CN115147555A - 一种建筑物体框模型精细三维建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑物体框模型精细三维建模方法及系统，涉及三维建模领域，包括数据收集模块，所述数据收集模块的输出端连接有数据预处理模块，所述数据预处理模块的输出端连接有GIS数据库，所述GIS数据库的输出端连接有三维建模模块，所述三维建模模块的输出端连接有模具细化模块，所述模具细化模块的输出端连接有模具可视化模块，所述数据收集模块包括高分辨卫星影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像，所述数据预处理模块包括窗户矢量多边形提取单元、建筑物轮廓矢量多边形提取单元、屋顶矢量多边形提取单元和属性信息提取单元。本发明具有成本低、操作简单、自动化程度高的特点，且建筑物三维建模精细化程度高。

Description

一种建筑物体框模型精细三维建模方法及系统

技术领域

本发明涉及三维建模领域，具体涉及一种建筑物体框模型精细三维建模方法及系统。

背景技术

建筑物是城市的载体和形象表达,是城市的重要组成部分，建筑物三维模型是构建数字城市、虚拟城市和智慧城市的重要基础。建筑物三维建模是运用计算机图形图像处理技术，将建筑物的二维平面图转换为三维模型并进行立体显示的一门科学技术，在城市景观规划、建筑设计、军事仿真、旅游开发、导航开发以及古建筑物保护等领域具有广泛的应用价值。

近年来，随着各地数字城市、虚拟城市和智慧城市建设速度的加快，建筑物三维建模已成为测绘、GIS和建筑等领域的研究热点。建筑物三维建模技术的核心是根据建筑物的几何信息构造其立体模型，利用相关建模软件或编程语言生成其三维模型，并赋于模型表面纹理贴图进行立体图形显示。

目前，现有的建筑物三维建模方法成本高、操作繁琐和复杂、劳动强度大，且建筑物三维建模的精细程度低。

因此，发明一种建筑物体框模型精细三维建模方法及系统来解决上述问题很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种建筑物体框模型精细三维建模方法及系统，以解决上述背景技术中提出的现有的建筑物三维建模方法成本高、操作繁琐和复杂、劳动强度大，且建筑物三维建模的精细程度低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种建筑物体框模型精细三维建模方法，包括如下步骤：

S1：获取建筑物的高分辨卫星影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像；

S2：利用ArcGIS软件导入获取的高分辨率遥感影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像，并进行配准和几何纠正预处理，提取出建筑物墙体、窗户和屋顶的矢量多边形空间信息，同时提取出建筑物的高度、楼层数和屋顶类型的属性信息；

S3：将提取出的信息保存至GIS数据库进行集成；

S4：以建筑物墙体、窗户多边形作为模型输入，以建筑物屋顶多边形作为模型的输入，利用要素选择迭代器结合工具提出建筑物的矢量多边形，同时，结合数据处理、文件转换、空间分析和三维分析工具分别生成建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型；

S5：采用Python面向对象编程语言结合ArcPy站点包，通过编程实现批量3D差积运算程序，并结合ArcCatalog在ArcToolbox工具箱构建自定义工具自动实现侧墙和屋顶模型的细化镂空处理；

S6：在ENVI和ArcGIS平台下，利用ModelBuilder可视化建模工具，通过调用数据处理、文件转换、空间分析和脚本工具，构建模型实现了建筑物三维模型的自动构建；

S7：利用ArcGIS Pro编辑模型的纹理贴图，实现模型的可视化。

优选的，所述S2中，利用矢量工具出结合遥感影像勾画出建筑物侧面的边界，从中提取出建筑物侧面的纹理影像，同时结合几何纠正工具对其进行形变处理，进一步，利用符号化工具结合直方图的调整阈值功能，先提取出建筑物侧面纹理灰度影像，再将其进行二值化处理，最后，利用ENVI非监督分类模型提取出建筑物侧面窗户的矢量多边形。

优选的，所述S2中，利用ArcToolbox工具箱结合ENVI非监督分类模型，通过创建自定义模型结合建筑物轮廓电子地图，提取出建筑物轮廓的矢量多边形，然后，利用概化工具对其边界进行概化预处理，并结合遥感影像手动调整其边界的细节结点。

优选的，所述S2中，手机结合长焦镜头水准尺拍摄建筑物侧面纹理影像，通过读取水准尺读数，提取出侧面楼层、层高、屋顶高度等值，最后，通过侧视影像确定建筑物屋顶的结构类型。

