一種快速獲取三維建築信息的方法及系統的製作方法
2023-09-18 12:16:15
專利名稱：一種快速獲取三維建築信息的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及獲取三維建築信息技術領域，尤其涉及ー種快速獲取LiDAR(LightDetection And Ranging,雷射雷達)點雲數據與DLG(Digital Line Graphic,數字線劃圖)數據集成三維建築信息的方法及系統。
背景技術：
隨著工業化、城市化的加速發展，城市信息的滯後性成為當今發展迫切需要解決的一個問題，如何快速、有效、低廉的獲取城市建築物信息建立數字城市是當今城市管理者們普遍關心的一個問題。此外，在進行城鎮村土地集約節約利用評價時，建築物信息獲取也是ー個非常重要的方面，快速獲取城市建築物信息對於城鎮村土地集約節約評價也是至關重要的一項技術支撐。目前，獲取建築物空間信息建立建築物數字三維的方法主要有三種類型(I)人エ提取的方法；(2)航空攝影的方法；(3)雷射掃描的方法。人工提取的方法就是根據人的判讀從圖像或是實地讀取出每個建築物的信息，由於完全依據人的經驗和方法進行提取，因而速度慢，耗費大量的人力和物力。航空攝影的方法主要是採用立體像對，通過特徵匹配和共線條件方程來重建建築物3D模型，其中匹配算法直接決定了結果的正確性和完整性，此外也有採用單張影像，利用建築物陰影計算建築物高，建立建築物三維數字模型，但通常只能應用於有規則幾何的建築物，而且可靠性和精度都不能得到有效保證。採用雷射掃描建立建築物三維模型的方法是最新發展起來ー種技木，主要方式是採用機載或地面三維雷射掃描儀，構建雷射點雲，從而建立建築物三維模型，此種方法精度高，但需要處理大量的點雲數據，工作量大、過程複雜、處理時間長，然而在應用中我們對建築物三維模型的獲取也不需要如此高的精度。此外，目前還有採用航空影像數據與雷射掃描數據相結合的方式獲取建築物三維模型的方式，主要採用高解析度的航空影像獲取建築物平面輪廓信息，採用雷射掃描數據獲取高度信息，這種由航空影像獲取建築物外圍輪廓的方式需要採用相應算法提取建築物輪廓，且只對輪廓規則的建築物最為適用，而且還有很多建築物輪廓無法有效的提取。
發明內容
本發明的目的在於設計ー種新型的快速獲取三維建築信息的方法，解決上述問題。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下—種快速獲取三維建築信息的方法，包括數據準備，獲取原始數據並進行數據格式轉換；數據處理，導入所述格式轉換後的數據並獲取臨界高程值，對導入的所述格式轉換後的數據及臨界高程值進行數據處理；、
結果生成，根據所述數據處理後所得的數據建立建築物數字三維模型。所述原始數據，包括雷射點雲數據和數字線劃圖數據，所述雷射點雲數據為建築物高度信息，所述數字線劃圖數據為建築物輪廓地圖信息。所述的數字線劃圖數據為大比例尺數字線劃圖數據。所述的臨界高程值，是通過對點雲數據的高程屬性進行等距高程頻率直方圖統計分析獲得。所述的數據處理過程包括(I)數據導入，導入所述數據格式轉換後的原始數據；
(2)獲取所述臨界高程值；(3)坐標系統轉換，對導入的數據進行坐標系統轉換；(4)點圖層數據分類；(5)建立DEM (Digital Elevation Model，數字地面模型)並獲取地形連續變化範圍；(6)檢驗並提取建築物上的點；(7)計算建築物高度值。所述的坐標系統轉換，是將雷射點雲數據和數字線劃圖數據轉化為統ー的坐標系統框架下。所述點圖層數據分類，是以所述臨界高程值作為標準將點圖層根據其高程屬性值分為大於所述臨界高程值的點圖層和小於所述臨界高程值的點圖層，分別生成建築物上的點圖層和地面點圖層。所述的建立數字地面模型並獲取地形連續變化範圍，是將所述地面點圖層採用克裡金插值進行空間插值，生成數字地面模型，得到地形的連續變化取值範圍。所述檢驗並提取建築物上的點中所述的檢驗，是採用所述地形的連續變化取值範圍對所述建築物上的點圖層再次進行篩選，去掉所述臨界高程值在地形變化範圍內的點。所述提取建築物上的點，是將所述數字線劃圖數據與經過所述數字地面模型篩選過的建築物上的點圖層進行疊加分析。所述計算建築物高度值，是根據所述數字線劃圖數據中建築物輪廓內的點數據的高程值，採取求和取平均值計算平均高度作為屬性值賦給建築物。以所述數字地面模型作為基礎高程，採用所述數字線劃圖數據中建築物的高度屬性建立並顯示所述數字線劃圖數據內所有建築物的三維模型。ー種快速獲取三維建築信息的系統，包括坐標系統轉換模塊、數據分類功能、插值模塊、疊加分析模塊、計算模塊以及三維顯示模塊；所述的坐標系統轉換模塊，將雷射點雲數據和數字線劃圖數據轉化為統ー的坐標系統框架下；所述數據分類模塊，是以所述臨界高程值作為標準將點圖層根據其高程屬性值分為大於所述臨界高程值的點圖層和小於所述臨界高程值的點圖層，分別生成建築物上的點圖層和地面點圖層；所述插值模塊，將所述地面點圖層採用克裡金插值進行空間插值，生成所述數字地面模型，得到地形的連續變化取值範圍；
