基于LIDAR与航空影像建筑提取与三维几何重建技术

【类型】学位论文

【作者】赵修莉 

【关键词】 LiDAR点云数据 正射影像 滤波与分类 三维几何重建

【摘要】面向智慧城市的目标,传统的二维地理信息已无法满足现代城市管理与应用的需要,将空间三维信息和地理要素属性信息有机结合的城市管理成为迫切的需求。三维数字城市是综合运用地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)、网络和虚拟现实等关键技术,以政府、企业、公众为服务对象,以虚拟现实的方式展示城市地表地物的空间分布、形态、属性以及变化信息,目前主要应用在城市设计、通讯产业、土地管理、交通、电力、城市管网、水利、消防等行业。因此,利用多种数据源建立三维数字城市具有重要的现实意义。在三维数字城市建设中如何实现建筑物信息的提取和建筑模型的三维几何重建是研究的关键。本文基于LiDAR点云和正射影像数据,配合地形图实现了研究区大范围的建筑物三维重建。在建筑物信息提取中,本文先对获取的LiDAR点云数据采用分布几何法进行校正,并利用基于渐进三角网的点云滤波与分类算法实现了地面点(DEM)和地物点(DSM)的分离。再按照由低至高的顺序逐步将地物点进行二次分类,实现植被、建筑物信息、水体信息、道路和桥梁信息的提取。将其它干扰信息一一剥离,得到建筑物信息和地面信息。在建筑物三维重建方面,作者认为所有的建筑屋顶都可以将其分离为屋顶和墙体两个部分。墙体的面一般都是与地面相垂直的立面,几何关系简单,因此屋顶的面是本文的研究重点。本文将建筑物按屋顶形状分成了平屋顶、坡屋顶、人字形屋顶、山字型屋顶和曲面球形屋顶。本文采用面片的形式来构成建筑物复杂的结构,使用基于法向量的区域增长法的点云聚类方式,形成不同层次的面片(Bezier),实现屋顶的分割。坡屋顶和平屋顶一般生成一个面片,人字形屋顶生成两个面片,山字型屋顶生成四个面片。利用点云的阶跃特征和面片交叉特征确定建筑物屋顶的初始特征结构线,以航片和1：500地形图辅助进行少量的人工编辑优化建筑物特征结构线。对优化的建筑屋顶边缘线采用分裂合并算法进行建筑物模型拓扑关系的自动构建,最后借助点云是携带高程这一特征生成建筑物的墙体,实现建筑物体框几何模型重建。对于无法用面片表示的球形和曲面屋顶,本文采用3DMAX的非均匀有理B样条曲线建模(NURBS)、细分曲面技术建模(Subdivision Surface)等方式实现模型重建。利用影像与LiDAR集成重建建筑物三维几何模型的方法,充分考虑了激光扫描数据的三维特性和影像的高分辨率特性并包含丰富的地物及纹理信息及数字地形图的线化边缘特征边缘特征。将这三种数据集成起来可以获取更精确、更完整、更可靠的建筑物三维几何模型。充分集成三种数据的优势,能够实现范围较大的区域的三维重建。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】北京林业大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】赵春江，冯仲科

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