本发明还包括该建筑物体框模型精细三维建模方法使用的三维建模系统，包括数据收集模块，所述数据收集模块的输出端连接有数据预处理模块，所述数据预处理模块的输出端连接有GIS数据库，所述GIS数据库的输出端连接有三维建模模块，所述三维建模模块的输出端连接有模具细化模块，所述模具细化模块的输出端连接有模具可视化模块。

优选的，所述数据收集模块包括高分辨卫星影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像。

优选的，所述数据预处理模块包括窗户矢量多边形提取单元、建筑物轮廓矢量多边形提取单元、屋顶矢量多边形提取单元和属性信息提取单元，提取出建筑物墙体、窗户和屋顶的矢量多边形空间信息，提取出建筑物的高度、楼层数和屋顶类型等属性信息。

优选的，所述三维建模模块包括数据处理单元、文件转换单元、空间分析单元、三维分析单元和模型生成单元。

优选的，所述模具细化模块包括侧墙细化单元和屋顶模型细化单元，侧墙细化单元用于对侧墙进行细化镂空处理，屋顶模型细化单元用于对屋顶模型进行细化镂空处理。

优选的，所述模具可视化模块包括自动构建单元和可视化单元，自动构建单元实现建筑物三维模型的自动构建，可视化单元实现模型的可视化。

在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

1、建筑物三维建模精细化程度高，且具有成本低、操作简单、自动化程度高的特点；

2、数据收集模块包括高分辨卫星影像、建筑物轮廓电子地图、百度全景影像，以建筑物的卫星影像、轮廓电子地图和全景影像为建模数据源，不仅能够提取城市范围内建筑物的宏观边界，而且能够捕捉到建筑物的几何细节和纹理细节特征，提高了建筑物建模的精细化；

3、通过设置有三维建模模块，自动生成建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型，并通过模具细化模块自动实现侧墙和屋顶模型的细化镂空处理，提高了建筑物建模的精细化程度，通过模具可视化模块自动实现建筑物三维模型的自动构建和可视化，能够显著降低作业人员的劳动强度并提高建模效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的系统图；

图3为本发明的数据收集模块示意图；

图4为本发明的数据预处理模块示意图；

图5为本发明的三维建模模块示意图；

图6为本发明的模具细化模块示意图；

图7为本发明的模具可视化模块示意图。

附图标记说明：

1数据收集模块、11高分辨卫星影像、12建筑物轮廓电子地图、13百度全景影像；

2数据预处理模块、21窗户矢量多边形提取单元、22建筑物轮廓矢量多边形提取单元、23屋顶矢量多边形提取单元、24属性信息提取单元；

3GIS数据库；

4三维建模模块、41数据处理单元、42文件转换单元、43空间分析单元、44三维分析单元、45模型生成单元；

5模具细化模块、51侧墙细化单元、52屋顶模型细化单元；

6模具可视化模块、61自动构建单元、62可视化单元。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

本发明提供了如图1所示的一种建筑物体框模型精细三维建模方法，包括如下步骤：

S1：获取建筑物的高分辨卫星影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像；

S2：利用ArcGIS软件导入获取的高分辨率遥感影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像，利用矢量工具出结合遥感影像勾画出建筑物侧面的边界，从中提取出建筑物侧面的纹理影像，同时结合几何纠正工具对其进行形变处理，进一步，利用符号化工具结合直方图的调整阈值功能，先提取出建筑物侧面纹理灰度影像，再将其进行二值化处理，最后，利用ENVI非监督分类模型提取出建筑物侧面窗户的矢量多边形；利用ArcToolbox工具箱结合ENVI非监督分类模型，通过创建自定义模型结合建筑物轮廓电子地图，提取出建筑物轮廓的矢量多边形，然后，利用概化工具对其边界进行概化预处理，并结合遥感影像手动调整其边界的细节结点；手机结合长焦镜头水准尺拍摄建筑物侧面纹理影像，通过读取水准尺读数，提取出侧面楼层、层高、屋顶高度等值，最后，通过侧视影像确定建筑物屋顶的结构类型；

S3：将提取出的信息保存至GIS数据库进行集成；

S4：以建筑物墙体、窗户多边形作为模型输入，以建筑物屋顶多边形作为模型的输入，利用要素选择迭代器结合工具提出建筑物的矢量多边形，同时，结合数据处理、文件转换、空间分析和三维分析工具分别生成建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型；

S5：采用Python面向对象编程语言结合ArcPy站点包，通过编程实现批量3D差积运算程序，并结合ArcCatalog在ArcToolbox工具箱构建自定义工具自动实现侧墙和屋顶模型的细化镂空处理；

S6：在ENVI和ArcGIS平台下，利用ModelBuilder可视化建模工具，通过调用数据处理、文件转换、空间分析和脚本工具，构建模型实现了建筑物三维模型的自动构建；