所述疊加模塊，將所述數字線劃圖數據與經過所述數字地面模型篩選過的建築物上的點圖層進行疊加分析；所述計算模塊，是根據所述數字線劃圖數據中建築物輪廓內的點數據的高程值，採取求和取平均值計算平均高度作為屬性值賦給建築物；所述顯示模塊，以所述數字地面模型作為基礎高程，採用所述數字線劃圖數據中建築物的高度屬性建立並顯示所述數字線劃圖數據內所有建築物的三維模型。本發明的有益效果可以總結如下I.本發明通過大比例尺DLG數據中獲取的建築物的輪廓信息，位置信息，採用機載雷射掃描儀獲取建築物的高度信息，其輪廓、位置信息精確，是ー種快速、有效、低廉的建立數字城市的方法。
2.本發明將原始數據導入內業處理軟體中，採用由SPSS分析後得到數值，將數據處理流程的各部分功能模塊相集成，實現了數據處理流程的自動化與快速化。
圖I為本發明的整體技術流程圖。圖2為本發明原始數據預處理流程圖。圖3為本發明採用SPSS進行高程數據分析流程。圖4為本發明未經調整原始高程等間距直方圖。圖5為本發明經調整後的高程等間距直方圖。圖6為本發明快速獲取三維建築信息系統示意圖。圖7為本發明內業數據處理軟體流程圖。
具體實施例方式為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一歩詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例儀儀用以解釋本發明，並不用幹限定本發明。如圖I所示的本發明的整體技術流程圖，主要內容包括數據準備、數據處理與結果生成三部分內容組成，其具體的實現方式包括如下步驟步驟S101,原始數據預處理。所述原始數據包括LiDAR點雲數據O. Ias格式)和從地圖資料庫中獲取的研究區域大比例尺DLG數據。對原始數據的預處理，包括採用Global Mapper軟體將las格式的LiDAR點雲數據通過設置相應的投影坐標系統轉換成shapefile格式的數據。對於由地圖資料庫中獲取的大比例尺DLG數據，由于格式不同，可通過相應的方法將大比例尺DLG數據轉為shapefile格式,在轉換時也可通過GlobalMapper採用相同的方法進行。步驟S102，獲取臨界高程值。藉助SPSS數據統計分析工具，對LiDAR點雲數據的高程屬性進行等距高程頻率直方圖統計分析。由於原始數據LiDAR點雲數據的高程是ー個連續的區間，在建立高程頻率直方圖時應選取適當的高程統計間隔，對相近的高程值進行合井，以適當的反應出數據高程的特點。此外雖然城市內建築物較多，但裸露地面的高程頻率仍表現為ー個最大波峰，記錄與此波峰相鄰的兩波谷的高程值，凡在此高程區間內的點雲數據即可暫被當做地面點，認為在此高程區間之外的點為地物點，因此從分析結果中可以明顯分辨出高程值變化的差異性，選擇差異點作為建築物與地面的臨界高程值。步驟S103，數據導入。將步驟SlOl格式轉換的數據導入數據處理模塊。步驟S104，坐標系統轉換。其數據特徵為=LiDAR數據一般採用的是WGS-84坐標系統，DLG數據一般採用四安80或地方坐標系統。可將點雲數據轉換成DLG數據下的坐標系統，也可將DLG數據轉換成點雲數據下的坐標系統。步驟S105，點圖層數據分類。對點圖層進行分類，是以步驟S102中獲取的臨界高程值作為標準將點圖層，分為大於臨界高程值的點圖層和小於臨界高程值的點圖層，分別作為建築物上的點圖層和地面上的點圖層在步驟S106中使用。步驟S106，建立DEM並獲取地形連續變化範圍。其目的是在步驟S107中對步驟S105生成的建築物上的點圖層做檢驗，具體步驟是將步驟S105中生成的地面點圖層採用克裡金法進行空間插值，生成DEM，由於地形是ー個連續變化的曲面，可以得到ー個地形變 化的取值範圍。步驟S107，檢驗並提取建築物上的點。