CN115600307B - 一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，包括将城市的原始倾斜摄影数据转换为Mesh模型；根据Mesh模型中三角面片的角度信息从Mesh模型中提取屋顶信息；从屋顶信息中提取屋顶所有网格的边缘信息；将提取的网格边缘信息从三维空间映射到二维空间；根据二维空间的网格边缘信息确定每个边缘的边界框；对所有边界框进行过滤处理；将过滤后的所有边界框投影到同一水平面中并求并集，得到建筑轮廓；将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，并利用建筑轮廓的矢量图从原始倾斜摄影数据中分离建筑，得到单体化的建筑。本发明据场景三维Mesh模型中三角面片法向方向来提取建筑轮廓矢量信息并进行建筑单体化，能够提高建筑单体化结果的准确性。

Description

一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法

技术领域

本发明涉及三维重建技术领域，具体涉及一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法。

背景技术

利用倾斜摄影采集的影像数据构建场景的三维模型，可以还原场景信息，以更加直观的方式呈现给用户。采用多边形网格（Mesh模型）来表示重建生成的三维模型，具有简单灵活、保持拓扑等优点，方便对重建的三维模型做单体化（实体化）、编辑、建立属性、检索、导出数据供第三方软件做统计分析等后续操作。

在智慧城市、应急指挥等实际应用中，往往需要先在重建生成的场景三维Mesh模型的基础上，实现建筑单体化，即分离提取“单体化”建筑。单体化的成果可以进行属性编辑和数据操作，对建筑物的三维可视化，三维模型管理及三维GIS均有重要意义，有助于实现城市精细化管理，具有广泛的应用。

实现建筑单体化的关键在于从三维场景（即场景的三维Mesh模型）中准确提取建筑的轮廓信息。目前应用较为广泛的建筑单体化方法主要是矢量切割单体化，矢量叠加单体化等，这些方法都是用建筑物对应的矢量面（Top视角下建筑轮廓的Shp图），对原始倾斜摄影数据（Osgb数据）进行切割，从物理上把连续的三角面片网分隔，实现单体化。获取矢量面是建筑单体化的关键一步，传统的方法是首先利用语义识别方法从三维场景中识别出建筑，然后转为Top视角下的二值图，再对二值图进行膨胀操作，最后求轮廓并把轮廓矢量信息保存为shp图。这种方法主要有如下问题：

（1）轮廓矢量信息不准确。由于语义识别的结果不一定准确，包含一定的噪声；

（2）结果受膨胀系数影响较大。由于不同的建筑实验需要不同膨胀系数，所以很难确定一个准确的值。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，包括以下步骤：

S1、将城市的原始倾斜摄影数据转换为Mesh模型；

S2、根据Mesh模型中三角面片的角度信息从Mesh模型中提取屋顶信息；

S3、从屋顶信息中提取屋顶所有网格的边缘信息；

S4、将提取的网格边缘信息从三维空间映射到二维空间；

S5、根据二维空间的网格边缘信息确定每个边缘的边界框；

S6、对所有边界框进行过滤处理；

S7、将过滤后的所有边界框投影到同一水平面中并求并集，得到建筑轮廓；

S8、将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，并利用建筑轮廓的矢量图从原始倾斜摄影数据中分离建筑，得到单体化的建筑。

可选地，步骤S2具体包括以下分步骤：

S11、计算Mesh模型中各个三角面片的法线与Z轴的夹角；

S12、从所有三角面片中提取满足设定夹角阈值的三角面片；

S13、判断提取的三角面片中Z轴坐标值是否小于设定坐标阈值；若是，则删除该三角面片；否则保留该三角面片，得到屋顶信息。

可选地，步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对屋顶信息中所有三角面片计算连通域；

S32、设置一个过滤器，对每个连通的三角面片提取满足过滤条件的边，得到屋顶所有网格的边缘信息。

可选地，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、获取提取的网格边缘信息中各个边缘所有三维点的Z轴坐标值，并确定各个边缘最小的Z轴坐标值；

