基于目標(biāo)識(shí)別和參數(shù)化技術(shù)的城市建筑群三維重建研究.pdf

1、隨著數(shù)字城市的快速發(fā)展和城市三維空間模型應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，城市建筑群三維模型的需求日益增長(zhǎng)。然而傳統(tǒng)建筑物三維重建方法在面對(duì)大空間尺度、大數(shù)據(jù)量、更新節(jié)奏快的城市建筑群時(shí)，在效率、精度、成本、尺度、技術(shù)門檻等方面均不同程度存在缺陷。為此，論文嘗試引入目標(biāo)識(shí)別和參數(shù)化技術(shù)，探求一種適用于城市建筑群的低成本、低門檻、高效率的“大眾化”三維重建解決方案，以滿足數(shù)字城市及相關(guān)領(lǐng)域的迫切需求。
　　論文的主要內(nèi)容包括:(1)對(duì)建筑物三維重

2、建、目標(biāo)識(shí)別和參數(shù)化建模這三大領(lǐng)域的相關(guān)研究、技術(shù)方法作了總結(jié)回顧，指出了其存在的問題;(2)對(duì)三大技術(shù)體系作了深度解構(gòu)，指出了“二元并行框架”的成因，給出了交叉的可行途徑，并通過體系重構(gòu)，構(gòu)建了城市建筑群三維重建的“三元交叉框架”;(3)針對(duì)遙感影像分割，提出了面向?qū)ο蟮亩喑叨葏^(qū)域合并分割方法和基于量化合并代價(jià)的快速區(qū)域合并分割方法;(4)針對(duì)矢量圖形優(yōu)化，提出了基于刪除代價(jià)的矢量圖形單層次優(yōu)化方法、面向遙感影像矢量化圖形的多層次優(yōu)化

3、方法和面向建筑群的矩形擬合優(yōu)化方法;(5)針對(duì)三維信息提取，提出了基于擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)模型的建筑群高度提取方法和三種城市建筑群層數(shù)估算模型，針對(duì)側(cè)向航拍影像提出了一種建筑群坐標(biāo)修正方法;(6)提出了“參-建分離”的系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì)該架構(gòu)中的參數(shù)管理模塊，設(shè)計(jì)了參數(shù)的關(guān)聯(lián)、組織、管理和屬性塊的恢復(fù)、管理等方法。針對(duì)服務(wù)網(wǎng)站模塊，設(shè)計(jì)了風(fēng)格庫(kù)管理和項(xiàng)目庫(kù)管理子模塊。針對(duì)自動(dòng)建模模塊，提出了DXF-SHP文件格式自動(dòng)轉(zhuǎn)換，CGA文法規(guī)則和規(guī)則庫(kù)框架設(shè)計(jì)

4、，規(guī)則庫(kù)的調(diào)用和參數(shù)值傳遞，以及自動(dòng)化建模腳本的設(shè)計(jì)等系列方法;(7)集成關(guān)鍵技術(shù)方法，開發(fā)了城市建筑群三維重建軟件原型系統(tǒng)(3DRS)及其子系統(tǒng)CBRS、CityUp，并以杭州市西湖區(qū)為案例開展了實(shí)證研究，從精度、效率、成本、技術(shù)門檻、時(shí)效性等方面驗(yàn)證了整套解決方案的可行性。
　　研究表明:(1)建筑物目標(biāo)識(shí)別與參數(shù)化建模技術(shù)，恰可解決建筑物三維重建面臨的兩大難點(diǎn);“三元交叉框架”使三大技術(shù)體系成為一個(gè)緊密連接、流程清晰、分工明

5、確、目標(biāo)一致的統(tǒng)一整體，為相關(guān)研究提供了理論支撐和方法指導(dǎo);(2)面向?qū)ο蟮亩喑叨葏^(qū)域合并分割方法使綜合考慮多種地物特征和多尺度分割成為可能，最大限度地縮短了隊(duì)列長(zhǎng)度，提高了分割精度和速度;基于量化合并代價(jià)的快速區(qū)域合并分割方法不僅能夠保證分割精度，而且合并速度優(yōu)勢(shì)隨初始分割區(qū)域數(shù)量的增加而越加顯著;(3)相較于經(jīng)典DP方法，基于刪除代價(jià)的矢量圖形單層次優(yōu)化方法具有更高的精度和更低的時(shí)間復(fù)雜度，而且單位節(jié)點(diǎn)處理能力和等壓縮率下的處理速度

6、均具有顯著優(yōu)勢(shì);相較于傳統(tǒng)單層次優(yōu)化方法，面向遙感影像矢量化圖形的多層次優(yōu)化方法對(duì)影像不同的分割尺度和空間分辨率具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，能更好地還原地物的多層次特性;面向建筑群的矩形擬合優(yōu)化方法可以有效減少最小面積外接矩形的計(jì)算時(shí)間，確保矩形對(duì)邊平行、鄰邊垂直的關(guān)系，所得優(yōu)化結(jié)果的形態(tài)和面積精度均較為理想;(4)基于擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)模型的建筑群高度提取方法、建筑群層數(shù)估算模型和建筑群坐標(biāo)修正方法分別達(dá)到了較高的精度水平，可滿足相關(guān)應(yīng)用需求;(5)“參

7、-建分離”的系統(tǒng)架構(gòu)以及針對(duì)三大模塊提出的一系列創(chuàng)新方法大幅降低了參數(shù)化建模平臺(tái)的技術(shù)門檻和邊際成本，提高了建模效率，為參數(shù)化技術(shù)的快速、廣泛普及提供了新的發(fā)展思路;(6)本研究所提方法及系統(tǒng)在精度、效率、成本、門檻、時(shí)效性等方面均滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)定目標(biāo)，體現(xiàn)了廣泛的優(yōu)勢(shì)和大眾化特性，整套解決方案具有可行性;(7)研究成果將推動(dòng)數(shù)字城市三維空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，使之在城市規(guī)劃與管理、建筑景觀設(shè)計(jì)、國(guó)防軍事、應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、虛擬旅游、交通