由於在步驟S105生成的建築物上的點圖層不能保證完全處於建築物上，還有可能是由於地形起伏造成的高程較大的點被選入建築物中，採用步驟S106中得到的地形變化範圍再次對建築物上的點圖層進行篩選，可以去掉建築物內高程值在地形變化範圍內的點，保證得到的所有點數據均滿足要求。所述提取建築物上的點，是由於有些建築物上的點有可能是樹木等非建築物的點數據和數據本身以及在進行坐標系統轉換中誤差的存在與積累，不能保證所獲得的建築物上的點都在區域內的建築物輪廓內，因此，因此需將DLG數據與經過檢驗過的建築物上的點圖層進行疊加分析。步驟S108，計算建築物高度值。具體方法是在內業處理軟體中，根據DLG數據中建築物輪廓內的點數據的高程值求和取平均值計算平均高度作為屬性值賦給建築物。此過程會自動在DLG數據圖層中生成一個記錄建築物高度值的屬性，將計算得到的高度值賦給相應建築物的高度屬性中。步驟S109，建立並顯示建築物數字三維模型。具體方法是在內業處理軟體中自動將步驟S106中生成的DEM作為基礎高程，採用步驟S108中DLG數據內建築物的高度屬性作為建築物高，建立並顯示DLG數據內所有建築物的三維模型，也可將影像數據導入內業處理軟體中使顯示效果更佳。如圖2為原始數據預處理流程圖，在數據準備中，主要是對機載雷射掃描數據(LiDAR數據)和從地圖資料庫中獲取的大比例尺DLG數據做格式的轉換。步驟S201，將原始LiDAR數據和DLG數據導入Global Mapper軟體。步驟S202，Global Mapper軟體將原始LiDAR數據和DLG數據設置對應的投影系統。步驟S203，Global Mapper軟體將輸出設置為Shapefile格式。原始LiDAR數據為Ias格式，米用Global Mapper將las格式轉換為shapefile格式。Global Mapper支持幾乎所有的地圖格式，可以編輯、轉換各類地形文件，與地理信息系統軟體的兼容性也非常優秀。在Global Mapper軟體中，打開las格式的LiDAR數據，設置對應的投影方式，然後將輸出格式設置為shapefile進行輸出。對於非shapefile格式的DLG數據，也可使用Global Mapper轉換為Shapefile格式的面圖層。如圖3為SPSS下高程數據分析流程。步驟S301，在SPSS軟體中打開LiDAR數據的屬性表數據，步驟S302，使用Analyze中的統計分析模塊的功能進行高程頻率直方圖統計分析。步驟S303，在打開統計分析功能模塊後，選擇高程屬性作為分析対象，生成高程頻
率直方圖。步驟S304，對生成的高程頻率直方圖進行調整分析，根據當前直方圖調整統計數據的最大值和最小值。
·
步驟S305，根據直方圖調整統計數據的最大值和最小值設置高程統計間隔，生成差異性最為明顯的高程頻率直方圖用以區分地面點和建築物上的點。步驟S306，選出差異點作為臨界高程值。如圖4為未經調整點雲數據高程在SPSS下生成的高程獺率直方圖。未經調整的原始高程等間距直方圖高程值集中於0-60之間，其中出現的ー個較大波峰為裸露地表。如圖5為經調整後的點雲數據高程在SPSS下生成的高程頻率直方圖，提取區間為0-60之間的高程變化範圍，縮小高程統計間隔後調整為圖5所示直方圖。從分析結果中可以明顯分辨出高程值變化的差異性，選擇差異點作為建築物與地面的臨界高程值。如圖6所示為快速獲取三維建築信息的系統示意圖，包括坐標系統轉換模塊、數據分類功能、插值模塊、疊加分析模塊、計算模塊以及三維顯示模塊相集成。坐標系統轉換模塊，其數據特徵為=LiDAR數據一般採用的是WGS-84坐標系統，DLG數據一般採用四安80或地方坐標系統。可將點雲數據轉換成DLG下的坐標系統，也可將DLG數據轉換成點雲數據下的坐標系統。由於本發明對平面精度要求不高，Google EarthPro軟體的平面精度即可滿足要求，採用普遍使用的7參數模型，將DLG數據轉換成WGS-84坐標系統。具體方法是採用Google Earth Pro在研究區域採集若干控制點計算轉換參數，在內業處理軟體中通過設置相應的轉換參數進行坐標系統的轉換。數據分類模塊，對點圖層進行分類，是根據臨界高程值，在內業處理軟體中，以臨界高程值作為標準將點圖層分為大於臨界高程值的點圖層和小於臨界高程值的點圖層，分別作為建築物上的點圖層和地面上的點圖層。插值模塊，將生成的地面點圖層採用克裡金法進行空間插值，生成DEM，由於地形是ー個連續變化的曲面，可以得到ー個地形變化的取值範圍。