专利名称：一种基于水平集的lod2建筑物模型构建方法
技术领域：
本发明属于应用水平集算法对DSM数据的分割处理领域，具体涉及ー种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法。
背景技术：
随着对数字城市需求的日益提高，城市和郊区人造地物的高精度模型化能够使人们參与到城市的规划设计与建设，对经济的发展和避难措施的策划提出參考性的建议。游戏娱乐、汽车导航、电子商务等领域的飞速发展促进了人们对数字城市的迫 需求。三维建筑物模型通常采用多尺度的表达方式，以满足不同的应用需求。根据CityGML的定义，LODl (Level Of Detail I)是指仅有平面屋顶的建筑物模型，LODl是第一级尺度，L0D2 (Level Of Detail 2)建筑物模型具有不同类型的建筑物屋顶和真实的表面纹理。目前，许多研究集中在LODl建筑物模型的构建方法上，主要研究方向是对具有精细几何结构以及表面纹理的建筑物模型的构建方法。在过去的几十年里，三维建筑物模型的构建技术可以使用多种数据源，尤其是DSM (Digital Surface Model，数字表面模型)的应用愈加广泛，通过多角度航拍图像或LiDAR(Light Detection And Ranging)数据处理所得的高精度DSM数据，其分辨率高达
O.3m，可提供丰富的三維信息，从而构建出精细的屋顶几何结构。但是现有技术还没有从DSM数据中提取复杂建筑物模型的顶面基元以及拓扑结构、实现较高精度的L0D2建筑物模型构建的方法。
发明内容
本发明是为了解决现有的基于ニ维图像的建筑物模型构建方法中存在的顶面结构不够细致而导致构建精度不高的问题，提出的一种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法。本发明的一种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法，其具体过程为步骤I、提取建筑物轮廓作为建筑物轮廓掩膜Qm，同时根据相对应的建筑物区域的地理坐标选取DSM数据，通过自动配准或人工配准的方式，将建筑物轮廓掩膜Qm和DSM数据配入到统ー的坐标系下；步骤2、根据步骤I选取的建筑物轮廓掩膜Ωπ和DSM数据获取建筑物顶面数据T ;步骤3、根据步骤2获得的建筑物顶面数据T获取建筑物顶面数据T的特征空间；步骤4、根据步骤3获取的特征空间将建筑物区域进行多相水平集分割，获取子区域；步骤5、根据多相水平集的定义分别提取步骤4获得的每个子区域的点集，然后检测建筑物每个片元的边界点，获取建筑物每个基元的角点的图像坐标；步骤6、根据步骤5获得的的建筑物角点的图像坐标，与步骤I中选取的DSM数据中的地理坐标相对应，建立建筑物顶面数据T的拓扑结构；
步骤7、根据步骤6获取的建筑物顶面数据T的拓扑结构，同时根据相应的建筑物区域的航拍可见光图像提取建筑物表面的纹理数据，与建筑物的不同基元相对应，完成L0D2建筑物模型的构建。本发明基于多相多通道水平集框架，将局部区域信息引入该框架，以DSM数据点的法向量作为特征向量进行水平集分割，分离出建筑物顶面的不同基元，从而实现顶面几何结构的构建。本发明的优势在于能够从DSM数据中提取复杂建筑物模型的顶面基元以及拓扑结构，实现较高精度的L0D2建筑物模型构建。本发明可用于L0D2级别的大規模建筑物的三维构建任务。
图I是本发明的建筑物模型构建方法流程示意图；图2是多想水平集分割过程的流程示意图；图3是本发明所采用的多相水平集方法的示意图；图4和图5是本发明在水平集框架中引入局部化区域信息方法的示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I说明本实施方式，一种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法，其具体过程为步骤I、提取建筑物轮廓作为建筑物轮廓掩膜Qm，同时根据相对应的建筑物区域的地理坐标选取DSM数据，通过自动配准或人工配准的方式，将建筑物轮廓掩膜Qm和DSM数据配入到统ー的坐标系下；步骤2、根据步骤I选取的建筑物轮廓掩膜Ωπ和DSM数据获取建筑物顶面数据T ;步骤3、根据步骤2获得的建筑物顶面数据T获取建筑物顶面数据T的特征空间；步骤4、根据步骤3获取的特征空间将建筑物区域进行多相水平集分割，获取子区域；步骤5、根据多相水平集的定义分别提取步骤4获得的每个子区域的点集，然后检测建筑物每个片元的边界点，获取建筑物每个基元的角点的图像坐标；步骤6、根据步骤5获得的的建筑物角点的图像坐标，与步骤I中选取的DSM数据中的地理坐标相对应，建立建筑物顶面数据T的拓扑结构；步骤7、根据步骤6获取的建筑物顶面数据T的拓扑结构，同时根据相应的建筑物区域的航拍可见光图像提取建筑物表面的纹理数据，与建筑物的不同基元相对应，完成L0D2建筑物模型的构建。
具体实施方式
ニ、本实施方式与具体实施方式
一的区别在于，本实施方式是对具 体实施方式一中步骤2的进ー步限定，所述步骤2中获取建筑物顶面数据T的方法为用建筑物轮廓掩膜Ωπ与配准后的DSM数据进行对应点相乘，然后用获得的结果去除建筑物轮廓外点集，获得建筑物的顶面数据Τ。
具体实施方式
三、本实施方式与具体实施方式
一的区别在于，本实施方式是对具体实施方式
一中步骤3的进ー步限定，所述步骤3中获取建筑物顶面数据T的特征空间的具体过程为对建筑物顶面数据T应用Delaunay三角形剖分算法计算每ー个三角形的法向量，然后对法向量进行归一化处理，将建筑物顶面数据T中的每ー个点Pi的法向量Ni用共用点Pi的相邻三角形的法向量的平均值来表示，结果作为建筑物顶面数据T的特征空间。
