本技術(shù)涉及傾斜模型單體化重建領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)景三維建筑模型漸進(jìn)式多層次細(xì)節(jié)單體化重建方法。

背景技術(shù)：

1、實(shí)景三維模型是指利用攝影測(cè)量、遙感、三維激光掃描、無(wú)人機(jī)測(cè)繪等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)手段獲取、生成的表達(dá)真實(shí)世界的三維模型。其中傾斜攝影模型是目前最為常見(jiàn)的實(shí)景三維模型，在城市級(jí)實(shí)景三維建設(shè)中扮演重要角色。然而傾斜攝影模型通常為連續(xù)的三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)（三角網(wǎng)是由一系列連續(xù)三角形構(gòu)成的網(wǎng)狀的平面控制圖形），模型數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)更新困難、缺乏場(chǎng)景對(duì)象語(yǔ)義信息，無(wú)法對(duì)建筑物等地理實(shí)體進(jìn)行對(duì)象化管理，限制了實(shí)景三維應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

2、針對(duì)實(shí)景三維模型中建筑物單體化的問(wèn)題，相關(guān)研究人員提出了基于矢量輪廓的切割單體化、三維渲染過(guò)程中疊加矢量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)單體化技術(shù)，但此技術(shù)僅僅只是在原始傾斜模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行單體化處理，未對(duì)傾斜模型復(fù)雜的三角網(wǎng)和離散的紋理進(jìn)行輕量化重建，無(wú)法從根本上解決傾斜模型數(shù)據(jù)量大、表面凹凸不平、存在孔洞和懸浮物、三維空間分析應(yīng)用困難等先天的局限性。

3、目前對(duì)于實(shí)景三維建筑模型的單體化重建，特別是優(yōu)于lod1.3、lod2.0級(jí)建筑單體化建模主要以手工建模和半自動(dòng)化為主，此技術(shù)方案重建效率低、成本高、易產(chǎn)生幾何結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，難以滿足大范圍實(shí)景三維應(yīng)用的要求。

4、此外，不同的實(shí)景三維應(yīng)用在建筑模型單體化重建精度要求、模型渲染的最大承載量方面不盡相同，往往需要生產(chǎn)lod1.0、lod1.3、lod2.0等多層次細(xì)節(jié)的模型數(shù)據(jù)。目前在進(jìn)行實(shí)景三維建筑模型多層級(jí)lod建模時(shí)，普遍采用分開(kāi)獨(dú)立構(gòu)建或從高層級(jí)模型再向低層級(jí)模型逐級(jí)抽取的方式，極大的限制了多層級(jí)單體化建筑模型的生產(chǎn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：為了解決現(xiàn)有的實(shí)景三維模型建筑單體化建模工藝存在手工單體化建模成本高、模型幾何結(jié)構(gòu)正確性難保證以及多層級(jí)lod模型構(gòu)建效率低等問(wèn)題，提供一種實(shí)景三維建筑模型漸進(jìn)式多層次細(xì)節(jié)單體化重建方法。

2、本技術(shù)的上述目的是通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

3、s1：根據(jù)建筑的實(shí)景三維模型，結(jié)合基于randla-net和pointnet++相結(jié)合的深度學(xué)習(xí)模型，得到分類后點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

4、s2：對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到各個(gè)點(diǎn)云塊；

5、使用僅保留地面分類的點(diǎn)云塊，逐網(wǎng)格生成表達(dá)地形特征的dem數(shù)據(jù)；

6、使用保留建筑分類和地面分類的點(diǎn)云塊，逐網(wǎng)格生成表達(dá)建筑高度特征的dsm柵格數(shù)據(jù)；

7、本行情

8、s3：根據(jù)像元高度值，將dsm柵格數(shù)據(jù)渲染成柵格化的立體模型并進(jìn)行水平逐級(jí)切割，得到建筑多層輪廓面數(shù)據(jù)；對(duì)建筑多層輪廓面數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑輪廓面規(guī)則化處理，輸出規(guī)則化處理后的建筑輪廓面；

9、s4：對(duì)建筑輪廓面進(jìn)行空間合并運(yùn)算，得到lod0級(jí)矢量要素模型；

10、s5：在lod0級(jí)矢量要素模型基礎(chǔ)上，結(jié)合dsm柵格數(shù)據(jù)和dem數(shù)據(jù)，確定建筑的屋頂高度值和底部高度值；

11、s6：基于lod0級(jí)矢量要素模型的建筑輪廓面、屋頂高度值和底部高度值，進(jìn)行模型網(wǎng)格體的生成，得到第二個(gè)層次細(xì)節(jié)的lod1.0級(jí)建筑白模；

