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第4讲城市人工目标三维重建徐景中徐景中主要内容主要内容•一、概述•二、城市房屋的三维重建–2.1空间维数概念–2.2三维数据的获取途径–2.3基于遥感影像的城市房屋三维重建–2.4基于LiDAR点云的房屋三维重建•三、城市古建筑的三维重建•四、城市立交桥三维重建遥感信息工程学院2一、概述•（1）目标类型3•（2）目标三维重建的作用（2）目标三维重建的作用4目标三维重建已在在国民经济建设、社会发展和国防安全等领有着益广应等领域有着日益广泛的应用。5二、基于遥感影像的城市房屋三维重建基于遥感影像的城市房屋维重建•2.1空间维数概念概–2维：2维：•信息只具有二维坐标–25维：2.5维：•DEM+二维信息•DEM+遥感影象+二维信•DEM+遥感影象+二维信息遥感信息工程学院6–3维：•信息具有三维坐标•多层表面模型和实体模型–3+x维：•数码高分辨率遥感影像的GIS•三维几何+表面视觉属性遥感信息工程学院7二、基于遥感影像的城市房屋三维重建基于遥感影像的城市房屋维重建2.2三维数据的获取途径•数字摄影测量测量数据据采集遥感信息工程学院8•激光扫描技术–机载LiDAR遥感信息工程学院9•激光扫描技术–地面激光扫描遥感信息工程学院10•车载移动测绘系统遥感信息工程学院11•地形图+高程遥感信息工程学院12–低空无人机遥感技术–机载三维成像系统–近景摄影测量近景摄影测量–雷达干涉测量技术（INSAR）遥感信息工程学院1323基于遥感影像的城市房屋三维重建2.3基于遥感影像的城市房屋三维重建1.现状及趋势（1）现状（1）现状数字摄影测量系统仍存在瓶颈，难以真正全自动地获取基础地理信息;取基础地理信息;——属于半自动方法：即在人工给定房屋类型与屋顶边界初值基础上，利用计算机进行房屋的精确定位；三维建模软件：目前，国内三维重建软件主要有IMAGISCyberCity、，yy吉奥公司的VRMODEL和CCGIS、PhotoMiner和WebSight3D等；各有长但对建立海数据的维模型还没——各有所长，但对于建立海量数据的三维模型还没有普遍有效的方法；对于模型数据的高效存储也没有统一的认识而且缺乏有力的质量控制手段遥感信息工程学院有统一的认识，而且缺乏有力的质量控制手段。14（2）难点–人工交互方式，缺乏快速、高效的数据获取方法，自动化程度不高并且精度也无法保证自动化程度不高，并且精度也无法保证；–由于目标复杂，所有的系统都不能完全自动地从影像上精确获得目标的三维几何描述无法定量地决像上精确获得目标的三维几何描述，无法定量地决定场景中所有目标的性质；–虽然地图是现实世界的二维抽象与表达其规范已–虽然地图是现实世界的二维抽象与表达，其规范已相对成熟，应用也相当广泛；但由于缺乏在三维环境下描述现实世界的相关规范，基于地图进行目标境现实界，行重建的研究仍处于初步阶段；遥感信息工程学院15（）趋势（3）趋势对基于影像的人工目标重建，采用摄影测量技术和计算机视觉方法相结合的方式完成；对基于模型的三维目标重建，将知识的引导内容渗透到从低级到高级处理的各个层次中；引用多源数据提供的人工目标各种线索和信息，降低单纯以影像分析为基础的检测难度；结合不同领域的相关理论、方法克服复杂的人工目标提取和三维重建问题；遥感信息工程学院162基于遥感影像的房屋三维重建原理2.基于遥感影像的房屋三维重建原理–(1)立体影像平台的建立–(2)三维重建模型–(3)简单房屋三维重建(3)简单房屋三维重建–(4)复杂房屋三维重建遥感信息工程学院17–(1)立体影像平台的建立•1）立体影像对内定向•解决像片坐标系统与扫描坐标系统之间的差异（缩解决像片坐标系统与扫描坐标系统之间的差异（缩放、旋转、平移）；•2）立体影像对相对定向体影像对相对定向•恢复构成立体像对的两张像片的相对方位，建立被摄物体的几何模型；•自动相对定向：匹配同名特征点；•3）核线影像生成核线影像成•使得同名像点对的上下视差为零；•便于进行立体观测和立体测图遥感信息工程学院18•4）立体影像显示•4）立体影像显示•5）前方交会解求像方和物方关系•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遥感信息工程学院19人标维标获流程为–人工目标三维坐标获取流程为：遥感信息工程学院20(2)三维重建模型–1）三维模型分类–2）三维拓扑重建2）三维拓扑重建遥感信息工程学院211）三维模型•1）三维模型遥感信息工程学院22•三维重建的信息传输模式•三维重建的信息传输模式遥感信息工程学院23三维重建的模型化过程遥感信息工程学院24三维模型的种类有：种类–CAD/CAM领域的三维空间数据模型–GIS中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遥感信息工程学院25CAD/CAM领域的三维空间数据模型–可分为表面表示法空间分割法法、空间分割法和构造实体几何表示法三类，[钟表示法类，[钟毅，2002]。