JP2009545032A - 建物屋根タイプの識別の機能を提供する地理空間モデリング・システム及び関連した方法 - Google Patents

Abstract

地理空間モデリング・システム（２０）は、地理空間モデル・データベース（２１）、及びプロセッサ（２２）を含み得る。プロセッサ（２２）は、考えられる複数の建物屋根タイプからであるように建物屋根のデータ点（５０）によって規定される建物屋根タイプを識別するために地理空間データベース（２１）と協調することができる。これは、複数方向の勾配計算を建物屋根のデータ点に施すことに基づいて行うことができる。

Description

本発明は、トポグラフィの分野に関し、特に、トポグラフィ・モデルを生成するシステム及び関連した方法に関する。

地域のトポグラフィ・モデルは多くの適用分野に使用することができる。例えば、トポグラフィ・モデルは、フライト・シミュレータ、及び軍事ミッションの計画に使用することができる。更に、人工の構造（例えば、都市）のトポグラフィ・モデルは、例えば、携帯電話用アンテナの配置、都市計画、災害への備え・分析や、地図作成などの適用分野において非常に有用であり得る。

トポグラフィ・モデルを作成する種々のタイプ及び方法が現在、使用されている。一般的なトポグラフィ・モデルの１つに、ディジタル高度地図（ＤＥＭ）がある。ＤＥＭは、コンピュータにより、自動的に生成することができる地域のサンプリングされた行列表現である。ＤＥＭでは、座標点は高さ値に対応させる。ＤＥＭは通常、異なる高度（例えば、谷、山等）間の遷移が、１つの遷移から別の遷移まで概して平滑である地形をモデリングするために使用される。すなわち、ＤＥＭは通常、複数の曲面として地形をモデリングし、それらの間の不連続性は、よって、「取り除かれる」。よって、通常のＤＥＭでは、地形上で目立つ物体は存在しない。

特に効果的な３Ｄサイト・モデリング製品の１つに、本発明の譲受人であるハリス（Ｈａｒｒｉｓ）社によるＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）がある。ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）を使用して、関心地域の重なり合う画像を登録し、高分解能ＤＥＭを立体視手法及び天底観測手法を使用して抽出することができる。ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）は、正確なテクスチャ及び構造物境界を有する、都市を含む地域の３次元（３Ｄ）トポグラフィ・モデルを作成する半自動処理を提供する。更に、ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）モデルは、地理空間的に正確である。すなわち、モデル内の何れかの特定の点の位置は、非常に高い正確性で、地域内の実際の位置に対応する。ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）を生成するために使用されるデータは、航空写真及び衛星写真、光波、赤外線、及び光検知測距（ＬＩＤＡＲ）を含み得る。

３Ｄサイト・モデルを生成するための別の効果的な手法は、本発明の譲受人に譲渡され、その内容全体を本明細書及び特許請求の範囲に援用するＲａｈｍｅｓらによる米国特許第６６５４６９０号明細書に開示されている。上記特許明細書には、高度対位置のランダムに間隔を空けたデータに基づいて、地形及び建物を含む地域のトポグラフィ・モデルを作成する自動化された手法が開示されている。上記手法は、ランダムに間隔を空けたデータを処理して、所定の位置グリッドに準拠した、高度対位置のグリッド・データを生成する工程、グリッド・データを処理して建物データを地形データと区別する工程、及び建物データの多角形抽出を行って、地形及び建物を含む領域のトポグラフィ・モデルを作成する工程を含む。

自動化トポグラフィ・モデルの生成における課題の１つに、特定の地理空間データの組において存在している各種建物構造間で区別するということがある。すなわち、収集された地理空間データを、幾何形状を使用した建物及びその屋根のレンダリングで置き換えて、鮮明で、かつ実在しているようにみえる建物をもたらすことが望ましいことが多い。しかし、建物は種々の屋根タイプ（陸屋根、勾配屋根（例えば、山型屋根、寄棟屋根）や、ドーム形状屋根）を有し得る。更に、複雑な建物の形状の一部は、複数の屋根タイプ又はそれらの組合せを有し得る。例えば、一部の建物は、交差する複数の勾配屋根を有し得る。よって、自動化コンピュータ処理を使用して適切な建物形状で置き換えることが可能になる前に、操作者が、介入し、建物又は屋根のタイプを建物データ点から手作業で識別することが必要になる場合が多い。それでも、前述の手作業の介入は時間を要し、その結果、多くの適用分野の場合、特に、建物の数が多い都市地域のトポグラフィ・モデルを生成する場合、場合によっては、費用が法外である。