S7：利用ArcGIS Pro编辑模型的纹理贴图，实现模型的可视化。

实施方式具体为：获取建筑物的高分辨卫星影像、轮廓电子地图和百度全景影像，然后处理提出提取出建筑物墙体、窗户和屋顶的矢量多边形空间信息，同时提取出建筑物的高度、楼层数和屋顶类型等属性信息，将提取出的信息保存至GIS数据库进行集成，将GIS数据库内集成的信息输入，利用要素选择迭代器结合工具提出建筑物的矢量多边形，同时，结合数据处理、文件转换、空间分析和三维分析工具分别生成建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型，采用Python面向对象编程语言结合ArcPy站点包，通过编程实现批量3D差积运算程序，并结合ArcCatalog在ArcToolbox工具箱构建自定义工具自动实现侧墙和屋顶模型的细化镂空处理，利用ModelBuilder可视化建模工具，通过调用数据处理、文件转换、空间分析和脚本工具，构建模型实现了建筑物三维模型的自动构建，最后利用ArcGIS Pro编辑模型的纹理贴图，实现模型的可视化，通过该方法实现建筑物三维建模，具有成本低、操作简单、自动化程度高的特点，且建筑物三维建模精细化程度高，该实施方式具体解决了现有技术中存在的现有的建筑物三维建模方法成本高、操作繁琐和复杂、劳动强度大，且建筑物三维建模的精细程度低的问题。

如图2-4所示，本发明还包括该建筑物体框模型精细三维建模方法使用的三维建模系统，包括数据收集模块1，所述数据收集模块1的输出端连接有数据预处理模块2，所述数据预处理模块2的输出端连接有GIS数据库3，所述GIS数据库3的输出端连接有三维建模模块4，所述三维建模模块4的输出端连接有模具细化模块5，所述模具细化模块5的输出端连接有模具可视化模块6。

所述数据收集模块1包括高分辨卫星影像11、建筑物轮廓电子地图12和百度全景影像13。

所述数据预处理模块2包括窗户矢量多边形提取单元21、建筑物轮廓矢量多边形提取单元22、屋顶矢量多边形提取单元23和属性信息提取单元24，提取出建筑物墙体、窗户和屋顶的矢量多边形空间信息，提取出建筑物的高度、楼层数和屋顶类型等属性信息。

实施方式具体为：通过数据收集模块1中的高分辨卫星影像11、建筑物轮廓电子地图12和百度全景影像13获取建筑物的卫星影像、轮廓电子地图和全景影像，以建筑物的卫星影像、轮廓电子地图和全景影像为建模数据源，不仅能够提取城市范围内建筑物的宏观边界，而且能够捕捉到建筑物的几何细节和纹理细节特征，提高了建筑物建模的精细化，然后将数据发送给数据预处理模块2，数据预处理模块2对数据收集模块1获取的信息进行处理，同时提取出建筑物墙体、窗户和屋顶的矢量多边形空间信息，提取出建筑物的高度、楼层数和屋顶类型等属性信息，然后将提取出的信息保存至GIS数据库3进行集成，三维建模模块4通过对GIS数据库3内的信息进行处理，实现建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型进行搭建，然后通过模具细化模块5进行细化处理，然后通过模具可视化模块6实现模型的可视化，建筑物三维建模精细化程度高，且具有成本低、操作简单、自动化程度高的特点，该实施方式具体解决了现有技术中存在的建筑物三维建模方法成本高、操作繁琐和复杂、劳动强度大，且建筑物三维建模的精细程度低的问题。

如图5和图7所示，所述三维建模模块4包括数据处理单元41、文件转换单元42、空间分析单元43、三维分析单元44和模型生成单元45，所述模具可视化模块6包括自动构建单元61和可视化单元62，自动构建单元61实现建筑物三维模型的自动构建，可视化单元62实现模型的可视化。

实施方式具体为：三维建模模块4提取GIS数据库3内的信息，经过数据处理单元41、文件转换单元42、空间分析单元43和三维分析单元44处理后，通过模型生成单元45分别生成建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型，通过模具可视化模块6中的自动构建单元61对建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型进行搭建，实现建筑物三维模型的自动构建，可视化单元62实现模型的可视化，操作简单，能够显著降低作业人员的劳动强度并提高建模效率，该实施方式具体解决了现有技术中存在的操作繁琐复杂、劳动强度大的问题。

如图6所示，所述模具细化模块5包括侧墙细化单元51和屋顶模型细化单元52，侧墙细化单元51用于对侧墙进行细化镂空处理，屋顶模型细化单元52用于对屋顶模型进行细化镂空处理。

