第五讲城市人工目标三维重建

第四章城市人工目标三维重建4.1、简单人工目标的三维重建4.2、城市复杂房屋三维重建4.3、城市立交桥三维重建4.4、基于激光扫描技术的城市古建筑三维重建4.5、三维重建的质量控制策略三维地理信息在国民经济建设、社会发展和国防安全等领域有着日益广泛的应用人们的认识空间是多维与多视点的多维地面地上地下多视点公路选线与设计中的多尺度表示数字文化遗产敦煌莫高窟三维建模数字故宫LIDAR数据数字长城香港数字志莲净苑三维城市模型的有关概念2维信息只具有二维坐标2.5维DEM+二维信息DEM+遥感影像+二维信息3维信息具有三维坐标多层表面模型和实体模型3+x维：数码城市GIS三维几何+表面视觉属性空间维数概念真三维空间——地上与地下、室外与室内自然地面人工建筑三维城市模型城市的三维逼真描述，不仅具有多种细节层次的三维几何表达，还提供具有相片质感的表面描述如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息2D2.5D&3D数字高程模型DEM静态三维目标目标纹理Abbildung:3D-ModellArlesheimAbbildung:AusschnittOPod.Karterasterimagery2D-vectordata动态三维目标POIshyper-links多媒体属性数据栅格影像DOM2D矢量数据可视化GIS模型三维城市模型的统一表示地上与地下、室内与室外目标的统一表示几何模型、物理模型与行为模型的统一表示多维多尺度统一表示：1D+2D+2.5D+3D+xD第四章城市人工目标三维重建4.1、简单人工目标的三维重建4.2、城市复杂房屋三维重建4.3、城市立交桥三维重建4.4、基于激光扫描技术的城市古建筑三维重建4.5、三维重建的质量控制策略香港尖沙嘴纽约曼哈顿岛第五大道一、城市目标三维重建现状二、立体影像平台的建立三、三维重建的拓扑数据模型四、简单房屋三维重建4.1简单人工目标的三维重建1.三维数据获取技术地形图结合2DGIS（或建筑设计图）数字摄影测量激光扫描系统机载三维成像系统低空无人机遥感技术车载移动测绘系统近景摄影测量雷达干涉测量技术（INSAR）一、城市目标三维重建现状4.1简单人工目标的三维重建从2DGIS数据到2.5D块体模型数据过滤、分类、三维重建激光扫描数据与影像数据的融合机载激光扫描系统PointClouds提供….•更好的屋顶面片信息•不规则的点•有限的信息OpticalImageryvs.LiDAR提供….•丰富的信息•通常比较好的边界信息•阴影/遮挡OpticalImageryLiDAR2.基于遥感影像的人工目标三维重建综述（1）由于自动重建的难度，所有的系统都不能完全自动从影像精确地获得人工地物的三维几何描述和定量地决定场景中所有目标的性质（2）基于模型的方法被广泛运用于目标识别和重建，并取得了相当的成功。知识引导渗透到从低级到高级处理的各个层次（3）原始数据趋向多源化，越来越多的方法引入人工地物存在的多线索替代原有的以影像分析为基础的检测，多信息的融合降低问题的难度（4）复杂的人工地物目标的提取和三维重建要依赖于来自不同的相关领域的理论、方法一、城市目标三维重建现状4.1简单人工目标的三维重建（1）数字摄影测量系统仍存在真正全自动获取基础地理信息存在瓶颈问题（2）趋势是：从单像分析到利用摄影测量方法的多像分析（3）在人工已经识别与给定房屋类型与屋顶边界初值基础上，计算机进行房屋的精确定位的半自动提取受到人们的重视（4）目前的这些建模软件各有所长，但对于将来建立海量数据的数字城市还没有普遍有效的方法，对于模型数据的高效存储还没有统一的认识，并且都还没有有力的质量控制手段。国内的相关三维重建软件主要有IMAGISCyberCity、吉奥公司的VRMODEL和CCGIS、PhotoMiner和WebSight3D等一、城市目标三维重建现状4.1简单人工目标的三维重建3.人工地物三维重建主要难度和存在的问题从三维数据获取方面看，一般都是人工采集方法，缺乏快速、高效、具有一定自动化程度的数据获取方法，大部分方法效率低下，并且在精度上也无法保证从现实世界的表达方面看，地图作为二维抽象与表达的传统方法，其规范已相对成熟，应用相当广泛，但由于缺乏在三维环境下描述现实世界的相关规范，三维GIS的发展仍处于探索阶段一、城市目标三维重建现状4.1简单人工目标的三维重建1、立体影像对内定向2、立体影像对相对定向3、核线影像生成4、立体影像显示5、前方交会解求像方和物方关系6、一体化三维影像重建平台的建立二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建1、立体影像对内定向二、立体影像平台的建立首先实现对影像中框标点的自动识别与定位，然后利用仿射变换进行最小二乘平差处理，建立数字影像中的各像元行、列数与其像平面坐标之间的对应关系。整个内定向过程从数学的角度来看，就是三个坐标系间的转换过程。4.1简单人工目标的三维重建2、立体影像对相对定向自动相对定向所谓影像自动相对定向，涉及到影像相关问题，就是指必须让计算机能够在左、右影像上准确地找出同名像点来，用于解求相对定向元素。其中特征点提取和粗差的剔除是相对定向成功与否的关键。二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建自动相对定向流程图4.1简单人工目标的三维重建2、立体影像对相对定向二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建3、核线影像生成二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建3、核线影像生成二、立体影像平台的建立采用在倾斜像片上直接排列核线的方法。其特点是沿相应核线方向将扫描的数字影像的像元重新排列，在重排过程中保持原扫描方向的间隔。