12、s7：根據(jù)建筑多層輪廓面數(shù)據(jù)以及l(fā)od1.0級(jí)建筑白模，得到lod1.3體塊白模；

13、s8：對(duì)lod1.3體塊白模映射通用紋理，得到lod1.3級(jí)建筑體塊模型；

14、s9：對(duì)dsm柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及平面擬合處理，確定屋頂頂蓋結(jié)構(gòu)；根據(jù)屋頂頂蓋結(jié)構(gòu)以及l(fā)od1.3體塊白模，生成lod2.0級(jí)建筑白模；

15、s10：通過(guò)lod2.0級(jí)建筑白模，得到每一棟建筑的第一墻面貼圖和第一屋頂貼圖；

16、s11：對(duì)lod2.0級(jí)建筑白模映射第一屋頂貼圖和第一墻面貼圖，生成lod2.0級(jí)建筑標(biāo)準(zhǔn)模型，完成實(shí)景三維模型的漸進(jìn)式多層次細(xì)節(jié)單體化重建。

17、本技術(shù)通過(guò)采用上述技術(shù)方案，區(qū)別于其他現(xiàn)有的一次重建只能進(jìn)行一種精細(xì)度層級(jí)的模型輸出的技術(shù)，本發(fā)明通過(guò)多層級(jí)建筑單體化重建模式的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了基于原始傾斜模型的一次單體化重建，漸進(jìn)式輸出lod0、lod1.0、lod1.3、lod2.0多層次細(xì)節(jié)的建筑單體模型，高層級(jí)模型構(gòu)建可充分利用低層級(jí)模型的重建成果，節(jié)省單體化建模時(shí)間，減少建模成本。

18、本技術(shù)通過(guò)采用上述技術(shù)方案，現(xiàn)有的技術(shù)基于實(shí)景三維模型的重建一般直接基于傾斜模型mesh三角網(wǎng)進(jìn)行切割重構(gòu)，計(jì)算量巨大，且無(wú)法解決因mesh三角網(wǎng)空洞、懸浮物導(dǎo)致的重建結(jié)果幾何結(jié)構(gòu)異常。本發(fā)明采用先基于傾斜模型生成彩色點(diǎn)云，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云分類，然后利用只保留地面點(diǎn)和建筑點(diǎn)的點(diǎn)云生成dsm柵格數(shù)據(jù)再進(jìn)行建筑重構(gòu)，極大的提高了模型重建效率和針對(duì)異常傾斜數(shù)據(jù)重建的魯棒性，對(duì)異常mesh數(shù)據(jù)的適應(yīng)性更強(qiáng)。

19、步驟s1包括：

20、獲取實(shí)景三維模型；

21、對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行間隔采樣，生成三維彩色點(diǎn)云；

22、采用基于randla-net和pointnet++相結(jié)合的深度學(xué)習(xí)模型對(duì)三維彩色點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云語(yǔ)義分割，獲得分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云語(yǔ)義分割包括：建筑分割、地面分割以及植被分割。

23、本技術(shù)通過(guò)采用上述技術(shù)方案，采用randla-net作為點(diǎn)云語(yǔ)義分割主框架并融合pointnet++的點(diǎn)云采樣算法以保證點(diǎn)云分類的效率、精度和對(duì)點(diǎn)云不同密度區(qū)域的適應(yīng)性。

24、步驟s2包括：

25、根據(jù)預(yù)設(shè)大小尺寸，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格之間設(shè)置預(yù)設(shè)距離的重疊區(qū)域。

26、本技術(shù)通過(guò)采用上述技術(shù)方案，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以避免因點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量過(guò)大導(dǎo)致內(nèi)存溢出的問(wèn)題，降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的要求。多網(wǎng)格的劃分同時(shí)可進(jìn)行并行計(jì)算，從而進(jìn)一步提高后期建筑重建的效率。另外為解決網(wǎng)格邊界接邊區(qū)域建筑被分割，導(dǎo)致半個(gè)建筑出現(xiàn)的問(wèn)題，在網(wǎng)格之間保持10米的重疊區(qū)域。

27、步驟s3包括：

28、所述對(duì)建筑多層輪廓面數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑輪廓面規(guī)則化處理，輸出規(guī)則化處理后的建筑輪廓面的步驟包括：

29、s31：通過(guò)建筑多層輪廓面數(shù)據(jù)，構(gòu)建建筑多邊形；

30、通過(guò)建筑多邊形，確定建筑主方向，具體步驟包括：對(duì)建筑多邊形的每條邊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)加權(quán)，得到候選方向；計(jì)算建筑的各條邊相對(duì)于候選方向的角度偏差值和長(zhǎng)度比例系數(shù)；根據(jù)角度偏差值和長(zhǎng)度比例系數(shù)，確定貢獻(xiàn)值；將貢獻(xiàn)值最大的候選方向確定為建筑主方向；

