[发明专利]一种基于LiDAR数据与正射影像的3维屋顶重建方法

说明书

技术领域

本方法属于影像处理方法技术领域，特别是涉及一种基于LiDAR数据与正射影像相结合的高精度、自动化的3维屋顶重建方法。

背景技术

3维建筑模型是数字城市的重要组成部分，广泛应用于测绘遥感、虚拟现实、城市规划、科学研究等领域。通过人工数字化、3维手工建模构建3维建筑模型，效率低、成本高，很难满足大范围、实时建筑模型的需求。伴随着摄影测量技术、图像处理技术、计算机视觉技术、地理信息技术等学科的发展，各类建筑模型构建方法不断涌现，这些方法主要可以分为基于影像的自动化重建方法、基于LiDAR数据的自动化重建方法以及LiDAR与影像相结合的自动化重建方法。基于影像的自动化重建是目前最经济快捷的城市建筑物的建模方法，但这种方法存在一定问题：(1)影像数据包含大量的阴影以及噪声，对噪声的相关处理还不是很成熟；(2)像对匹配特征的选择比较困难；(3)利用摄影测量的方法从影像重建3维模型是一个综合性的复杂问题，完全的自动化提取不大现实。

近年来，一种新型的测量技术机载激光雷达发展迅速，并被广泛地应用于遥感测绘以及3维模型构建中，逐渐成为了城市3维模型构建的重要方法。已有一系列学者针对从LiDAR数据出发重建建筑物模型展开了研究并提出了一些方法。这些方法多数是先对LiDAR点进行面片分割，得到初始面片范围，而后进行精化。但由于LiDAR点间距约一米，精度有限，初始的面片分割得到的轮廓不可能是准确轮廓，对于这一问题的解决目前多采用规则化的方法，但规则化方法存在了一定问题：(1)初始面片的构建可能并不完全准确，局部凹凸多边形的出现可能使规则化后的结果出现多余多边形或者局部特征的丢失；(2)单个面片的规则化，对各个面片的拓扑关系的考虑有所欠缺，这样的规则化容易导致轮廓线的偏移。

单纯以影像数据或者是LiDAR数据进行建筑物的自动重建都存在着一定的问题，为了获取更好的建模效果可以考虑二者的结合。目前，已经有一些LiDAR与高分辨率影像结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会议中撰文《Building extraction using Lidar DEMs and Ikonos images》，将LiDAR点与IKONOS影像相结合，通过滤波将地面点与非地面点分离，再利用影像计算NDVI指数，剔除植被数据。对建筑物点，使用模型驱动和数据驱动相结合的方法获取轮廓线，最后完成模型的重建。这一方法在建筑物轮廓线的提取上比较独特，但是由于其使用了固定的阈值，对于大区域的数据来说不够灵活。2004年，Chen等人在International archives of Photogrammetry and Remote Sensing会议中撰文《Fusion of LIDAR data and optical imagery for building modeling》，提出从LiDAR点云中检测边缘，再结合高分辨率航空影像，提高边缘的几何精度，组合成闭合的多边形，最后进行模型的重建。这种方法能够很好地修正建筑物的边缘，但建模的精度很大程度依赖于影像分割的精度，未能充分发挥LiDAR点的数据优势。

LiDAR数据与影像之间是有很强的互补性特征，两者的结合会对重建带来显著的改善。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种自动化构建3维屋顶模型的方法，该方法根据LiDAR数据进行屋顶面片的分割以及各面片噪声的剔除，再进行屋顶面片的拟合，提高了建模的正确性与完整性，同时结合LiDAR数据与正射影像提取精确的屋脊线、轮廓线，提高了建模的精确性，最后进行3维屋顶模型的自动化构建，实现了建模的自动化。

2. 本发明的技术方案如下：

原理：对LiDAR数据构建Delaunay三角网，利用LiDAR点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据高程信息把邻接的三角形集合组合成不同的组，构成三角形簇，并采用TNI结构形式，绘制时以三角形簇为单位进行调度和构网）提取出屋顶面片；利用高分影像的高分辨率特性提取精确边缘线并构建左右多边形，根据两侧多边形内LiDAR点所属面片情况进行屋脊线、轮廓线的提取；根据屋顶面片内的LiDAR点进行屋顶面片拟合，结合屋脊线、轮廓线进行3维屋顶模型的构建。

一种基于LiDAR数据与正射影像的3维屋顶重建方法，主要包括3个关键步骤：（参照附图1）