疊加分析模塊，由於生成的建築物上的點圖層不能保證完全處於建築物上，還有可能是由於地形起伏造成的高程較大的點被選入建築物中，採用插值模塊得到的地形變化範圍再次對建築物上的點圖層進行篩選，去掉建築物內高程值在地形變化範圍內的點，保證得到的所有點數據均滿足要求。所述提取建築物上的點，是由於有些建築物上的點有可能是樹木等非建築物的點數據和數據本身以及在進行坐標系統轉換中誤差的存在與積累，不能保證所獲得的建築物上的點都在區域內的建築物輪廓內，因此需將DLG數據與經過檢驗過的建築物上的點圖層進行疊加分析。計算模塊，計算建築物高度值，具體方法是在內業處理軟體中，根據DLG數據中建築物輪廓內的點數據的高程值求和取平均值計算平均高度作為屬性值賦給建築物。此過程會自動在DLG數據圖層中生成一個記錄建築物高度值的屬性，將計算得到的高度值賦給相應建築物的高度屬性中。三維顯示模塊，建立並顯示建築物數字三維模型，具體方法是在內業處理軟體中自動將插值模塊生成的DEM作為基礎高程，採用步驟計算模塊DLG數據內建築物的高度屬性作為建築物高，建立並顯示DLG數據內所有建築物的三維模型，也可將影像數據導入內業處理軟體中使顯示效果更佳。針對本專利數據特點，本發明採用一體化的思想構建了內業數據處理系統，針對性強、處理速度快、效率高。如圖7所示，為內業數據處理軟體流程圖，具體步驟如下步驟S701，將shapefile格式的點圖層和DLG數據的面圖層導入內業數據處理軟 件中。步驟S702,在Google Earth Pro中獲取研究區域若干控制點,計算坐標轉換參數。步驟S703，在內業數據處理軟體中採用坐標轉換模塊，輸入計算得到的轉換參數進行DLG圖層坐標系向WGS-84坐標系統的轉換。步驟S704，採用數據分類的功能，在點圖層的屬性表中對高程屬性以SPSS獲取的臨界高程值為標準，將小於臨界高程值的作為地面上的點圖層，將大於臨界高程值的作為建築物上的點圖層分別加以操作。步驟S705，採用插值模塊將地面上的點圖層進行空間插值，具體步驟如圖7所示，首先選擇相應的插值模型設置相應的插值參數，即可形成DEM並獲取地形連續變化的範圍值。步驟S706，再次採用數據分類的功能以地形連續變化的範圍值為標準對建築物上的點圖層進行檢查，篩選出高程數值在DEM範圍內的點然後刪除，此過程後保留下的點可以認為完全是建築物上的點。步驟S707，採用疊加分析模塊將DLG圖層與建築物上的點圖層進行疊加分析，獲取DLG數據上建築物輪廓內的所有點數據。步驟S708採用數值計算功能計算每一個建築物計算輪廓內點數據的平均高度值，將此高度值作為屬性自動添加到DLG數據圖層屬性中。步驟S709，在三維顯示模塊中以DEM作為基本高程，以平均高度作為建築物高度自動生成DLG數據內所有建築物的三維模型。針對目前建築物三維模型獲取的複雜性、滯後性與高成本性，本發明採用DLG數據作為獲取建築物輪廓信息的底圖，採用機載雷射掃描數據獲取建築物高度，可以滿足獲取建築物三維模型的快速性、高效性和低價性。本發明可以快速獲取城市建築物三維信息，為城市規劃，土地評價、動態監測以及數字城市的建設提供及時有效的信息服務。以上通過具體的和優選的實施例詳細的描述了本發明，但本領域技術人員應該明白，本發明並不局限於以上所述實施例，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於包括 數據準備，獲取原始數據並進行數據格式轉換； 數據處理，導入所述格式轉換後的數據並獲取臨界高程值，對導入的所述格式轉換後的數據及臨界高程值進行數據處理； 結果生成，根據所述數據處理後所得的數據建立建築物數字三維模型。
2.根據權利要求I所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述原始數據，包括雷射點雲數據和數字線劃圖數據，所述雷射點雲數據為建築物高度信息，所述數字線劃圖數據為建築物輪廓地圖信息。
3.根據權利要求2所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述的數字線劃圖數據為大比例尺數字線劃圖數據。
4.根據權利要求I所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述的臨界高程值，是通過對點雲數據的高程屬性進行等距高程頻率直方圖統計分析獲得。
