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基于高分辨率航空遥感立体图像的建筑物三维重建技术研究

王继阳  
【摘要】: 建筑物3D模型在城市规划、房产测量、通信设施建设、虚拟旅游、文化遗产保护、灾害监测以及军事侦察和武器精确打击等方面具有非常广泛的应用。利用高分辨率航空遥感立体图像实现建筑物3D重建,是生成建筑物3D模型的主要技术手段之一。尽管许多研究者针对该技术开展了广泛研究,取得不少进展,但由于它的一些关键问题目前还没有得到很好的解决,导致实际执行过程中仍需要较多人工干预。本论文在综合国内外先进建筑物重建方案的基础上,研究了利用高分辨率航空遥感立体图像自动重建具有复杂屋顶结构建筑物的问题,取得如下创新成果: (1)设计并实现了一套完整的基于高分辨率航空遥感立体图像的建筑物3D重建方案。该方案由直线特征提取、直线特征立体匹配、3D模型生成以及模型精校正和纹理映射等步骤组成,能自动重建具有单“人”字形、多“人”字形以及多尖顶形等屋顶的多种建筑物3D模型。 (2)提出了基于图像内容的伪直线剔除方法。针对建筑物3D重建的特定应用背景,与已有的直线提取算法相结合,基于对真、伪直线在图像内容中不同特点,采取两类措施,分别作为边缘检测和直线提取的后处理步骤,在提高弱直线提取能力和保留真实直线的同时,能够有效抑制伪直线的出现。 (3)提出了一种同时解决部分遮挡和特征提取不确定性问题的直线立体匹配方法。部分遮挡和特征提取不确定性是导致直线立体匹配问题复杂化的两个关键因素。部分遮挡是空间直线在向特定位置相机投影过程中产生的问题,如果空间直线的相互位置关系以及相机参数均已知,那么空间直线的相互遮挡关系可以完全确定,因此,部分遮挡是一个确定性问题。而特征提取不确定性是指从图像中提取空间直线的投影直线段的过程中出现的问题,由于提取算法和图像质量均会影响直线的提取结果,因此,特征提取不确定性是一个随机问题。从表面上看,它们两者都会导致直线段之间复杂的对应关系,如“一配一”、“一配多”和“多配多”等,这也是已有直线立体匹配方法并未区别对待它们的主要原因。本文系统分析了这两个问题对直线立体匹配的影响,分别设计了解决方案,最后,融合两者的解决方案,提出一种新的直线立体匹配理论框架,并针对其中的关键问题提出了具体的实现方法。基于中心投影理论,引入一个新的直线特征编组概念,它由一条空间直线或特殊空间直线结构在两个不同视角中的所有投影直线组成,约束了部分遮挡问题的求解条件,同时定义一个关系图来描述投影直线段之间的对应关系、相容关系和可组合关系,提出求解部分遮挡问题的数学模型。针对特征不确定性问题,基于统计分析理论,分析提取直线和投影直线之间的不确定映射关系,建立由提取直线恢复其同名投影直线的统计模型。基于上述两个模型,本文提出的直线立体匹配过程如下:首先,根据图像信息,计算每条提取直线恢复其同名投影直线的统计模型;其次,建立一个匹配关系图,该图的节点是一个可能匹配的恢复投影直线对,该图的边描述了两个节点对应恢复投影直线对之间的相容和可组合关系;再次,寻找该匹配关系图的所有极大团,并计算每个极大团对应一条空间直线或空间结构的真实性测度;最后,按照极大团之间相互兼容且真实性测度和最大的原则,选择合适的极大团假设,通过解析这些假设,建立提取直线间的对应关系。大量实验结果表明了提出方法的有效性。 (4)提出了一种自动重建多面体结构建筑物表面模型的新方法。平面块以及它们之间的拓扑关系是重建多面体结构建筑物表面模型的两个重要信息。本文提出的方法在提取平面块完整边界的过程中能够同时建立平面块间拓扑关系,它包括三个步骤。第一步,提出一种平面分割假设证实方法,检测和定位建筑物屋顶表面的平面块。首先,根据直线匹配结果,计算所有的3D直线,并选择定位可信度较高的3D直线进行共面分析,生成多个平面假设;其次,利用判定为属于同一个平面假设的3D直线对该平面假设进行分割,得到多个子平面块假设;然后,依据真实平面对应不同视角的图像区域灰度相似且相互间不存在遮挡的准则证实这些子平面块假设,得到属于建筑物屋顶表面的子平面块;最后,利用这些子平面块,生成建筑物屋顶表面所在的开放平面,并近似确定其覆盖范围。第二步,提出一种有效的平面边界构造方法,为对应屋顶表面的开放平面构造边界,并建立平面间拓扑关系。首先,以检测到的开放平面为基础,通过计算平面交线,建立平面间拓扑关系假设,并判断可能缺失的平面,依据图像信息构造并证实这些缺失平面;其次,参考先前确定的开放平面近似覆盖范围,把平面交线、已经建立的3D直线、图像中未匹配的2D直线特征以及简单的启发性规则作为构造平面边界假设的依据,按照可靠性从高到低的顺序,依次用于构造完整的平面边界假设;最后,融合平面边界的完整性准则以及平面间拓扑关系的一致性准则,生成建筑物屋顶的全局最优表面模型。第三步,依据得到的建筑物屋顶表面模型和地面信息,补充竖直墙,生成完整的建筑物表面模型。 (5)提出了一种基于规则几何约束的建筑物模型精校正方法。由于直线提取结果以及相机参数中存在的误差,已生成的3D模型也会存在一定误差。为了提高模型的精度,首先,本方法在已生成的建筑物屋顶表面模型的每个平面块中,检测可能的3D直线间平行、垂直和对称关系;然后,基于这些几何约束,以建筑物模型的位置参数为变量,定义一个代价函数,利用模式移动法计算最优模型参数。


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