行编码，一一对应；每个多边形包含的顶点就是在屋顶拓扑图上与该节点有关联的所有单环序列；为了给出合理的顶点顺序，通过观察屋顶拓扑图，对于某一节点,其所有单环序列中，按照环间邻接关系，能够确定屋顶多边形顶点的顺序。

如图6和图7所示的屋顶拓扑图为例，其含有11个顶点，16条边，给出边集合：

回路集合搜索结果：

[[1，2，11]，[1，2，11]，[1，2，11]，[3，4，5]，[3，4，5]，[3，4，5]，[6,7,11],[6,7,11],[6,7,11],[8,10,11],[8,10,11],[8,9,10],[8,9,10],[8,9,10],[8,10,11],[8,9,10,11],[8,9,10,11],[8,9,10,11],[8,9,10,11],[2,3,5,6,11],[2,3,5,6,11],[2,3,5,6,11],[2,3,5,6,11],[2,3,5,6,11],[1,2,3,5,6,11],[1,2,3,5,6,11],[1,2,3,5,6,11],[2,3,4,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[1,2,3,5,6,11],[2,3,4,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11]]

去除重复环后[[1,2,11],[3,4,5],[6,7,11],[8,10,11],[8,9,10],[8,9,10,11],[2,3,5,6,11],[1,2,3,5,6,11],[2,3,4,5,6,11],[2,3,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,11],[1,2,3,5,6,7,11],[2,3,4,5,6,7,11],[1,2,3,4,5,6,7,11]]

单环结构搜索结果：

[[1,2,11],[3,4,5],[6,7,11],[8,10,11],[8,9,10],[2,3,5,6,11]]

屋顶多边行重建过程：

加入屋顶Z平面节点后如图8，默认将代表Z平面的节点编码为0，

如图9所示，在重叠点检查中，发现[0,7,11],[0,8,11]为重叠点，因此合并为[0,7,8,11]，进而完成建筑物三维重建。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单环结构序列集合搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

依据屋顶拓扑图，利用深度优先搜索算法,搜索所述屋顶拓扑图中的环，得到所有环序列集合；

删除所述环序列集合中重复的环序列；

从删除重复环序列的集合中筛选出不包含其他环序列的单环结构。

2.如权利要求1所述的搜索方法，其特征在于，所述环序列为：

遍历所述屋顶拓扑图中的每条边的两个节点n1与n2，搜索n1到n2的所有可行路径。

3.如权利要求1所述的搜索方法，其特征在于，所述重复的环序列包括：

元素相同但顺序不同的所述环序列。

4.如权利要求1所述的搜索方法，其特征在于，所述删除所述环序列集合中重复的环序列，包括：

对每个所述环序列进行排序；

将所述环序列长度小于3个元素的删除；

对长度相等的所述环序列进行逐元素比较，判断所述环序列是否相同，将重复元素的环序列删除。

5.如权利要求4所述的搜索方法，其特征在于，所述对每个所述环序列进行排序，包括：

按照所述环序列长度，将所有所述环序列进行由小到大排序。

6.如权利要求1所述的搜索方法，其特征在于，所述筛选出不包含其他环序列的单环序列，包括：

遍历所述环序列集合中每个环序列c；

检索所述环序列集合中序列长度小于c的环序列，如未检测到任何环序列长度小于环序列c，则环序列c为单环结构；否则，检测该环序列每一个元素是否都包含在环序列c中，如果全部包含则序列c不是单环结构；以此类推，止到完成所有环遍历，可确定序列c为单环结构；

存储所述单环结构，建立单环结构序列查找表。

7.一种基于单环结构的坡屋顶建筑物三维重建方法，包括单环结构序列集合搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用已提取轮廓线角点确定一个与空间Z平面平行的横截平面作为屋顶Z平面；

基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，判别包含外点的屋顶多边形和不包含外点内部多边形；

将所述Z平面视作一个特殊的节点Nz，在原有屋顶拓扑图中的基础上，插入所述节点Nz，连接所述节点Nz与所有标记节点；

计算轮廓线角点；

重叠点检查并合并环结构；

所述单环结构序列集合搜索方法为如权利要求1-6中任一项所述的方法。

8.如权利要求7所述的重建方法，其特征在于，所述基于拓扑图分析的屋顶内外多边形判别法，包括：

针对每个所述屋顶拓扑图的节点Ni，利用所述单环结构序列查找表，检索包含所述节点所有单环结构序列；

利用环的邻接关系，以环为节点，构建图K,判断图K是否为一个环结构，若节点Ni所代表的多边形包含轮廓线角点，则标记记录节点Ni。

9.如权利要求7所述的重建方法，其特征在于，所述计算轮廓线角点，包括：

检索由所述标记节点与所述节点Nz组成的环结构，利用每个环结构对应的平面计算轮廓线角点坐标[p1,p2,p3,...,pn]。

10.如权利要求9所述的重建方法，其特征在于，所述确定多边形顶点及顺序，包括：

利用单环序列对应的平面进行相交计算来确定多边形顶点；

按照环间邻接关系，能够确定屋顶多边形顶点的顺序。

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