[发明专利]基于机载激光雷达数据的建筑线划图生成方法

权利要求书

1.基于机载激光雷达数据的建筑线划图生成方法，其特征是包括以下步骤：

(1)提取建筑外边界和孔洞边界；

(2)优化分割建筑内外边界线；

(3)构建建筑线划图；

所述步骤(1)提取建筑外边界和孔洞边界,具体包括如下步骤：

①首先利用alpha shape算法提取建筑外边界点和孔洞边界点，之所以选择alphashape算法是因为通过调整参数α值，能够方便控制生成边界的“厚度”，能够充分保持边界细节，但这些建筑内外边界点仅仅是一堆无组织的离散点，不具备点序间的顺序或者逆序拓扑；

②构建MST，组织上述离散点，在构建MST过程中，边的权重考虑了朝向和欧式距离两种因素；

③从MST中查找所有度为1的节点作为起始点，

其中B_i¹和B_i^|Bi|分别为当前边界B_i的起止点，为B_i的起止点间距，||B_i||表示B_i的长度，ρ为点云平均点密度，N为提取边界包含的最少点数，直观上，在满足约束条件的前提下，提取边界越长，首尾间距越短，目标函数(A)越趋于最小化；

搜索使目标函数(A)中B_i最小化时所对应的深度子树，将该深度子树作为唯一的建筑外边界，在求解建筑外边界时，最小化B_i往往对应MST中的最大深度子树；

④仍依据公式(A)，从剩余未被标记的MST节点中遍历潜在内部孔洞边界，该过程递归执行，直至所有潜在孔洞边界提取完毕。

2.根据权利要求1所述的基于机载激光雷达数据的建筑线划图生成方法，其特征是所述步骤(2)优化分割建筑内外边界线，具体方法如下：

给定任意一条建筑内外边界线，通过最优化点标记过程F，将其分割为m条边界段L＝{L₁,L₂,…,L_m}，任意L_i由p_i¹,p_i²,…,p_iⁿⁱ点集构成，以实现分割后边界段标号连续，且与真实建筑内外边线走向具有一致性，设计目标能量优化函数如下：

其中，E_alignment＝E_distance+E_direction

其中，为点到潜在分割直线段的欧式距离，初始分割段标号由RANSAC算法提供，E_distance惩罚点到所属边界直线段距离的不一致性，距离越远，惩罚越大；

其中为的方向向量，N_Li为分割后边界段L_i的法向量，“·”为向量点乘符号，E_direction惩罚当前点正切方向和分割后的边界直线段方向向量的不一致性，若二者偏离越大，相应惩罚也越大；

针对平滑项而言，由于建筑内外边界线提取算法已经将建筑内外边界点连接为具有前后相接的边界环，因此在进一步分割建筑内外边界段时，对当前点进行平滑仅考虑其前后相连的两结点，如果当前点和前后两结点标号不一致时，距离越近，对当前点标号惩罚越大，优化方程如下：

其中，为对点实施的标号过程，δ(·)为示性函数；

如果仅仅利用E_alignment和E_smooth两项分割建筑内外边界线，往往会产生过分割，为尽可能保证分割后建筑内外边界段与真实屋顶相一致，限制产生过多琐碎的分割边界段，在优化目标函数(B)中增加保真项：

其中，|L_i|为边界段中包含点的数量，Maximum|L_i|为边界段集合L中最长边界段所含点数，E_fidelity惩罚较小尺寸边界段，并将其与其余较大尺寸边界段合并，以减少标号的数目，由于保真项目的引入，虽然在一定程度上解决了过分割问题，但是仍会出现较小尺寸的面片边界被合并到物理空间不连续的其他边界段中，即所谓的“欠分割”现象；

为解决由于E_fidelity带来的“欠分割”效应，针对标号后的边界段，构建无向图，然后在无向图中聚类连续标号，从而实现边界段的再标号，此时得到的边界段，为最终建筑内外边界线分割线段，为求解目标函数(B)采用alpha-expansion算法，将求解公式(B)转化为求解图结构中最大流最小割问题，边界点的初始标号由RANSAC算法提供，ω_a，ω_s和ω_f的初始值设为相同值，且满足ω_a+ω_s+ω_f＝1。