[發明專利]一種基于LiDAR數據與正射影像的3維屋頂重建方法

有效

• 申請號: 201110423560.4
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102521884A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 程亮;李滿春;劉永學;童禮華;張雯;陳焱明;蔡文婷;李真;楊康;潘航;鄒偉
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 蔣海軍

技術領域

本方法屬于影像處理方法技術領域，特別是涉及一種基于LiDAR數據與正射影像相結合的高精度、自動化的3維屋頂重建方法。

背景技術

3維建筑模型是數字城市的重要組成部分，廣泛應用于測繪遙感、虛擬現實、城市規劃、科學研究等領域。通過人工數字化、3維手工建模構建3維建筑模型，效率低、成本高，很難滿足大范圍、實時建筑模型的需求。伴隨著攝影測量技術、圖像處理技術、計算機視覺技術、地理信息技術等學科的發展，各類建筑模型構建方法不斷涌現，這些方法主要可以分為基于影像的自動化重建方法、基于LiDAR數據的自動化重建方法以及LiDAR與影像相結合的自動化重建方法。基于影像的自動化重建是目前最經濟快捷的城市建筑物的建模方法，但這種方法存在一定問題：(1)影像數據包含大量的陰影以及噪聲，對噪聲的相關處理還不是很成熟；(2)像對匹配特征的選擇比較困難；(3)利用攝影測量的方法從影像重建3維模型是一個綜合性的復雜問題，完全的自動化提取不大現實。

近年來，一種新型的測量技術機載激光雷達發展迅速，并被廣泛地應用于遙感測繪以及3維模型構建中，逐漸成為了城市3維模型構建的重要方法。已有一系列學者針對從LiDAR數據出發重建建筑物模型展開了研究并提出了一些方法。這些方法多數是先對LiDAR點進行面片分割，得到初始面片范圍，而后進行精化。但由于LiDAR點間距約一米，精度有限，初始的面片分割得到的輪廓不可能是準確輪廓，對于這一問題的解決目前多采用規則化的方法，但規則化方法存在了一定問題：(1)初始面片的構建可能并不完全準確，局部凹凸多邊形的出現可能使規則化后的結果出現多余多邊形或者局部特征的丟失；(2)單個面片的規則化，對各個面片的拓撲關系的考慮有所欠缺，這樣的規則化容易導致輪廓線的偏移。

單純以影像數據或者是LiDAR數據進行建筑物的自動重建都存在著一定的問題，為了獲取更好的建模效果可以考慮二者的結合。目前，已經有一些LiDAR與高分辨率影像結合的建筑物重建方法。2003年，Sohn?等人在International?Archives?of?the?Photogrammetry,?Remote?Sensing?and?Spatial?Information?Sciences?of?the?ISPRS會議中撰文《Building?extraction?using?Lidar?DEMs?and?Ikonos?images》，將LiDAR點與IKONOS影像相結合，通過濾波將地面點與非地面點分離，再利用影像計算NDVI指數，剔除植被數據。對建筑物點，使用模型驅動和數據驅動相結合的方法獲取輪廓線，最后完成模型的重建。這一方法在建筑物輪廓線的提取上比較獨特，但是由于其使用了固定的閾值，對于大區域的數據來說不夠靈活。2004年，Chen等人在International?archives?of?Photogrammetry?and?Remote?Sensing會議中撰文《Fusion?of?LIDAR?data?and?optical?imagery?for?building?modeling》，提出從LiDAR點云中檢測邊緣，再結合高分辨率航空影像，提高邊緣的幾何精度，組合成閉合的多邊形，最后進行模型的重建。這種方法能夠很好地修正建筑物的邊緣，但建模的精度很大程度依賴于影像分割的精度，未能充分發揮LiDAR點的數據優勢。

LiDAR數據與影像之間是有很強的互補性特征，兩者的結合會對重建帶來顯著的改善。

發明內容

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種自動化構建3維屋頂模型的方法，該方法根據LiDAR數據進行屋頂面片的分割以及各面片噪聲的剔除，再進行屋頂面片的擬合，提高了建模的正確性與完整性，同時結合LiDAR數據與正射影像提取精確的屋脊線、輪廓線，提高了建模的精確性，最后進行3維屋頂模型的自動化構建，實現了建模的自動化。

2.?本發明的技術方案如下：

原理：對LiDAR數據構建Delaunay三角網，利用LiDAR點提供的高程信息使用三角形簇的方法（三角形簇的方法即根據高程信息把鄰接的三角形集合組合成不同的組，構成三角形簇，并采用TNI結構形式，繪制時以三角形簇為單位進行調度和構網）提取出屋頂面片；利用高分影像的高分辨率特性提取精確邊緣線并構建左右多邊形，根據兩側多邊形內LiDAR點所屬面片情況進行屋脊線、輪廓線的提取；根據屋頂面片內的LiDAR點進行屋頂面片擬合，結合屋脊線、輪廓線進行3維屋頂模型的構建。

一種基于LiDAR數據與正射影像的3維屋頂重建方法，主要包括3個關鍵步驟：（參照附圖1）