[發明專利]基于長方體擬合掃描三維點云的曼哈頓結構建筑物自動建模方法

在審

• 申請號: 201710690419.8
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107657659A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 李明磊
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T17/30
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 唐紹焜

技術領域

本發明涉及計算機自動建模領域，具體涉及基于長方體擬合掃描三維點云數據的曼 哈頓結構建筑物自動建模方法。

背景技術

城市的三維幾何模型是建設數字城市的重要基礎數據之一，對城市規劃、智能交通 導航、環境監測和防災應急等都有重要的應用價值。空間數據采集可以有多種方法，如 通過攝影測量技術(Photogrammetry)恢復或者激光雷達掃描儀(LiDAR)掃描等技術 采集三維點云數據。這類三維點云數據在許多后續應用中無法滿足特定的操作需求，如 參數化表達、計算分析、快速成型、渲染和碰撞檢測等。因此，在三維點云數據的基礎 上進行表面幾何建模，生成格網化的表面模型成為很多實際應用中必不可少的工作，而 進行自動化三維表面建模仍然是一項極具挑戰性的工作。曼哈頓場景是指空間結構滿足 由三個方向相互正交的平面系列組合的一種結構，它對現實場景中的人造建筑物表達具 有廣泛的適用性。因此，研究該類型結構的自動建模方法，可以為大規模城市自動建模 工作提供重要的支持。

目前的商用三維建模軟件主要以交互式或半自動的方式進行建模操作。比如， Autodesk公司的3D Studio MAX和AutoCAD等三維建模渲染軟件，如果面對工程建模 的應用，都需要交互輸入如坐標、尺度和角度等必要的幾何參數，工作量大且操作繁瑣。 Google公司為普通建模愛好者開發了一款軟件SketchUp，以模仿圖紙作圖的方式設計 一種交互式的快捷簡便的生成三維模型的方法，而不考慮模型的精度和可測量性。這一 類半自動或交互式的建模方式遠不能滿足快速發展的城市大規模三維可視化自動建模 的需求。而針對數據驅動的自動建模方法，主要可以分為以下三類：第一類，基于 Delaunay三角剖分的方法；第二類，基于輪廓線提取與拉伸的建模方法；第三類，基于 隱函數的表面建模方法。

第一類建筑物建模算法是以Delaunay三角剖分為基礎的算法，這類算法一般通過對 全部或者大部分點進行內插，然后進行Delaunay三角形構網得到表面模型。Delaunay 三角網的一個重要特性就是其中的任一三角形的外接圓范圍內不會有其它點存在并與 其通視。圖2給出了一組基于二維散點的Delaunay三角剖分示意圖。對于建筑物建模， 首先以三維點云數據的平面二維坐標為索引進行構網，然后將高程數據以屬性的形式添 加到三角網節點上，得到三維模型。圖3所示給出了一組通過該技術實現的三維表面模 型。

但是，Delaunay三角剖分構網法重建的表面模型可以完全保留原始三維點云數據的 精度，然而正因如此，對于數據缺失和噪聲等現象，這種算法沒有相應的處理，導致重 建的表面往往存在不規整和由噪點引起的突兀。

此外，該方法只利用了平面二維的信息進行建模，丟失了縱向信息，而且需要對輸 入數據進行約束，即平面坐標是鋪展開的結構。這些問題導致了基于Delaunay三角剖 分的幾何模型表達不理想，限制了該技術的推廣應用。

第二類建筑物建模算法是通過提取屋頂輪廓線，并垂直拉伸到地面得到的多面體模 型。這類算法首先對三維點云進行分割處理，得到能夠代表不同屋頂區域的不同三維點 云聚類，如圖4所示。然后提取每一個聚類點集的區域輪廓，并對輪廓線進行一些拓撲 優化，比如填補缺口和線段簡化等。圖5給出了一種Douglas-Peucker線段簡化輪廓線 的方法示意圖。最后，屋頂輪廓線組成封閉的屋頂面片，同時將輪廓線向地面延伸，形 成代表墻面的幾何面片。最終，由屋頂面片和墻面面片兩類多邊形組合，獲得表達整個 建筑物的2.5維表面幾何模型，如圖6所示。

但是，該技術的建模結果依賴于屋頂分割和輪廓線提取的結果，如果數據存在嚴重 噪聲或者異常采樣值時，分割和輪廓提取的結果難免存在失真，進而致使重建的模型無 法與實際建筑物結構對應。此外，由于是直接從輪廓向地面拉伸構造立面結構，致使模 型無法表達縱向上的結構，嚴格講這一類模型屬于2.5維模型，缺失墻體立面信息。

第三類常用的建模技術是隱式表面建模，這類方法假設采樣三維點云數據空間中存 在一種能夠近似表達幾何表面模型的隱函數，該方法將整個空間區域假設為一個函數場， 目標表面為場中一個等值面，表面求解的過程就是要找到這樣一個能夠描述等值面的函 數，使其最佳擬合到采樣三維點云數據。這類技術中一種典型的算法是Poisson重建算 法，如圖7所示，該技術假設點集代表了物體表面的位置，其法向量代表了目標物的內 外方向。通過隱式地擬合一個由物體派生的指示函數，可以給出一個物體表面的平滑 估計。

表面重建算法的設計是通過求解表征三維點云形狀的指標函數：