一種基于車載激光雷達(dá)點(diǎn)云制作建筑物數(shù)字線劃圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于車載激光雷達(dá)點(diǎn)云制作建筑物數(shù)字線劃圖的方法，屬于激光 雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息提取技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 建筑物三維模型在城市規(guī)劃、三維導(dǎo)航、虛擬旅游領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用，其相 對(duì)于二維地圖而言更為直觀、有效;但是，由于人工建筑物的龐大和復(fù)雜性，手工制作建筑 物三維模型是一個(gè)工作量浩大的工程。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于三維城市重 建的研究日益增多。由于數(shù)據(jù)獲取的簡(jiǎn)便，影像被相當(dāng)一部分研究者所采用作為建筑物重 建的主導(dǎo)數(shù)據(jù)源，然而多年的研究結(jié)果卻不盡理想。這主要是因?yàn)榛谟跋竦闹亟夹g(shù)長(zhǎng) 期無(wú)法解決立體匹配誤差、分辨率有限、去除障礙物等等若干技術(shù)難題。簡(jiǎn)言之，從影像中 很難提取出準(zhǔn)確的三維信息。
[0003] 自從上世紀(jì)90年代末激光掃描硬件技術(shù)成熟以來(lái)，激光掃描數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛用作 為建筑物三維重建的主要數(shù)據(jù)源。激光掃描技術(shù)所提供的高密度三維點(diǎn)云能夠直接提供被 掃描區(qū)域的三維坐標(biāo)，這解決了影像重建技術(shù)所難以克服的問(wèn)題。一大批基于激光掃描的 研究成果已經(jīng)證明了激光掃描技術(shù)的優(yōu)越性。
[0004] 由于航空激光掃描硬件的優(yōu)先發(fā)展，目前國(guó)際上絕大部分針對(duì)激光掃描城市重建 的研究都是基于航空激光掃描(Airborne Laser Scanning,ALS)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的。但是，對(duì)于建 筑物這一類別而言，ALS只能提供房頂信息，不包含或僅包含很少量的建筑物立面信息，因 此從ALS點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的建筑物模型又被稱為"屋頂模型"，用途有限。而在日常生活中，人 們對(duì)于城市的感觀大多是基于地面視角的，而且往往一個(gè)建筑物的立面比其頂部包含有更 多信息，因此基于地面激光掃描生成的建筑物立面模型會(huì)比ALS數(shù)據(jù)生成的屋頂模型更真 實(shí)。
[0005] 然而，傳統(tǒng)地面激光掃描系統(tǒng)一直面臨著數(shù)據(jù)獲取速度慢的瓶頸。但是，隨著車載 激光掃描(Mobile Laser Scanning,車載激光雷達(dá))硬件技術(shù)的不斷成熟，這一瓶頸問(wèn)題已 經(jīng)得到良好解決。車載激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠在普通街道掃描中得到高達(dá)1厘米點(diǎn)間隔的點(diǎn)云， 足以提供建筑立面的各種細(xì)節(jié)(如:墻體、門、窗等）。這進(jìn)一步為全自動(dòng)化建筑物三維重建 奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?？梢?jiàn)，對(duì)車載激光點(diǎn)云中建筑物立面識(shí)別與三維重建的研究是非 常有意義的。
[0006] 國(guó)內(nèi)外對(duì)于城市三維建筑物自動(dòng)化重建的研究已有十余年的歷史，按照數(shù)據(jù)處理 的基本單元?jiǎng)澐挚梢苑譃橐韵氯箢悾?br>[0007] -、建筑物立面三角形格網(wǎng)化重建方法。
[0008] 該方法的最大局限性在于生成的模型為三角形網(wǎng)格，因此輸出數(shù)據(jù)量大(每條街 區(qū)需要上百萬(wàn)個(gè)三角形及紋理碎片），可視化過(guò)程緩慢。
[0009 ]二、基于點(diǎn)云特征圖像的建筑物立面重建方法。