S42、以各个边缘最小的Z轴坐标值所在平面作为投影平面，将各个边缘上所有的三维点投影到对应的投影平面上。

可选地，步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、计算二维空间的网格边缘信息中各个边缘的X轴坐标的最大值和最小值，以及Y轴坐标的最大值和最小值；

S52、根据各个边缘的X轴坐标的最大值和最小值，以及Y轴坐标的最大值和最小值确定各个边缘的边界框的四个顶点坐标位置。

可选地，步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、对每个边界框分计算对应的周长；

S62、判断各个边界框的周长是否小于设定周长阈值；若是，则删除该边界框；否则保留该边界框。

可选地，步骤S7具体包括以下分步骤：

S71、获取过滤后的所有边界框中各个边界框所有三维点的Z轴坐标值，并确定所有边界框最小的Z轴坐标值；

S72、以所有边界框最小的Z轴坐标值所在平面作为投影平面，将所有边界框上所有的三维点投影到投影平面上；

S73、将投影平面上的所有边界框进行叠加，得到最大范围的轮廓范围作为建筑轮廓。

可选地，步骤S8具体包括：

将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，遍历矢量图中每一个轮廓，从Mesh模型中提取每一个轮廓的三维点和三角面片，得到单体化的建筑。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提出一种根据场景三维Mesh模型中三角面片法向方向来提取建筑轮廓矢量信息并进行建筑单体化的方法。考虑到屋顶法线和立面法线的差异，通过法线的方向求得屋顶，再求得屋顶的轮廓，最后将轮廓的矢量信息保存为Shp图，并根据Shp图在原始倾斜摄影数据中切割得到单体化建筑，从而提高建筑单体化结果的准确性。

（2）本发明提取屋顶的时候，利用了求三角面片法线方向与Z轴夹角的方法，提取的屋顶准确率达到85%以上；

（3）本发明直接作用在未语义分割的Mesh模型上，不需要先对其进行语义识别，速度相对于传统的方法能提高50%。

附图说明

图1为本发明中一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法的流程示意图；

图2为本发明中Mesh模型示意图；

图3为本发明中提取屋顶和地面示意图；

图4为本发明中提取屋顶示意图；

图5为本发明中提取屋顶所有网格的边缘信息示意图；

图6为本发明中对边界框求布尔并集示意图；

图7为本发明中得到的建筑轮廓示意图；

图8为本发明中将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图示意图；

图9为本发明中得到单体化的建筑示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本发明实施例提供了一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，包括以下步骤S1至S8：

S1、将城市的原始倾斜摄影数据转换为Mesh模型；

在本发明的一个可选实施例中，原始倾斜摄影是一种二进制存储的带有嵌入式链接纹理数据的倾斜摄影三维数据格式。此类数据文件碎，数量多，高级别金字塔文件大，难以实现不同地域、不同部门之间的数据共享；因此本实施例提取OSGB模型的最外层的三角面片保存为Mesh模型，如图2所示。

S2、根据Mesh模型中三角面片的角度信息从Mesh模型中提取屋顶信息；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S2具体包括以下分步骤：

S11、计算Mesh模型中各个三角面片的法线与Z轴的夹角；

S12、从所有三角面片中提取满足设定夹角阈值的三角面片；

S13、判断提取的三角面片中Z轴坐标值是否小于设定坐标阈值；若是，则删除该三角面片；否则保留该三角面片，得到屋顶信息。

具体而言，本实施例首先采用下式计算所有的三角面片的法线与Z轴的夹角：

其中，a为法线向量，b为Z轴方向向量。

将夹角在X°以内的三角面片提取出来，X一般设置为45。即如果夹角小于X°，就记录这个三角面片的索引，最后根据索引重新将这些索引的三角面片保存为一个Mesh模型，如图3所示。