31、s32：通過(guò)特征邊篩選條件，對(duì)建筑多邊形的特征邊進(jìn)行篩選和分組，具體包括：

32、設(shè)置邊長(zhǎng)閾值判定系數(shù)和，；

33、特征邊篩選條件包括：特征邊的邊長(zhǎng)大于、特征邊的與建筑主方向垂直或平行且邊長(zhǎng)大于、或存在與特征邊垂直的鄰邊且邊長(zhǎng)大于；

34、s33：對(duì)建筑多邊形的邊界進(jìn)行直角化處理，具體步驟包括：對(duì)建筑多邊形兩個(gè)相鄰的邊，依次以建筑主方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，進(jìn)行90度直角化處理；

35、s34：采用道格拉斯壓縮算法對(duì)建筑多邊形進(jìn)行簡(jiǎn)化，剔除冗余點(diǎn)和非特征節(jié)點(diǎn)，輸出規(guī)則化處理后的建筑輪廓面。

36、步驟s5包括：

37、在lod0級(jí)矢量要素模型基礎(chǔ)上，疊加表達(dá)建筑的dsm柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行像元高度值計(jì)算，具體步驟包括：采用四分位數(shù)法去除建筑矢量范圍內(nèi)的各個(gè)屋頂高度值中的極端值；

38、計(jì)算去除極端值后的屋頂高度值的平均值，將平均值作為建筑的屋頂高度值；

39、在lod0級(jí)矢量要素模型基礎(chǔ)上，疊加dem數(shù)據(jù)，將建筑矢量輪廓中心點(diǎn)的像元值作為建筑的底部高度值。

40、本技術(shù)通過(guò)采用上述技術(shù)方案，建筑頂部采用四分位數(shù)法去除極端值再求平均高度的方法能夠計(jì)算一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確表達(dá)建筑屋頂垂直位置的高度值，避免少數(shù)異常值對(duì)建筑頂部高度的影響。建筑底部高度采用矢量輪廓中心點(diǎn)的dem像元值能夠讓建筑底部較好的貼合地面。

41、步驟s7包括：

42、采用重疊區(qū)域面積占比算法對(duì)建筑多層輪廓面數(shù)據(jù)進(jìn)行相似性計(jì)算，對(duì)相似度大于預(yù)設(shè)閾值的建筑多層輪廓面進(jìn)行聚類合并，得到預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)的不同高度的輪廓面；

43、對(duì)聚類合并后的預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)的不同高度的輪廓面進(jìn)行模型網(wǎng)格體生成，形成多級(jí)堆疊的封閉棱柱體，輸出區(qū)分不同高度體塊的lod1.3體塊白模。

44、步驟s8包括：

45、通用紋理包括：映射屋頂紋理和墻面紋理；

46、對(duì)lod1.3體塊白模的頂面和墻面，按重復(fù)貼圖的方式，分別映射屋頂紋理和墻面紋理，步驟包括：

47、在lod1.3體塊白模的墻面上，按照從左到右的水平方向、從上到下的垂直方向以及預(yù)設(shè)間距，依次放置單張窗戶圖片，當(dāng)水平或垂直的位置不足以放下一個(gè)窗戶時(shí)則停止放置；將墻面和窗戶圖片進(jìn)行合并，完成lod1.3體塊白模的墻面紋理的映射；

48、通過(guò)映射墻面紋理和屋頂紋理后的lod1.3體塊白模，生成lod1.3級(jí)建筑體塊模型。

49、步驟s9包括：

50、對(duì)表達(dá)建筑高度特征的dsm柵格數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)大小的網(wǎng)格劃分，得到預(yù)設(shè)個(gè)數(shù)的dsm網(wǎng)格；

51、采用ransac隨機(jī)抽樣一致性算法對(duì)dsm網(wǎng)格的三維像素點(diǎn)集進(jìn)行平面擬合，主要實(shí)現(xiàn)步驟如下：

52、s91：讀取dsm網(wǎng)格預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的所有像素點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高度值，以三維坐標(biāo)的形式存儲(chǔ)到數(shù)組中；

53、s92：從數(shù)組中選擇三個(gè)非共線的點(diǎn)，計(jì)算平面方程，其中為平面的法向量，表示平面沿法線方向到坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直距離；