实施方式具体为：建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型生成后，通过模具细化模块5中的侧墙细化单元51对侧墙进行细化镂空处理，模具细化模块5中的屋顶模型细化单元52对屋顶模型进行细化镂空处理，提高了建筑物建模的精细化程度，使得建筑物三维模型精细化程度高，该实施方式具体解决了现有技术中存在的建筑物三维建模的精细程度低的问题。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种建筑物体框模型精细三维建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取建筑物的高分辨卫星影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像；

S2：利用ArcGIS软件导入获取的高分辨率遥感影像、建筑物轮廓电子地图和百度全景影像，并进行配准和几何纠正预处理，提取出建筑物墙体、窗户和屋顶的矢量多边形空间信息，同时提取出建筑物的高度、楼层数和屋顶类型的属性信息；

S3：将提取出的信息保存至GIS数据库进行集成；

S4：以建筑物墙体、窗户多边形作为模型输入，以建筑物屋顶多边形作为模型的输入，利用要素选择迭代器结合工具提出建筑物的矢量多边形，同时，结合数据处理、文件转换、空间分析和三维分析工具分别生成建筑物墙体、窗户和屋顶的三维实体模型；

S5：采用Python面向对象编程语言结合ArcPy站点包，通过编程实现批量3D差积运算程序，并结合ArcCatalog在ArcToolbox工具箱构建自定义工具自动实现侧墙和屋顶模型的细化镂空处理；

S6：在ENVI和ArcGIS平台下，利用ModelBuilder可视化建模工具，通过调用数据处理、文件转换、空间分析和脚本工具，构建模型实现了建筑物三维模型的自动构建；

S7：利用ArcGIS Pro编辑模型的纹理贴图，实现模型的可视化。

2.根据权利要求1所述的一种建筑物体框模型精细三维建模方法，其特征在于：所述S2中，利用矢量工具出结合遥感影像勾画出建筑物侧面的边界，从中提取出建筑物侧面的纹理影像，同时结合几何纠正工具对其进行形变处理，进一步，利用符号化工具结合直方图的调整阈值功能，先提取出建筑物侧面纹理灰度影像，再将其进行二值化处理，最后，利用ENVI非监督分类模型提取出建筑物侧面窗户的矢量多边形。

3.根据权利要求1所述的一种建筑物体框模型精细三维建模方法，其特征在于：所述S2中，利用ArcToolbox工具箱结合ENVI非监督分类模型，通过创建自定义模型结合建筑物轮廓电子地图，提取出建筑物轮廓的矢量多边形，然后，利用概化工具对其边界进行概化预处理，并结合遥感影像手动调整其边界的细节结点。

4.根据权利要求1所述的一种建筑物体框模型精细三维建模方法，其特征在于：所述S2中，手机结合长焦镜头水准尺拍摄建筑物侧面纹理影像，通过读取水准尺读数，提取出侧面楼层、层高、屋顶高度，最后，通过侧视影像确定建筑物屋顶的结构类型。

5.一种权利要求1-4任一项所述的建筑物体框模型精细三维建模方法使用的三维建模系统，其特征在于，包括数据收集模块(1)，所述数据收集模块(1)的输出端连接有数据预处理模块(2)，所述数据预处理模块(2)的输出端连接有GIS数据库(3)，所述GIS数据库(3)的输出端连接有三维建模模块(4)，所述三维建模模块(4)的输出端连接有模具细化模块(5)，所述模具细化模块(5)的输出端连接有模具可视化模块(6)。

6.根据权利要求5所述的一种建筑物体框模型精细三维建模系统，其特征在于：所述数据收集模块(1)包括高分辨卫星影像(11)、建筑物轮廓电子地图(12)和百度全景影像(13)。

7.根据权利要求5所述的一种建筑物体框模型精细三维建模系统，其特征在于：所述数据预处理模块(2)包括窗户矢量多边形提取单元(21)、建筑物轮廓矢量多边形提取单元(22)、屋顶矢量多边形提取单元(23)和属性信息提取单元(24)。

8.根据权利要求5所述的一种建筑物体框模型精细三维建模系统，其特征在于：所述三维建模模块(4)包括数据处理单元(41)、文件转换单元(42)、空间分析单元(43)、三维分析单元(44)和模型生成单元(45)。

9.根据权利要求5所述的一种建筑物体框模型精细三维建模系统，其特征在于：所述模具细化模块(5)包括侧墙细化单元(51)和屋顶模型细化单元(52)。

10.根据权利要求5所述的一种建筑物体框模型精细三维建模系统，其特征在于：所述模具可视化模块(6)包括自动构建单元(61)和可视化单元(62)。

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