よって、前述の背景に鑑みれば、本発明の目的は、建物屋根タイプを識別する機能を提供する地理空間モデリング・システム、及び関連した方法を提供することである。

前述並びに他の目的、特徴及び効果は、地理空間モデル・データベース及びプロセッサを含み得る物理空間モデリング・システムによって提供される。特に、プロセッサは、考えられる複数の建物屋根タイプからであるように建物屋根のデータ点によって規定される建物屋根タイプを識別するために地理空間データベースと協調することができる。これは、複数方向の勾配計算を建物屋根のデータ点に施すことに基づいて行うことができる。

更に、プロセッサは、陸屋根タイプ、勾配屋根タイプ、複雑勾配屋根タイプ、及びドーム形状屋根タイプからであるように建物屋根タイプを識別することができる。複数方向勾配計算は、ロバートの交差計算を含み得る。特に、ロバートの交差計算は、例えば、８方向のロバート交差計算を含み得る。プロセッサは更に、地理空間モデル・データから地上データ点及び植生デ―タ点を除去して建物屋根のデータ点を選択することができる。

複数方向勾配計算は、建物屋根のデータ点毎にセンタリングされたグリッドを使用する工程と、グリッド内の対向する側部の距離を合計する工程と、和が、局所化されたピーク・データ点であるようにゼロからの閾値内にある建物屋根のデータ点を識別する工程とを含み得る。特に、複数方向勾配計算は更に、選択された建物屋根領域にわたる、局所化ピーク・データ点の標準偏差を求める工程、及び、選択された建物屋根領域が建物屋根領域の合計の閾値部分よりも大きい場合、かつ、標準偏差が閾値標準偏差を下回る場合、陸屋根タイプとして建物屋根タイプを示す工程を含み得る。

複数方向勾配計算は、数が閾値よりも少ない連続した局所化ピーク・データ点の群を除去する工程も含み得る。更に、複数方向勾配計算は、連続した局所化ピーク・データ点の長さが残っているかを判定し、肯定の場合、建物屋根タイプを勾配屋根タイプとして識別する工程を含み得る。更に、連続した局所化ピーク・データ点のうちの複数の交差する長さを求めることができ、その場合、建物屋根タイプを複雑勾配屋根タイプとして識別することができる。

更に、プロセッサは、建物屋根のデータ点が円形形状を規定するか否かを判定することができ、複数方向勾配計算は、屋根建物のデータ点の少なくとも１つの高度ヒストグラムを計算する工程を含み得る。更に、複数方向勾配計算は、屋根建物のデータ点の高度ヒストグラム・データを計算する工程と、高度ヒストグラム：データの標準偏差が閾値を下回る場合、建物屋根タイプをドーム形状屋根タイプとして識別する工程とを含み得る。

更に、地理空間モデル・データベースは、考えられる複数の建物屋根タイプ毎に少なくとも１つの個別の建物屋根形状を記憶することができる。そういうものとして、プロセッサは、地理空間モデル・データベースと協調して、建物屋根のデータ点を、識別された建物屋根タイプの少なくとも１つの個別の建物屋根形状で置き換えることができる。

地理空間モデリング方法は、建物屋根のデータ点を地理空間モデル・データベースに記憶する工程を含み得る。方法は、複数方向勾配計算を建物屋根のデータ点に施すことに基づいてプロセッサを使用して、考えられる複数の建物屋根タイプのうちからであるように、建物屋根のデータ点によって規定される建物屋根タイプを識別する工程を更に含み得る。