由于保存的Mesh模型可能含有地面及地面的物体（如车，人等），因此本实施例设置一个坐标阈值X，删除所有Z值小于X的点，从而删除地面及地面的物体，只保留屋顶，如图4所示。通常情况下建筑一层高大约3.5米，所以X一般设置为3。

S3、从屋顶信息中提取屋顶所有网格的边缘信息；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对屋顶信息中所有三角面片计算连通域；

S32、设置一个过滤器，对每个连通的三角面片提取满足过滤条件的边，得到屋顶所有网格的边缘信息。

具体而言，由于步骤S2提取的所有屋顶是有一个天然的间距，所以需要先对其求连通域，通过判断两个三角面是否有共享点来判断其是否连通，并向点和面数据添加ID数组来区分单独的连接体，从而实现对每个连通的三角面片单独进行操作，对每个连通区域求其三角面片的外边缘，即通过判断三角面中的边是否只由一个三角面使用，将只由一个多边形使用的边作为外边缘。由于会有很多个单独的小的Mesh，所以会生成很多个边缘，如图5所示。

S4、将提取的网格边缘信息从三维空间映射到二维空间；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、获取提取的网格边缘信息中各个边缘所有三维点的Z轴坐标值，并确定各个边缘最小的Z轴坐标值；

S42、以各个边缘最小的Z轴坐标值所在平面作为投影平面，将各个边缘上所有的三维点投影到对应的投影平面上。

具体而言，本实施例首先设置每一个边缘的最小Z值所在的平面为将要投影到的平面，然后将每一个边缘上所有点的Z值设置成这个最小Z值来将此边缘上所有的点都投影到同一平面上，从而实现将Mesh的边缘从三维映射到二维。

S5、根据二维空间的网格边缘信息确定每个边缘的边界框；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、计算二维空间的网格边缘信息中各个边缘的X轴坐标的最大值和最小值，以及Y轴坐标的最大值和最小值；

S52、根据各个边缘的X轴坐标的最大值和最小值，以及Y轴坐标的最大值和最小值确定各个边缘的边界框的四个顶点坐标位置。

具体而言，本实施例利用步骤S4将每个边缘的所有三维点投影到同一平面上，因此可以通过计算边缘上所有点的X轴坐标的最大值和最小值，Y轴坐标的最大值和最小值，根据X轴坐标的两个值和Y轴坐标的两个值两两结合四个点即可确定边界框的四个顶点的坐标位置，从而方便得到每个部分的轮廓。

S6、对所有边界框进行过滤处理；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、对每个边界框分计算对应的周长；

S62、判断各个边界框的周长是否小于设定周长阈值；若是，则删除该边界框；否则保留该边界框。

具体而言，本实施例通过公式[(Xmax-Xmin)+(Ymax-Ymin)]对每个边界框求一个周长，每个边界框的周长设置一个周长阈值X，将周长小于周长阈值X的边界框全部删除，从而过滤不属于屋顶的噪声。即将所有的边界框从小到大排序，删除前30%边界框，X设置为此分界值。

S7、将过滤后的所有边界框投影到同一水平面中并求并集，得到建筑轮廓；

在本发明的一个可选实施例中，步骤S7具体包括以下分步骤：

S71、获取过滤后的所有边界框中各个边界框所有三维点的Z轴坐标值，并确定所有边界框最小的Z轴坐标值；

S72、以所有边界框最小的Z轴坐标值所在平面作为投影平面，将所有边界框上所有的三维点投影到投影平面上；

S73、将投影平面上的所有边界框进行叠加，得到最大范围的轮廓范围作为建筑轮廓。

具体而言，本实施例将过滤后的所有边界框投影到同一个水平面，从而能够得到最后的Top视角下的二维平面上的屋顶轮廓。

然后对所有边界框求一个布尔并集就得到了建筑屋顶的轮廓信息，即将所有的轮廓范围叠加在一起，重合的部分会自动覆盖，最后利用pyvista库中extract_feature_edges函数会到一个最大范围的轮廓，如图6所示。求并集就是目的是为了得到所有轮廓的边界，就是建筑轮廓，如图7所示。