[0010]該類方法在3D-2D轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)造成精度損失;并且魯棒性不高，若生成點(diǎn)云特征 圖像的參數(shù)設(shè)置不好，則不能很好的反應(yīng)地物特征;此外，對(duì)于復(fù)雜點(diǎn)云數(shù)據(jù)建筑物以及 樹木目標(biāo)的提取效果不佳，影響重建效果。
[0011] 三、基于分割面片的建筑物立面重建方法。
[0012] 該類方法提供了一個(gè)行之有效的點(diǎn)云處理方式，即面向?qū)ο蟮狞c(diǎn)云處理方法，該 方法可以快速?gòu)脑忌y的激光點(diǎn)云中直接提取建筑物立面并重建，充分利用了點(diǎn)云數(shù)據(jù) 所富有的幾何特征，并且可以提取建筑物立面之間的拓?fù)潢P(guān)系，但是，該方法的主要缺陷在 于目前所能夠提取的特征尚不全面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于車載激光雷達(dá)點(diǎn)云制作建筑物 數(shù)字線劃圖的方法，利用面向?qū)ο蟮能囕d激光雷達(dá)點(diǎn)云提取和制作建筑物數(shù)字線劃圖，能 夠有效簡(jiǎn)化建筑物立面重建相關(guān)算法的復(fù)雜度，提高重建結(jié)果的幾何完整性。
[0014] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是:一種基于車載激光雷達(dá)點(diǎn)云制作建筑 物數(shù)字線劃圖的方法，其特征是，包括以下步驟：
[0015] 步驟一，初始化原始車載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將每一個(gè)激光腳點(diǎn)均設(shè)置為待判別 占.
[0016]步驟二，識(shí)另鍵筑物立面；
[0017] 步驟三，提取建筑物立面輪廓；
[0018] 步驟四，矯正存在垂直或平行關(guān)系的建筑物立面輪廓；
[0019]步驟五，輸出建筑物數(shù)字線劃圖。
[0020] 優(yōu)選地，在步驟二中，首先對(duì)原始激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，然后根據(jù)建筑物立 面的幾何特點(diǎn)定義相應(yīng)特征，進(jìn)而從分割后的點(diǎn)云中識(shí)別建筑物立面。
[0021] 優(yōu)選地，在步驟三中，首先將建筑物立面點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)到水平面，然后利用機(jī)載激光雷 達(dá)屋頂輪廓提取方法提取輪廓，再將輪廓旋轉(zhuǎn)回建筑物立面，進(jìn)而提取建筑物立面輪廓。
[0022] 優(yōu)選地，在步驟四中，首先按順序判斷一個(gè)建筑物立面是否與其他建筑物立面存 在垂直或平行關(guān)系，然后對(duì)存在垂直或平行關(guān)系的建筑物立面進(jìn)行整體矯正。
[0023] 進(jìn)一步地，所述步驟二具體包括以下步驟：（1)基于區(qū)域生長(zhǎng)原理對(duì)原始激光雷達(dá) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云分割；（2)根據(jù)建筑物立面的幾何特點(diǎn)，計(jì)算建筑物立面相應(yīng)的特征；（3) 根據(jù)計(jì)算得到的特征來(lái)識(shí)別建筑物立面。
[0024] 進(jìn)一步地，所述計(jì)算建筑物立面相應(yīng)的特征的過(guò)程包括：
[0025] 根據(jù)建筑物立面的建筑物尺寸明顯大于其他地物的幾何特點(diǎn)，計(jì)算建筑物立面的 面積特征；
[0026] 根據(jù)建筑物立面法向向量與水平面位置關(guān)系的幾何特點(diǎn)，計(jì)算建筑物立面的法線 向量與水平面夾角特征；
[0027] 根據(jù)建筑物立面的立面點(diǎn)云之間存在較大高差的幾何特點(diǎn)，計(jì)算建筑物立面的絕 對(duì)高程及高程變化范圍特征。
[0028]進(jìn)一步地，所述步驟三具體包括以下步驟：（1)根據(jù)建筑物立面點(diǎn)云求取法線向 量；（2)利用該法線向量與水平面法線向量之間的夾角計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣；（3)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣將 建筑物立面旋轉(zhuǎn)到水平面；（4)利用機(jī)載激光雷達(dá)屋頂輪廓提取方法提取旋轉(zhuǎn)到水平面的 建筑物立面輪廓；（5)根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣將水平面的建筑物立面輪廓旋轉(zhuǎn)回原建筑物立面，從而 得到建筑物立面輪廓。