本発明による地理空間モデリング・システムを示す概略ブロック図である。 本発明による地理空間モデリング方法を示す流れ図である。 図２の建物の陸屋根の識別方法を示す建物の陸屋根のデータ点の一連の上面図である。 図２の建物の勾配屋根の識別方法工程を示す建物の勾配屋根データ点の一連の上面図である。 本発明による、複雑勾配屋根レンダリングを示す概略ブロック図を示す図である。 本発明による、複雑勾配屋根レンダリングを示す概略ブロック図を示す図である。 本発明による、複雑勾配屋根レンダリングを示す概略ブロック図を示す図である。 本発明による、複雑勾配屋根レンダリングを示す概略ブロック図を示す図である。 ドーム形状建物のデータ点及び対応するヒストグラム表現（図２のドーム形状屋根の識別方法を示す）の上面図である。 本発明によってレンダリングされた陸屋根及び勾配屋根を有する建物の側面図である。 本発明によってレンダリングされた複雑勾配屋根を有する建物の側面図である。 本発明によってレンダリングされた複雑勾配屋根を有する建物の側面図である。 本発明によってレンダリングされたドーム形状屋根の建物の側面図である。

次に、添付図面を参照して本発明を以下に更に詳細に説明する。本発明の好ましい実施例を示す。しかし、本発明は、種々の多くの形態において実施することができ、本明細書及び特許請求の範囲記載の実施例に限定されるものとして解されるべきでない。むしろ、前述の実施例は、本願の開示が詳細かつ完全であり、当業者にその範囲を詳細に伝えるように記載される。同じ符号は、図を通して同じ構成要素を表す。

まず、図１を参照すれば、地理空間モデリング・システム２０は、図では、各種の建物屋根を識別し、レンダリングするために効果的に使用することができるプロセッサ２２及び地理空間モデル・データベース２１を含む。例として、プロセッサ２２は、例えば、ＰＣ、マック、又は他の計算機ワークステーションの中央処理装置（ＣＰＵ）であり得る。ディスプレイ２３は、以下に更に説明するように、更に、地理空間モデリング・データを表示するために、プロセッサ２２に結合され得る。当業者が認識するように、プロセッサ２２は、以下に更に説明する種々の動作を行うためのハードウェア及びソフトウェアの構成部分の組合せを使用して実現することができる。

例として、地理空間データは、立体光学撮像、光検知測距（ＬＩＤＡＲ）、インターフェロメトリック合成開口レーダ（ＩＦＳＡＲ）等などの種々の手法を使用してキャプチャすることができる。概して、当業者が認識するように、データは、飛行機、衛星等により、関心地域の上空（例えば、天底）観測からキャプチャされる。しかし、関心地域の斜め画像を、地理空間モデルに更なる３Ｄ詳細を付加するために天底画像に加えて、（又は天底画像の代わりに）使用することもできる。ＬＩＤＡＲ等を使用してキャプチャされた未処理画像データは、ディジタル高度モデル（ＤＥＭ）などの所望の形式に、地理空間モデル・データベース２１から上流に処理することができるか、又は、これはプロセッサ２２によって行うことができる。

図２乃至図９を次に参照すれば、ブロック３０に始まり、プロセッサ２２は、ブロック３１で、地理空間モデル・データから地上データ点及び植生データ点を除去して、処理するために建物屋根のデータ点を選択することができる。例として、これは、Ｒａｈｍｅｓらによる上記米国特許第６６５４６９０号明細書に開示された処理、並びに、ＲｅａｌＳｉｔｅ（登録商標）又は他の適切な手法を使用して行うことができる。建物屋根のデータ点を特定すると、プロセッサ２２は、考えられる複数の建物屋根タイプのうちからであるように建物屋根のデータ点によって規定される建物屋根タイプを識別し始め得る。例として、建物屋根タイプは、陸屋根、勾配屋根、複雑勾配屋根、及びドーム形状屋根（又はそれらの組合せ）を含み得る。概して、この識別は、複数方向の勾配計算を建物屋根のデータ点に施すことに基づいて行われる。