具体实施方式
四、本实施方式与具体实施方式
一的区别在于，本实施方式是对具体实施方式
一中步骤4的进ー步限定，所述步骤4中将建筑物区域进行多相水平集分割的具体过程为步骤4-1、在待分割数据I的定义域Ω内，以两条等间距、等半径的圆圈为初始曲线C1和C2，把定义域Ω划分为四个区域，分别将曲线C1和C2转化成水平集方程Ct1和Φ2的形式，令X表示任意点(x，y)，用符号距离函数表示ー个点X的水平集方程Φ^Χ)和Φ2(Χ)为
权利要求
1.一种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法,其特征在于该方法的具体过程为 步骤I、提取待构建模型的建筑物轮廓作为该建筑物轮廓掩膜Qm，同时根据相对应的建筑物区域的地理坐标选取DSM数据，通过自动配准或人工配准的方式，将建筑物轮廓掩膜Ωπ和DSM数据配入到统ー的坐标系下； 步骤2、根据步骤I选取的建筑物轮廓掩膜Ωπ和DSM数据获取建筑物顶面数据T ； 步骤3、根据步骤2获得的建筑物顶面数据T获取建筑物顶面数据T的特征空间；步骤4、根据步骤3获取的特征空间将建筑物区域进行多相水平集分割，获取子区域； 步骤5、根据多相水平集的定义分别提取步骤4获得的每个子区域的点集，然后检测建筑物每个片元的边界点，获取建筑物每个基元的角点的图像坐标； 步骤6、根据步骤5获得的建筑物角点的图像坐标，与步骤I中选取的DSM数据中的地理坐标相对应，建立建筑物顶面数据T的拓扑结构； 步骤7、根据步骤6获取的建筑物顶面数据T的拓扑结构，同时根据相应的建筑物区域的航拍可见光图像提取建筑物表面的纹理数据，与建筑物的不同基元相对应，完成L0D2建筑物模型的构建。
2.根据权利要求I所述的ー种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法,其特征在于所述步骤2中获取建筑物顶面数据T的方法为用建筑物轮廓掩膜Ωπ与配准后的DSM数据进行对应点相乘，然后用获得的结果去除建筑物轮廓外点集，获得建筑物的顶面数据Τ。
3.根据权利要求I所述的ー种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法,其特征在于所述步骤3中获取建筑物顶面数据T的特征空间的具体过程为对建筑物顶面数据T应用Delaunay三角形剖分算法计算每ー个三角形的法向量，然后对所有法向量进行归ー化处理，将建筑物顶面数据T中的每ー个点Pi的法向量Ni用共用点Pi的相邻三角形的法向量的平均值来表示，结果作为建筑物顶面数据T的特征空间。
4.根据权利要求I所述的ー种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法,其特征在于所述步骤4中将建筑物区域进行多相水平集分割的具体过程为 步骤4-1、在待分割数据I的定义域Ω内，以两条等间距、等半径的圆圈为初始曲线C1和C2，把定义域Ω划分为四个区域，分别将曲线C1和C2转化成水平集方程Φ1和Φ2的形式，令X表不任意点(X，y)，用符号距离函数表不一个点X的水平集方程Φ“Χ)和Φ200为 OJT在封闭曲线C1上φλ(Χ) = \+D(X,Cx) JT在封闭曲线C1的外部-D(X,Cx) JT在封闭曲线C1的内部 其中，D(X, C1)表示点X与曲线C1之间的Euclidean距离，OJT在封闭曲线C2上 ^2(X)= +D(X5C2) JT在封闭曲线C2的外部 -D(X,C2) JT在封闭曲线C2的内部 其中，D(X, C2)表示点X与曲线C2之间的Euclidean距离； 步骤4-2、分别计算两个水平集方程Φ“Χ)和Φ2(Χ)曲线的长度分量和面积分量，长度分量分别为
5.根据权利要求4所述的ー种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法，其特征在于所述步骤4-7中判断能量泛函是否达到了最小值的依据为通过设定阈值或设定迭代次数。
6.根据权利要求I所述的ー种基于水平集的L0D2建筑物模型构建方法,其特征在于所述步骤5中获取建筑物每个基元的角点的图像坐标具体方法为步骤5-1、令水平集方程Ct1 = O，Φ2 = O，获得建筑物顶面几何结构边缘的ニ值图；步骤5-2、对步骤5-1获得的建筑物顶面几何结构边缘ニ值图应用Harris算子检测建筑物结构姆个基元的角点的图像坐标，Harris算子为R = det (C) -ktr2 (C),其中
全文摘要
一种基于水平集的LOD2建筑物模型构建方法，属于应用水平集算法对DSM数据的分割处理领域。为了解决现有的基于二维图像的建筑物模型构建方法中存在的顶面结构不够细致而导致构建精度不高的问题。具体过程为提取建筑物轮廓掩膜Ωm，选取DSM数据，配入到统一坐标系下；获取建筑物顶面数据T；获取建筑物顶面数据T的特征空间；进行多相水平集分割，获取子区域；提取每个子区域的点集，检测每个片元的边界点，获取建筑物每个基元的角点的图像坐标；建立建筑物顶面数据T的拓扑结构；根据航拍可见光图像提取建筑物表面的纹理数据，与建筑物不同基元相对应，完成LOD2建筑物模型的构建。用于LOD2级别的大规模建筑物的三维构建任务。
文档编号G06T17/00GK102663815SQ201210090628
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者张晔, 王春媛, 贾冰, 陈雨时 申请人:哈尔滨工业大学