5.根據權利要求I所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述的數據處理過程包括 (1)數據導入，導入所述數據格式轉換後的原始數據； (2)獲取所述臨界高程值； (3)坐標系統轉換，對導入的數據進行坐標系統轉換； (4)點圖層數據分類； (5)建立數字地面模型並獲取地形連續變化範圍； (6)檢驗並提取建築物上的點； (7)計算建築物高度值。
6.根據權利要求4所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述的坐標系統轉換，是將雷射點雲數據和數字線劃圖數據轉化為統一的坐標系統框架下。
7.根據權利要求4所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述點圖層數據分類，是以所述臨界高程值作為標準將點圖層根據其高程屬性值分為大於所述臨界高程值的點圖層和小於所述臨界高程值的點圖層，分別生成建築物上的點圖層和地面點圖層。
8.根據權利要求4和6所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述的建立數字地面模型並獲取地形連續變化範圍，是將所述地面點圖層採用克裡金插值進行空間插值，生成數字地面模型，得到地形的連續變化取值範圍。
9.根據權利要求4所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述檢驗並提取建築物上的點中所述的檢驗，是採用所述地形的連續變化取值範圍對所述建築物上的點圖層再次進行篩選，去掉所述臨界高程值在地形變化範圍內的點。
10.根據權利要求4所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述提取建築物上的點，是將所述數字線劃圖數據與經過所述數字地面模型篩選過的建築物上的點圖層進行置加分析。
11.根據權利要求4所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於所述計算建築物高度值，是根據所述數字線劃圖數據中建築物輪廓內的點數據的高程值，採取求和取平均值計算平均高度作為屬性值賦給建築物。
12.根據權利要求I所述的快速獲取三維建築信息的方法，其特徵在於以所述數字地面模型作為基礎高程，採用所述數字線劃圖數據中建築物的高度屬性建立並顯示所述數字線劃圖數據內所有建築物的三維模型。
13.一種快速獲取三維建築信息的系統，其特徵在於包括坐標系統轉換模塊、數據分類功能、插值模塊、疊加分析模塊、計算模塊以及三維顯示模塊。
所述的坐標系統轉換模塊，將雷射點雲數據和數字線劃圖數據轉化為統一的坐標系統框架下； 所述數據分類模塊，是以所述臨界高程值作為標準將點圖層根據其高程屬性值分為大於所述臨界高程值的點圖層和小於所述臨界高程值的點圖層，分別生成建築物上的點圖層和地面點圖層； 所述插值模塊，將所述地面點圖層採用克裡金插值進行空間插值，生成所述數字地面模型，得到地形的連續變化取值範圍； 所述疊加模塊，將所述數字線劃圖數據與經過所述數字地面模型篩選過的建築物上的點圖層進行疊加分析； 所述計算模塊，是根據所述數字線劃圖數據中建築物輪廓內的點數據的高程值，採取求和取平均值計算平均高度作為屬性值賦給建築物； 所述顯示模塊，以所述數字地面模型作為基礎高程，採用所述數字線劃圖數據中建築物的高度屬性建立並顯示所述數字線劃圖數據內所有建築物的三維模型。
全文摘要
本發明公開了一種快速獲取三維建築信息的方法及系統，包括數據準備、數據處理和結果生成，具體步驟如下1.原始數據預處理；2.獲取臨界高程值；3.數據導入內業處理軟體；4.坐標系統轉換；5.點圖層數據分類；6.建立數字地面模型並獲取地形連續變化區間；7.檢驗並提取建築物上的點；8.計算建築物高度；9.建立顯示建築物數字三維模型。本發明採用系統集成的方式，針對給定區域內所有建築物設計了一種快速建立數字城市的方法，實現了對城區建築物的快速三維模型的建立和顯示，可適用於土地利用情況調查、城市規劃與數字城市建設等領域。本發明實現了獲取三維建築信息的快速性、高效性和低價性。
文檔編號G06T17/00GK102708587SQ201210113220
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者孫義博, 王鶴饒, 艾剛, 賈宗仁, 鄭新奇 申請人:中國地質大學(北京)