特に、図３に示す例では、建物屋根のデータ点５０は、陸屋根を有する建物からのものである。複数方向の勾配計算は、ロバートの交差計算を含み得、特に、例えば、８方向の（すなわち、３×３の）ロバートの交差グリッド５１に基づいた計算を含み得る。これは、建物データ点５０毎にロバートのクロス・グリッド５１をセンタリングさせ、グリッド内の対向する側の点の距離を加算し、和がゼロからの閾値内にある建物屋根のデータ点が、局所化されたピーク・データ点であるものとして識別する（ブロック３２）ことによって行われる。すなわち、ほぼゼロである、グリッドの対向する側上の点の差の和を有する建物屋根のデータ点５０は、当業者が認識するように、ほぼゼロの勾配を有する。これは、特定の点が、勾配面上にないことを示す。すなわち、局所ピークにあるか、平坦な表面上にある（何れも、本明細書及び特許請求の範囲では、局所化されたピーク点として表される）。

識別された点が陸屋根の一部であるか否かを判定するために、ブロック３３では、プロセッサ２２は、選択された建物屋根領域５２にわたる局所化されたピーク・データ点の標準偏差を求める。建物屋根領域５２は、局所化されたピーク・データ点の集約に基づいて選択することができる。選択は、ロバートの交差演算子によって得られる低い（ほぼゼロ勾配である）値に基づいて自動的に行われる。選択された建物屋根領域５２が、建物屋根領域全体の閾値部分よりも大きい場合、かつ、標準偏差が、閾値の標準偏差未満の場合、プロセッサ２２は、建物屋根タイプを陸屋根タイプとして識別する（ブロック３４乃至３５）。例として、建物屋根領域の合計は、約６５％より大きいことがあり得、閾値標準偏差は約１メートルよりも少ないことがあり得る。当然、種々の閾値を種々の実施例に使用することができる。よって、プロセッサ２２は、図１０中の建物１００などの陸屋根の建物を近似する建物データ点を１つ又は複数の幾何物体／形状で、置き換え、任意的には、形状をディスプレイ２３上に、地形データ（すなわち、地上データ、樹木データ等）を伴って、又は前述のデータなしでディスプレイ２３上に形状を表示することができる。

しかし、上記条件の何れかが満たされない場合、プロセッサ２２は、１つ又は複数の勾配屋根位置を建物が有しているか否かを判定することに進む。特に図４を参照すれば、プロセッサ２２は、数が閾値よりも少ない連続した局所化ピーク点群を除去する（ブロック３６）。例えば、建物屋根のデータ点が勾配屋根に対応するか否かの判定の検討から排除され得る。例証した例では、標準勾配屋根をそれぞれが有する建物の２つの組の建物屋根のデータ点６０ａ、６０ｂを示す。上記３×３のロバートの交差グリッド６１に基づいて計算を行った後、局所化ピーク・データ点の３つの群６２ａ、６３ａ、６４ａ及び６２ｂ、６３ｂ、６４ｂが、建物６０ａ、６０ｂそれぞれについて残る。

ブロック３７で、連続した局所化ピーク・データ点群の特定の長さが残り、この長さが、屋根全体の領域全体よりもかなり少ない領域を有するが、残りの群の何れの他の長さよりもかなり大きい場合、プロセッサ２２は、ブロック３８で、存在している前述の群が１以下の場合、単一勾配屋根タイプのものとして屋根を識別する（ブロック３９）。図の例では、群６３ａ及び６３ｂはこの基準を満たし、したがって、勾配屋根構造の頂点を表す。しかし、５つ以上のコーナーが存在している場合、これは、複雑勾配屋根として屋根を識別する（ブロック４０）。すなわち、複雑勾配屋根は、複数の頂点を有する複数勾配屋根の構成を有する。

