[发明专利]基于长方体拟合扫描三维点云的曼哈顿结构建筑物自动建模方法

摘要

本发明提供了基于长方体拟合扫描三维点云的曼哈顿结构建筑物自动建模方法，通过平面提取、基于长方体的空间划分以及基于图割算法的二值化分类建模。将建模工作模式化到一种基于长方体素结构的二值化分类问题。利用平面上的点集和各个长方体的空间相对位置关系，建立反映拟合效率的覆盖度指数，并以此建立全局优化的目标能量方程。使用图割算法对目标方程求解，得到关于长方体的二值化分类，运算处理效率高；模型各个表面平整，结构整体紧促，直观效果舒适；由于模型结果只保留了长方形顶点和片面结构，相对于输入的密集三维点云而言，数据量得到了极大压缩，模型轻量化显著，这对于大规模建筑物场景的建模工作具有良好的支撑作用。

主权项

基于长方体拟合扫描三维点云的曼哈顿结构建筑物自动建模方法，其特征在于：包括步骤：(1)获取数据对象：采用摄影测量技术或者三维激光雷达扫描仪扫描曼哈顿结构建筑物，获得其三维点云数据；(2)建模：1)通过RANSAC算法，提取步骤(1)中获得的三维点云数据中包含的平面结构；2)将步骤1)得到的平面结构旋转，使其法向量分别与三个坐标轴相平行；将所述平面结构的法向量强制约束等于和它最接近的主坐标轴方向，得到新的平面参数方程；并更新平面结构；3)将步骤2)更新后的平面结构根据指向分为三组，即GX，GY，GZ，分别代表法向量与X，Y和Z轴平行的三组平面；在所述三组平面的每一组中分别选择相邻的两个平面，得到6个平面；将这6个平面组合成一个备选长方体；所述长方体分为两类，一类是组合成为目标模型实体内部的，被视为有效建模的长方体，标记为1；另一类是实体外部的，非结构组成部分的无效的长方体，标记为‑1；4)给每一个长方体bi计算一个覆盖度分值S(bi)，具体而言，其中，代表了长方体的一个面f的法向量，一个长方体共有6个面；代表参与拟合该面f的点pj的法向量，点数目M在拟合之后有确定的值；而dist(pj)表示了点pj到平面f的距离；5)根据步骤4)分别计算各个长方体的覆盖度参数；6)根据步骤5)的覆盖度参数建立目标能量方程，具体形式如下：其中，λ是用以权衡数据项和平滑项的权重参数；D(bj)是由长方体bj的覆盖度参数组成的数据项，V(bj,bi)＝max(Ci,j,1)     (6)另外V(bi,bj)表示约束节点相互作用的平滑项，其中的Ci,j是为处理噪声和采样不均而设计的一个紧凑度函数；7)采用的是经典的图割算法求解步骤6)建立的目标能量方程，将所有的长方体分类为对建模有效的长方体和无效的长方体两类；最终的三维几何模型就是由分类结果中有效的长方体组合而成的几何表面。