然后采用线性内插法对原数字影像重采样，生成核线影像4.1简单人工目标的三维重建3、核线影像生成二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建4、立体影像显示二、立体影像平台的建立采用OPENGL中提供的双缓冲区技术同时采用各种基本变换得到模型在不同视点下的三维景观图，即没有上下视差的左右影像，然后把左右影像分别写入左右缓存显示出来4.1简单人工目标的三维重建5、前方交会解求像方和物方关系二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建6、一体化三维影像重建平台的建立二、立体影像平台的建立4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型2、拓扑学3、三维拓扑4、三维重建的拓扑数据模型三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型三维空间数据模型是发展3DGIS的一个核心问题，对三维空间数据模型的认识和研究在很大程度上决定着3DGIS系统的发展和应用的成败三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型CAD/CAM领域的三维空间数据模型GIS中的三维空间数据模型三维空间可视化模型人工地物三维重建数据模型三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型CAD/CAM领域的三维空间数据模型三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型GIS中的三维空间数据模型在对3DGIS的空间模型研究方面，基于对地理现象的认识和不同的3DGIS强调的功能侧重点的不同，形成了两大类空间模型：矢量模型和栅格模型矢量模型是通过对三维空间对象特征点的坐标（X，Y，Z）和空间关系的描述来表达三维空间对象栅格模型则通过将三维空间对象划分成三维栅格阵列，用一串三维阵列和指针来表示三维空间对象三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型GIS中的三维空间数据模型三、三维重建的拓扑数据模型Molenaar的3D矢量数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型GIS矢量空间模型的优点主要表现在：（1）数据存储格式紧凑，所占存储空间小，能直观表达空间几何元素间的拓扑关系。（2）数据精度高，能精确表达三维线状实体、面状实体和体状实体的不规则边界。（3）空间查询、拓扑查询、网络分析的能力较强。（4）图形输出效果好，容易实现几何变换等空间操作。缺点是空间计算复杂，造成算法实现过程较为复杂，表达体内的不均一性的能力较差。三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型GIS中栅格数据模型的特点是结构简单，便于各种空间叠加操作，空间操作算法简单，对体内的不均一性具有一定的表达能力，叠加分析和缓冲区分析都很容易实现。缺点也是多方面的，主要表现在：（1）数据量巨大，占用大量存储空间，造成处理速度较慢。（2）数据精度低，造成输出效果较差。（3）没有显式定义空间拓扑关系，不利于查询和分析。（4）空间分析的精度低。三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型三维空间可视化模型对可视化模型的研究出现了两个发展方向：一种是对传统的三维空间模型进行扩展，采用精确几何模型结合纹理映射的方法实现三维空间的可视化在另一方面，直接以图像作为样本来绘制场景的基于图像的建模技术（ImageBasedRendering，IBR）发展非常迅速。这种技术以大量的图像样本为基础建立三维场景的可视化模型，而不需要任何几何信息三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、三维数据模型人工地物三维重建数据模型面向应用的三维GIS开发的三维目标数据模型应综合考虑的内容（精度、模型生成方法、生成LOD模型的难易程度等方面）。三维拓扑数据模型，建立基于拓扑的三维重建数据模型，基于此模型实现人工地物的三维重建。三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建2、拓扑学拓扑学是几何学的一门新兴的分支，因此，作为几何学，它仍是研究图形或形状的科学。另一方面，它研究的是图形在拓扑等价变换下的不变性，即以拓扑关系作为研究对象，它更为灵活和更具可塑性。拓扑关系反映了空间实体之间不随实体的连续变形而改变的与度量和方向无关的一种空间关系。拓扑学中的变换是“拓扑等价”变换。三、三维重建的拓扑数据模型原始行政界限拓扑等价变换不改变相邻关系4.1简单人工目标的三维重建2、拓扑学拓扑元素点、线段、面元、体元拓扑关系表示方法:常常结合度量关系来表示拓扑关系在三维重建中的作用协助完成深层次的空间分析，如连通性分析可以深入到具体的楼层、具体的房间通过建立拓扑关系可以自动发现某些数据错误帮助搜索相关的要素，如根据要求进行组合查询时可能用到拓扑关系更易于把基本的空间体元组合形成复合实体拓扑关系可以作为一种建立三维模型的策略与途径三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建3、三维拓扑内拓扑：三维实体的内部拓扑，在三维重建中是最为关键的环节，在目前三维重建过程中，内拓扑往往通过人工编辑完成。外拓扑：三维实体间的拓扑，外拓扑的重建往往被忽视。三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建3、三维拓扑三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建4、三维重建的拓扑数据模型三维重建的信息传输模式三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建4、三维重建的拓扑数据模型三维重建的模型化过程三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建4、三维重建的拓扑数据模型三维重建中拓扑关系的建模方法三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建4、三维重建的拓扑数据模型人工地物三维重建的拓扑数据模型三、三维重建的拓扑数据模型4.1简单人工目标的三维重建1、简单房屋概念2、简单房屋典型提取方法介绍3、直线段边缘提取4、基于支持区域的影像直线特征同名匹配5、基于平差模型简单房屋提取的基本原理6、物方空间几何约束的房屋重建四、简单房屋三维重建4.1简单人工目标的三维重建简单房屋概念：房屋特征点完全在房屋边界上的房屋称为简单型房屋；或者从拓扑链的角度来分类，简单房屋可理解为只含一个拓扑链的房屋。4.1简单人工目标的三维重建四、简单房屋三维重建4.1简单人工目标的