勾配屋根又は複雑勾配屋根を構築するために、プロセッサ２２は、勾配屋根／建物形状６５（図５）を生成する。単一勾配屋根の場合、プロセッサ２２は、勾配屋根形状６５を、建物のデータ点に対応する建物の幅、長さ及び高さにフィットさせる。勾配屋根形状６５を使用してレンダリングされた例示的な単一勾配屋根の建物１０１、１０２は図１０に示す。２つ以上の勾配屋根形状６５を含む複雑勾配屋根をレンダリングするためには、複雑勾配屋根は、図５に示すように、交差する複数の勾配屋根形状に分割することが可能である。これを統合して単一の複雑勾配屋根／建物構造６６を提供する。

特に、種々の勾配屋根形状をレンダリングする処理は、図６乃至図８に更に示す。プロセッサ２２はまず、建物の形状を近似する多角形が分割可能である旨を検証する。すなわち、プロセッサ２２は、建物の角度が全て、９０°又は２７０°（すなわち、−９０°）の角度であることを確実にするよう検査する（図６（ｂ））。次いで、形状は、概略が視覚的に示され（図６（ｃ））、ちょうど２個の近傍を有する点を除去し、次いで、隣接点をマージすることにより、ノード６７及びエッジに縮減される（図６（ｄ））。

エッジ点６７は次いで、それぞれの近傍の数に基づいて分類される。すなわち、一近傍エッジ点を有するエッジ点は端点６７ａとして分類される。２つが端点６７ａである近傍の３つのエッジ点を有するエッジ点は勾配端点６７ｂとして分類される。更に、１つが端点６７ａである近傍の３つのエッジ点を有するエッジ点は、角点６７ｃとして分類される。更に、近傍の３つのエッジ点を有し、隣接する端点６７ａを有しないエッジ点は、Ｔジャンクション点６７ｄとして分類される。更に、近傍の４つのエッジ点を有するエッジ点は、クロス接続点（すなわち、「＋」形状の複雑勾配の建物の屋根の構造の中心にある）として分類される。これは、図６に示す例には示していない。

端点のないエッジ毎に、図７に示すように矩形が、建物の特定の幾何形状（例えば、「Ｉ」形状、「Ｌ」形状、「Ｔ」形状、「Ｕ」形状、「Ｓ」形状、「Ｊ」形状又は「Ｈ」形状）に基づいて生成される。矩形毎に、勾配が次いで投影される。２つの端点間にない勾配点毎に、図８に示すように、この点を、その勾配区間と何れかの他の勾配区間との間の最も近い交差で置き換えて、最終的な複雑勾配屋根の形状をレンダリングする。上記手法を使用してレンダリングされた例示的な複雑勾配屋根の建物１２１乃至１２５を図１１及び図１２に示す。

屋根のタイプが陸屋根でも単一勾配屋根／複雑勾配屋根でもないと判定された場合、プロセッサ２２は次いで、ブロック４１で、当業者が認識するように、建物屋根のデータ点が、円形の形状を画定しているか否かを判定する。図９（ａ）を参照すれば、円形の建物屋根のデータ点の組９０を示す。本明細書及び特許請求の範囲では、「円形」は、完全な円形のみならず、その変形（卵形、楕円形、半円形等を含む）も含むことを表している。建物の屋根のデータ点９０が実際に円形形状を画定する場合、プロセッサ２２は、ブロック４２で、点の高さの高度ヒストグラムを生成する（図９（ｂ））。次いで、統計的に中心から離れた点は除去され（図９（ｃ））、残りのヒストグラム点の標準偏差が閾値未満である（すなわち、その平均に対して低い）場合、屋根はドーム形状屋根として識別され、プロセッサ２２は、適切なド―ム形状でそれを置き換える。前述の手法を使用してレンダリングされた例示的なドーム形状屋根の建物１３０を図１３に示す。

適切な建物屋根のタイプが識別され、レンダリングされると（、又は、屋根のタイプが上記カテゴリの１つに収まらない場合）、図示した方法は完了する（ブロック４５）。当然、実際の実現形態では、処理を次いで反復して、別々の組の建物屋根のデータ点について他の建物屋根のタイプを識別することができる。

