[发明专利]一种基于规则约束的建筑物LIDAR点云重构优化方法

权利要求书

1.一种基于规则约束的建筑物LIDAR点云重构优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，利用LIDAR激光扫描系统的测量参数信息，将扫测大规模建筑物得到的不同测点大规模含噪声的散乱LIDAR点云数据通过基于特征点的ICP算法配准、拼接得到一个描述大规模建筑物场景的完备LIDAR点云数据集，通过VoxelGrid滤波器对描述大规模建筑物场景的完备LIDAR点云数据集进行简化得到简化后的LIDAR点云数据集，在保证模型特征描述完整的前提下，去除冗余和噪声点，提高后续点云建模的效率；

步骤2，采用基于交互的方式，通过用户参与手动拾取的方式，通过Geomagic软件从简化后的LIDAR点云数据集中提取待建模目标建筑物的LIDAR点云数据；

步骤3，采用贪婪投影三角化算法对步骤2得到的待建模目标建筑物的LIDAR点云数据进行重构，生成一个三角网格结构的初始建筑物模型；

步骤4，采用规则曲面优化语义约束对步骤3三角网格结构的初始建筑物模型凹凸不平的表面进行优化处理；

步骤5，对步骤3三角网格结构的初始建筑物模型中的有规则线特征的交界区域进行优化，该优化以两个规则曲面优化语义约束所构成的规则线约束为依据，通过将有规则线特征的交界区域的三角面片进行三角形剖分、空间投影计算，将有规则线特征的交界区域三角网格优化到符合真实建筑物表面几何结构；

步骤6，对步骤3三角网格结构的初始建筑物模型中的有规则曲面特征的交界区域进行优化，该优化以根据交界区域点云数据拟合出的规则曲面为依据，通过将有规则曲面特征的交界区域的三角面片顶点进行空间投影，三角形剖分计算，将有规则曲面特征的交界区域三角网格优化到符合真实建筑物表面几何结构；

所述步骤4中规则曲面优化语义约束包括以下步骤：

步骤4.1，首先通过交互的方式为三角网格结构的初始建筑物模型的每个规则的曲面确定一个语义约束面作为优化依据,将语义约束面简称为规则面，通过交互选中的三个点p1(x1，y1，z1)，p2(x2，y2，z2)，p3(x3，y3，z3)来确定规则面的方程：

ax+by+cz+d＝0 (1)

其中，a，b，c为公式(1)中的系数，d为公式(1)中的常量，x1、y1、z1分别为点p1的x、y、z坐标，x2、y2、z2分别为点p2的x、y、z坐标，x3、y3、z3分别为点p3的x、y、z坐标，

步骤4.2，将规则面与对应建筑物模型表面的三角网格进行相交计算，与规则面相交的三角面片穿过规则面，且其顶点落在规则面外，三角面片与规则面的相交测试计算为：将三角面片三个顶点代入公式(1)得到三个值，然后判断这三个值正负符号的异同，若这三个值同号，则判定此三角面片与规则面不相交；若这三个值中至少有一个值为异号，则判定此三角面片与规则面相交，以规则面为依据的规则曲面优化计算将这些三角面片的顶点p(x0，y0，z0)通过点到规则面的投影计算投影到规则面上，具体投影计算过程为：过点p(x0，y0，z0)做规则面的垂线，与规则面相交为p'(x，y，z)，向量pp'与平面的法向量n平行，则垂线的方程如公式(3)所示：

其中，x0、y0、z0分别为三角面片的顶点p的x、y、z坐标，

将由公式(4)中计算所得t值代入公式(3)即可得到点p(x0,y0,z0)到规则面的投影点p'(x，y，z)的坐标，然后，将此投影点坐标替换为点p(x0，y0，z0)的坐标，通过投影计算，与规则面相交的三角面片被投影到规则面上，进而完成基于规则面的不平整曲面的优化，通过几次迭代达到逼近真实建筑物表面的优化效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于规则约束的建筑物LIDAR点云重构优化方法，其特征在于所述步骤5中将有规则线特征的交界区域的三角面片进行三角形剖分、空间投影计算包括以下步骤：

步骤5.1，将设计的两个规则面分别与对应建筑物模型表面的三角网格进行相交计算，标记同时与两个规则面相交的三角面片；

步骤5.2，将步骤5.1标记的三角面片投影到其中一个规则面上，并以两个规则面所构成的规则线为界线将投影后的三角面片剖分为两部分；

步骤5.3，将剖分后不在首次投影规则面内的剩余面片投影到另一个规则面上，便实现了重构模型的规则线交界区域优化。

3.根据权利要求1所述的一种基于规则约束的建筑物LIDAR点云重构优化方法，其特征在于所述步骤6中有规则曲面特征的交界区域的三角面片顶点进行空间投影，三角形剖分计算包括以下步骤：

步骤6.1，根据有规则曲面特征的交界区域点云数据拟合出描述真实建筑物表面交界区域几何结构的规则曲面方程，以此规则曲面作为规则面；

步骤6.2，将交界区域三角面片的各个顶点按与规则面距离最近的方向垂直投影到规则面上；

步骤6.3，以规则面为约束对投影后的三角面片进行网格剖分计算，以投影后三角面片各边中点为新插入顶点，将三角面片剖分为四个子三角面片,并投影新面片顶点到约束面上，通过不断迭代，直到网格点处的平均曲率或高斯曲率与此处规则面的曲率小于设定的阈值。