[發(fā)明專利]一種基于主成分分析的建筑物屋頂邊緣快速檢測方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610161761.4
• 申請(qǐng)日: 2016-03-22
• 公開（公告）號(hào): CN107220987A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戴玉成;龔建華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 嘉興博海信息科技有限公司;浙江中科空間信息技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心
• 主分類號(hào): G06T7/13
• 分類號(hào): G06T7/13
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于一種從密集三維離散屋頂點(diǎn)云中快速檢測屋頂輪廓方法，特別是關(guān)于加載LiDAR和無人機(jī)傾斜影像匹配重建點(diǎn)云的屋頂輪廓檢測應(yīng)用。

背景技術(shù)

實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用的屋頂輪廓檢測方法有以下幾種：依據(jù)橫和列兩個(gè)坐標(biāo)軸向完全遍歷的掃描線檢測方法和簇聚類凸包檢測算法。但是這些傳統(tǒng)的方法往往存在一些重要的缺陷：例如，掃描線檢測方法的精度受到建筑物和航向夾角的影響較為嚴(yán)重，且精度有限；凸包檢測算法考慮空間搜索鄰域半徑約束的情況下可以精確地檢測出建筑物屋頂輪廓點(diǎn)，但是計(jì)算量偏大。

基于主成分分析的建筑物屋頂檢測方法采用簇內(nèi)點(diǎn)在水平面上投影并構(gòu)建協(xié)方差矩陣的方法，求解出單個(gè)建筑物屋頂?shù)膬蓚€(gè)主軸方向。根據(jù)點(diǎn)在主軸方向上的投影距離，進(jìn)而識(shí)別出建筑物邊緣輪廓點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中的問題而提供一種基于建筑物屋頂兩個(gè)主軸方向的提取算法。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中的問題所采用的技術(shù)方案是：(1)、基于主成分分析的建筑物屋頂邊緣快速檢測：通過主成分分析方法(Principal Component Analysis，簡稱PCA)檢測出密集三維離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)的屋頂邊緣輪廓方法主要涉及三個(gè)關(guān)鍵步驟：首先、對(duì)于通過濾波和高程閥值處理后的建筑物屋頂三維密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在水平投影后構(gòu)建協(xié)方差矩陣。其次，由協(xié)方差矩陣特征分解， 解算出點(diǎn)云所在建筑物屋頂?shù)膬蓚€(gè)主要方向，即建筑物屋頂?shù)拈L和寬兩個(gè)軸方向。最后，由屋頂點(diǎn)集投影P_xy的平面范圍{(x_min，x_max)|(y_min，y_max)}結(jié)合物屋頂?shù)膬蓚€(gè)主要軸方向做屋頂輪廓切片分析，則可以快速遴選出建筑物屋頂四邊邊緣點(diǎn)。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明是計(jì)算幾何和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合，形成了一種利用主成分分析方法快速識(shí)別建筑物屋頂輪廓技術(shù)。針對(duì)聚類處理后的各個(gè)類簇cluster進(jìn)行處理，從中快速自動(dòng)檢測屋頂近似輪廓，識(shí)別建筑物單體對(duì)象區(qū)域。本發(fā)明采用的方法減少了工作人員參與，算法計(jì)算復(fù)雜度低，可以快速實(shí)時(shí)處理海量城市場景建筑物單體化過程中建筑物屋頂檢測環(huán)節(jié)，大大的降低了數(shù)據(jù)處理時(shí)間成本和人力資源成本。

附圖說明

下面通過一組附圖說明本算法的應(yīng)用領(lǐng)域及關(guān)鍵步驟。

圖1是一個(gè)復(fù)雜地表環(huán)境的數(shù)字正射影像

圖2是和圖1對(duì)應(yīng)的一個(gè)三維密集匹配點(diǎn)云

圖3是求解簇內(nèi)建筑物屋頂點(diǎn)云兩個(gè)主方向

圖4是沿長軸主方向上的切片分析

圖5是沿短軸主方向上的切片分析

圖6是檢測的屋頂邊緣

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。該技術(shù)用主成分分析方法對(duì)建筑物屋頂點(diǎn)集進(jìn)行分析，利用投影距離原理，建立邊緣點(diǎn)識(shí)別模型，通過計(jì)算點(diǎn)到主軸之間的距離，得到建筑物邊緣輪廓點(diǎn)。

本發(fā)明的現(xiàn)實(shí)主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)、基于主成分分析的建筑物屋頂兩個(gè)主軸方向檢測

首先、對(duì)于通過濾波和高程閥值處理后的建筑物屋頂三維密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在水平投影面xoy中構(gòu)建協(xié)方差矩陣，令P_xy表示屋頂點(diǎn)在xoy平面上的投影坐標(biāo)，可得到

其次，特征分解A_pv＝λv，解算出協(xié)方差矩陣A_p的兩個(gè)特征值(λ₁，λ₂)及其對(duì)應(yīng)的 特征向量(v₁，v₂)。這兩個(gè)列向量表示就是所在建筑物屋頂點(diǎn)云分布的兩個(gè)主要方向，即建筑物屋頂?shù)拈L和寬兩個(gè)軸方向。

最后，由屋頂點(diǎn)集投影P_xy的平面范圍{(x_min，x_max)|(y_min，y_max)}結(jié)合物屋頂?shù)膬蓚€(gè)主要軸方向做屋頂輪廓切片分析，則可以快速遴選出建筑物屋頂四邊邊緣點(diǎn)。

(2)、基于切片內(nèi)點(diǎn)到直線距離最大檢測邊緣點(diǎn)

平面上的一條直線ax+by+c＝0分割平面空間為兩個(gè)有向子集空間，令任一有向子空間中的點(diǎn)集合為對(duì)點(diǎn)集做“點(diǎn)在直線上投影”計(jì)算出各點(diǎn)在直線ax+by+c＝0上的投影點(diǎn)，最終獲得投影點(diǎn)集依據(jù)投影點(diǎn)集的橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)排序，并取4個(gè)單位點(diǎn)密度對(duì)其做切片分割。在每一個(gè)切片內(nèi)，根據(jù)公式求解點(diǎn)到直線間的距離：

在每個(gè)切片內(nèi)，距離直線最遠(yuǎn)點(diǎn)即為邊緣點(diǎn)。