前述の例示的な手法は、陸屋根形状から始まり、次に勾配屋根形状に移り、最後に、ドーム形状屋根の形状を求める順序を記載している一方、この順序は、別々の実施例において変更し得る。しかし、一般に、大規模の都市地域が分類される場合、処理の資源を節減することができるため、最も一般的な建物屋根タイプで始めることが望ましい。例えば、中心街地域では、建物の多くは陸屋根を有し得るので、特定の組の建物屋根データ点が陸屋根に対応するかをまず検査することが効果的であり得る。郊外地域では、建物の多くは家屋であり得、それらは、勾配屋根構造を有している可能性がより高く、したがって、前述の適用例では、勾配屋根の識別から始めることが望ましいこということがあり得る。

更に、プロセッサ２２は、全ての実施例において、考えられる屋根タイプ全てを検査しなければならない訳でない。例えば、特定の例において所望のタイプの屋根を有する建物のみを識別することが望ましいということがあり得る。更に、建物の実際の形状を必ずしも表示のためにレンダリングしなくてよい。すなわち、上記手法を使用して、後の、屋根／建物の自動的なレンダリングに係わらず、建物屋根タイプを自動的に識別することができる。

Claims (10)

1. 地理空間モデリング・システムであって、
   地理空間モデル・データベースと、
   複数方向の勾配計算を建物屋根のデータ点に施すことに基づいて、考えられる複数の建物屋根タイプからであるように建物屋根のデータ点によって規定される建物屋根タイプを識別するために前記地理空間モデル・データベースと協調するプロセッサとを備える地理空間モデリング・システム。
2. 請求項１記載の地理空間モデリング・システムであって、前記プロセッサは、陸屋根タイプ、勾配屋根タイプ、複雑勾配屋根タイプ、及びドーム形状屋根タイプからであるように前記建物屋根タイプを識別する地理空間モデリング・システム。
3. 請求項１記載の地理空間モデリング・システムであって、前記複数方向の勾配計算は、ロバートの交差計算を含む地理空間モデリング・システム。
4. 請求項１記載の地理空間モデリング・システムであって、前記プロセッサは、更に、地理空間モデル・データから地上データ点及び樹木データ点を除去して前記建物屋根のデータ点を選択する地理空間モデリング・システム。
5. 請求項１記載の地理空間モデリング・システムであって、前記複数方向の勾配計算は、建物のデータ点毎にセンタリングされたグリッドを使用する機能と、前記グリッド内の対向する側部の距離を合計する機能と、和が、局所化されたピーク・データ点であるようにゼロからの閾値内にある建物屋根のデータ点を識別する機能とを含む地理空間モデリング・システム。
6. 地理空間モデリング方法であって、
   建物屋根のデータ点を地理空間モデリング・データベースに記憶する工程と、
   複数方向の勾配計算を前記建物屋根のデータ点に施すことに基づいて、プロセッサを使用して、考えられる複数の建物屋根タイプからであるように建物屋根のデータ点によって規定される建物屋根タイプを識別する工程とを含む地理空間モデリング方法。
7. 請求項６記載の方法であって、識別する工程は、陸屋根タイプ、勾配屋根タイプ、複雑勾配屋根タイプ、及びドーム形状屋根タイプからであるように前記建物屋根タイプを識別する工程を含む方法。
8. 請求項６記載の方法であって、前記複数方向の勾配計算は、ロバートの交差計算を含む方法。
9. 請求項６記載の方法であって、前記複数方向の勾配計算は、建物のデータ点毎にセンタリングされたグリッドを使用する工程と、前記グリッド内の対向する側部の距離を合計する工程と、和が、局所化されたピーク・データ点であるようにゼロからの閾値内にある建物屋根のデータ点を識別する工程とを含む方法。
10. 請求項６記載の方法であって、前記建物屋根のデータ点が円形形状を画定しているか否かを、前記プロセッサを使用して判定する工程を更に含み、前記複数方向の勾配計算は前記建物屋根のデータ点の高度ヒストグラム・データを計算する工程を含み、前記高度ヒストグラム・データの標準偏差が閾値未満の場合、前記建物屋根タイプをドーム形状屋根タイプとして識別する方法。

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