[发明专利]一种实景三维模型的地面模型与非地面模型自动分离方法

说明书

本发明公开了一种用于实景三维模型的地面模型与非地面模型自动分离方法。本发明通过使用针对面元的距离约束的粒子物理模型，在倒置后的实景三维模型上模拟布料的自由下落，通过质点与实景三维模型的碰撞检测确定布料的最终形态并作为地面模型的近似，通过比较质点与实景三维模型面元的空间关系来局区分地面模型和非地面模型。本发明具备高效率、高鲁棒性、高精度优点，可用于城市、林地、乡村等场景及任意面元密度的实景三维模型的地面模型与非地面模型的分离。

技术领域

本发明属于测绘数据处理领域，是一种用于实景三维模型的地面模型与非地面模型自动分离方法，支持任意面元密度实景三维模型的处理，具备自动、高效、高精度优点，可适应于城市、乡村、林地等不同三维场景。

背景技术

近二十年来，受益于无人机技术和光学传感器技术的迅速发展，机载LiDAR和倾斜摄影测量技术已可低成本、快速、精确地获取大范围的三维地表信息。尤其是无人机倾斜摄影测量技术，能够有效采集建筑物顶部与侧立面的坐标及纹理信息，在三维数字城市和智慧城市建设中愈加重要。采集的三维地表信息经处理后以点云形式存在，利用这些点云可进一步生成数字正射模型(Digital Orthophoto Model，DOM)、数字表面模型(DigitalSurface Mode， DSM)和实景三维模型。当前，已有大量研究涌现在DSM、DOM和点云数据的地面过滤、地物提取、场景分割等方面，然而，对于三维数字城市最重要的实景三维模型数据分割和地物提取等工作的研究尚属空白。三维模型经点云生成后，其顶点密度较点云较低，且存在密度不均衡问题，故点云的相关算法直接应用到模型顶点将难以获得理想效果。此外，经 Photomesh、ContextCapture等实景建模软件生成的实景三维模型存在“一张皮”现象，即所有地物均以一个三维网格表示而导致难以语义查询和分析。因此，如何将实景三维模型分离成不同的三维地物模型是三维数字城市建设中一个紧迫的需求。通常，实现地面模型与非地面模型的分离是之后不同地物提取、建筑物单体化等工作的一个关键技术难点。

布料模拟是计算机图形学领域模拟布料受外力和内部力时随时间的形状变化，主流的布料模拟模型有粒子模型、质点-弹簧模型、有限元模型。目前，布料模拟的思想已成功应用到海底地形点云提取、机载点云的地面点过滤和屋顶点云提取等工作。由于实景三维模型不同区域的面元密度不均衡，平坦区域或经人工整修区域的面元普遍较大，因此，若直接使用点云的布料模拟法处理实景三维模型的顶点来分离出地面面元，对于面元密度不均衡和经人工整修过的实景三维模型的分离效果较差。

发明内容

为填补技术空白，本发明提供了一种用于实景三维模型的地面模型与非地面模型自动分离方法，该方法具备高效、高精度、高鲁棒性的优点，可适应于城市、乡村、林地等不同三维场景以及任意面元密度的实景三维模型。本发明通过一种针对面元的布料物理模型实现对地面与非地面的分离，实现包括以下步骤：

步骤1，离群网格移除；

步骤2，实景三维模型倒置；

步骤3，粒子状态初始化；根据指定布料分辨率参数r和实景三维模型的坐标X、Y、Z方向的最大值和最小值，即外包围盒{X_max,X_min,Y_max,Y_min,Z_max,Z_min}，确定粒子的数量k和初始位置，并将所有粒子标记为可移动状态；设粒子集合M＝{m₁,…,m_k}，k＝n_x×n_y，其中，粒子m_i的初始位置为(X_min+index_x×n_x,Y_min+ index_y×n_y,Z_max)，其中，index_x＝i mod n_x-1，mod是一种数学运算；

步骤4，计算粒子受外力的位移；