S8、将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，并利用建筑轮廓的矢量图从原始倾斜摄影数据中分离建筑，得到单体化的建筑。

在本发明的一个可选实施例中，步骤S8具体包括：

将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，遍历矢量图中每一个轮廓，从Mesh模型中提取每一个轮廓的三维点和三角面片，得到单体化的建筑。

具体而言，本实施例将轮廓的矢量信息保存为Shp图，从而能够在切割的时候参照轮廓的矢量信息，如图8所示；然后利用建筑轮廓的Shp图在原始倾斜摄影数据（Osgb数据）中分离建筑，Shp图中每个轮廓即对应一个建筑，遍历每一个轮廓，通过判断原始的Mesh模型中点和面是否在这个轮廓中，如果在这个轮廓内则提取出来作为一个单体建筑，即可从原始的Mesh模型中提取出属于这个轮廓的点还有面，从而得到单体化的建筑，如图9所示。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将城市的原始倾斜摄影数据转换为Mesh模型；

S2、根据Mesh模型中三角面片的角度信息从Mesh模型中提取屋顶信息；

S3、从屋顶信息中提取屋顶所有网格的边缘信息；

S4、将提取的网格边缘信息从三维空间映射到二维空间；

S5、根据二维空间的网格边缘信息确定每个边缘的边界框；

S6、对所有边界框进行过滤处理；

S7、将过滤后的所有边界框投影到同一水平面中并求并集，得到建筑轮廓；

S8、将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，并利用建筑轮廓的矢量图从原始倾斜摄影数据中分离建筑，得到单体化的建筑。

2.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下分步骤：

S11、计算Mesh模型中各个三角面片的法线与Z轴的夹角；

S12、从所有三角面片中提取满足设定夹角阈值的三角面片；

S13、判断提取的三角面片中Z轴坐标值是否小于设定坐标阈值；若是，则删除该三角面片；否则保留该三角面片，得到屋顶信息。

3.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、对屋顶信息中所有三角面片计算连通域；

S32、设置一个过滤器，对每个连通的三角面片提取满足过滤条件的边，得到屋顶所有网格的边缘信息。

4.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下分步骤：

S41、获取提取的网格边缘信息中各个边缘所有三维点的Z轴坐标值，并确定各个边缘最小的Z轴坐标值；

S42、以各个边缘最小的Z轴坐标值所在平面作为投影平面，将各个边缘上所有的三维点投影到对应的投影平面上。

5.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下分步骤：

S51、计算二维空间的网格边缘信息中各个边缘的X轴坐标的最大值和最小值，以及Y轴坐标的最大值和最小值；

S52、根据各个边缘的X轴坐标的最大值和最小值，以及Y轴坐标的最大值和最小值确定各个边缘的边界框的四个顶点坐标位置。

6.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S6具体包括以下分步骤：

S61、对每个边界框分计算对应的周长；

S62、判断各个边界框的周长是否小于设定周长阈值；若是，则删除该边界框；否则保留该边界框。

7.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S7具体包括以下分步骤：

S71、获取过滤后的所有边界框中各个边界框所有三维点的Z轴坐标值，并确定所有边界框最小的Z轴坐标值；

S72、以所有边界框最小的Z轴坐标值所在平面作为投影平面，将所有边界框上所有的三维点投影到投影平面上；

S73、将投影平面上的所有边界框进行叠加，得到最大范围的轮廓范围作为建筑轮廓。

8.根据权利要求1所述的一种从城市场景的Mesh模型中生成单体化建筑的方法，其特征在于，步骤S8具体包括：

将建筑轮廓的矢量信息保存为矢量图，遍历矢量图中每一个轮廓，从Mesh模型中提取每一个轮廓的三维点和三角面片，得到单体化的建筑。

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