[0029] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)建筑物立面點(diǎn)云求取法線向量的過(guò)程包括以下步驟：
[0030] (1)對(duì)建筑物立面數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，將不同的建筑物立面上的點(diǎn)分割到相應(yīng)的分割 面片上；
[0031] (2)對(duì)不同的分割面片點(diǎn)，利用特征值法擬合出該分割面片所在的平面；
[0032] (3)將該分割面片上的所有點(diǎn)投影到擬合出的平面上，從而得到法線向量。
[0033] 進(jìn)一步地，所述將水平面的建筑物立面輪廓旋轉(zhuǎn)回原建筑物立面的過(guò)程包括以下 步驟：
[0034] (1)獲取某一建筑物屋頂?shù)姆指蠲嫫c(diǎn)集的Delaunay三角網(wǎng)；
[0035] (2)刪除Delaunay三角網(wǎng)中的長(zhǎng)邊；
[0036] (3)確定邊界的起始點(diǎn)；
[0037] (4)追蹤下一邊界點(diǎn)；
[0038] (5)順次追蹤其余的邊界線段和邊緣點(diǎn)；
[0039] (6)將邊緣點(diǎn)連接成直線，形成最小外接矩形。
[0040] 進(jìn)一步地，所述步驟四具體包括以下步驟：（1)首先計(jì)算每一個(gè)建筑物立面的法線 向量；（2)按順序判斷兩個(gè)建筑物立面是否存在垂直或平行關(guān)系，如果不存在垂直或平行 關(guān)系，則將不存在垂直或平行關(guān)系的建筑物立面設(shè)置為固有傾斜立面，不作處理，如果存在 垂直或平行關(guān)系，則存在垂直或平行關(guān)系的建筑物立面加入到待矯正立面隊(duì)列；（3)利用法 線向量夾角作為限制條件，采用航帶法區(qū)域網(wǎng)平差模型進(jìn)行平差求取矯正參數(shù)；（4)根據(jù)求 取的矯正參數(shù)來(lái)矯正建筑物立面隊(duì)列。
[0041] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0042] (1)本發(fā)明采用面向?qū)ο簏c(diǎn)云處理方法，它將散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)點(diǎn)云分割方法， 組織成人類易于理解的、符合自然規(guī)律并帶有拓?fù)潢P(guān)系的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的處理提 供了巨大的便捷;通過(guò)將人類認(rèn)識(shí)自然地物與人工地物的已有先驗(yàn)知識(shí)應(yīng)用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)處 理中，并且可以從分割后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取特定目標(biāo)的指定特征信息，為各種目的的應(yīng)用 提供了事半功倍的手段。
[0043] (2)本發(fā)明所提出的基于先驗(yàn)知識(shí)的建筑物立面檢測(cè)與提取方法，通過(guò)不同場(chǎng)景 數(shù)據(jù)的反復(fù)定性試驗(yàn)分析，證明了本發(fā)明方法適用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)凌亂、區(qū)域場(chǎng)景目標(biāo)分布復(fù) 雜的車載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。
[0044] (3)本發(fā)明利用建筑物立面擬合平面的法線向量對(duì)建筑物立面輪廓進(jìn)行垂直與平 行拓?fù)潢P(guān)系矯正。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明所提出的方法有效的提高了建筑物立面之間拓?fù)潢P(guān)系 的精度，并一定程度上剔除了點(diǎn)云數(shù)據(jù)在拼接、配準(zhǔn)的預(yù)處理操作中的偏移誤差，進(jìn)而改善 建筑物立面的擬合精度。
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