54、s93：計(jì)算預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)到平面的距離；

55、若點(diǎn)到平面的距離小于預(yù)設(shè)閾值，則將該點(diǎn)認(rèn)定為內(nèi)點(diǎn)；

56、若點(diǎn)到平面的距離大于或等于預(yù)設(shè)閾值，則將該點(diǎn)認(rèn)定為外點(diǎn)；

57、s94：重復(fù)步驟s92到步驟s93直至達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)，得到內(nèi)點(diǎn)數(shù)量最多的平面作為dsm網(wǎng)格的當(dāng)前最佳模型，輸出每個(gè)dsm網(wǎng)格的最佳擬合平面；

58、計(jì)算最佳擬合平面與其相鄰的小網(wǎng)格平面的法向量夾角，對(duì)法向量夾角小于預(yù)設(shè)閾值度數(shù)的小網(wǎng)格平面進(jìn)行合并，得到屋頂特征面；屋頂特征面包括：斜坡面特征結(jié)構(gòu)和平面特征結(jié)構(gòu)；

59、過(guò)濾屋頂特征面中小于預(yù)設(shè)面積閾值的平面特征結(jié)構(gòu)和小于預(yù)設(shè)面積閾值的斜坡面特征結(jié)構(gòu)；

60、根據(jù)屋頂特征面的邊緣，對(duì)過(guò)濾后的斜坡面特征結(jié)構(gòu)和平面特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩沖延伸，形成相互連通、無(wú)縫隙的屋頂頂蓋結(jié)構(gòu)；

61、在lod1.3體塊白模的基礎(chǔ)上，疊加屋頂頂蓋結(jié)構(gòu)并進(jìn)行邊緣融合、接縫，生成lod2.0級(jí)建筑白模。

62、本技術(shù)通過(guò)采用上述技術(shù)方案，對(duì)基于點(diǎn)云分類成果生成的僅體現(xiàn)建筑屋頂特征結(jié)構(gòu)的dsm數(shù)據(jù)，采用小格網(wǎng)劃分后進(jìn)行特征面擬合，再進(jìn)行具有共面趨勢(shì)的相鄰特征面進(jìn)行遞歸合并的方式獲得建筑屋頂?shù)钠矫嫣卣髅婧托泵嫣卣髅?，并進(jìn)行特征面延伸合并生成了封閉連續(xù)、精細(xì)度較高且拓?fù)潢P(guān)系良好的屋頂頂蓋結(jié)構(gòu)，保留屋頂主要特征結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低了模型數(shù)據(jù)量。

63、步驟s10包括：

64、在lod2.0級(jí)建筑白模的基礎(chǔ)上，按俯視正射投影方式和側(cè)視水平投影方式，逐像素讀取傾斜紋理圖片像素的rgb顏色值，分別生成單張屋頂紋理圖片和預(yù)設(shè)張數(shù)的墻面紋理圖片；將預(yù)設(shè)張數(shù)的墻面紋理圖片，烘焙合并成單張墻面紋理圖片；單張屋頂紋理圖片即為建筑的第一屋頂貼圖；單張墻面紋理圖片即為建筑的第一墻面貼圖。

65、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有指令，當(dāng)所述指令被執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行一種實(shí)景三維建筑模型漸進(jìn)式多層次細(xì)節(jié)單體化重建方法。

66、本技術(shù)提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：

67、采用先將傾斜模型轉(zhuǎn)換為表達(dá)建筑起伏結(jié)構(gòu)的dsm柵格數(shù)據(jù)再進(jìn)行多級(jí)輪廓提取和屋頂特征面提取的方式，較好的保障的幾何結(jié)構(gòu)的正確性和對(duì)異常mesh數(shù)據(jù)的適應(yīng)性；采用了由低層級(jí)模型向高層級(jí)模型漸進(jìn)式構(gòu)建的思想，高層級(jí)模型的構(gòu)建過(guò)程可充分利用低層級(jí)模型成果，一次構(gòu)建能夠生成多層次細(xì)節(jié)模型，減少多層次重復(fù)建模和建筑精細(xì)模型lod鏈生成的耗時(shí)，為超大場(chǎng)景范圍建筑數(shù)據(jù)的多層次lod模型構(gòu)建、三維場(chǎng)景建筑數(shù)據(jù)的多尺度表達(dá)提供技術(shù)支撐。

68、單體化重建流程實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全自動(dòng)化，從建筑物的分割到白模單體化重建，從模型的紋理映射到多級(jí)lod模型的輸出全部采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)和三維重建算法自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，無(wú)需人工干預(yù)可實(shí)現(xiàn)最高lod2.0級(jí)建筑單體化模型輸出，減少了建筑單體化建模的耗時(shí)和成本。