遥感信息工程学院26GIS中的三维空间数据模型2DGIS无法对具有丰富高度信息的三维空间对象的无法对具有丰富高度信息的三维空间对象的第三维进行处理和表达；3DGIS中三维空间数据模型：3DGIS中三维空间数据模型：•A.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;，•B.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;•C.混合数据模型遥感信息工程学院27A.GIS中的三维矢量模型–GIS矢量模型的优点：矢（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：•空间计算复杂，算法实现过程较为复杂，表达体内的不空间计算复杂，算法实现过程较为复杂，表达体内的不均一性的能力较差。遥感信息工程学院28BGIS中三维栅格数据模型B.GIS中三维栅格数据模型–GIS中栅格数据模型的特点：构简单便各种空间操作空间操作算简单•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区分析都很容易实现。–缺点：（1）数据量巨大占用大量存储空间处理速度较慢•（1）数据量巨大，占用大量存储空间——处理速度较慢。•（2）数据精度低——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•（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。遥感信息工程学院29C.三维集成/混合数据模型–研究全新的数据模型相对困难，采用数据模型集成方式更为常见。•混合数据模型是指针对不同的实体采用不同的三维数据模型，然后将不同的数据模型集成在同一个系统中个系统中。–TIN与CSG的集成常常用于城市3DGIS中：•由于建筑物一般都是几何形状规则的对象，用CSG来表示比较方便；地形是不规则的，用TIN来描述较好较好。遥感信息工程学院30•三维空间可视化模型•三维空间可视化模型–三维空间可视化模型的构成要素:几何特征和纹理特征征。–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•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方法实现三维空间的可视化；视化；•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，不需要任何几何信息几何信息。遥感信息工程学院31–面向应用的三维目标数据模型应综合考虑以下内容内容：•三维模型表达的精度、三维模型生成方法及模型重建的难度；•三维空间的几何描述及空间关系的表达模型数据在数据库中的存储及检索速度；•三维模型属性数据关联的难易程度；•此外，三维空间模型还应满足完整性、唯一性等质量要求，应遵循标准化原则，便于数据的共享和交换。遥感信息工程学院32•2）三维拓扑重建–拓扑学:是研究图形或形状的科学，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但它更为灵活和更具可塑性究对象，但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种空间关系而改变的，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。遥感信息工程学院33原始行政界限拓扑等价变换不改变相邻关系原始行政界限拓扑等价变换不改变相邻关系遥感信息工程学院34•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；–通过建立的拓扑关系，可以自动发现某些数据错误；–利用拓扑关系帮助搜索相关要素(组合查询)；–更易于把基本的空间体元组合形成复合实体；•拓扑元素–点、线段、面元、体元；点线段元体元；遥感信息工程学院35•2）三维拓扑重建–内拓扑：三维实体内的拓扑关系，是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：三维实体间的拓扑即外拓扑。外拓扑的重建往往不被重视。36遥感信息工程学院3737遥感信息工程学院38–典型的三维拓扑数据模型典型的三维拓扑数据模型•Egenhofer&Franzosa（1991）——4元组模型•Egenhofer&Herring（1991）——9元组模型Egenhofer&Herring（1991）9元组模型•Breunig(1996)——局部拓扑和整体拓扑•陈军（2001）——V9I模型陈军（2001）V9I模型•李志林（2001）——空间代数模型遥感信息工程学院39三维拓扑模型存在的主要问题•三维拓扑模型存在的主要问题–拓扑关系描述的形式化方法和模型远未达成共识，都是在各自提出的方法和模型上展开研究都是在各自提出的方法和模型上展开研究；–缺乏统一的空间数据表达、缺乏空间目标间拓扑关系描述的方法模型系描述的方法及模型；–评判不同模型的好坏目前还没有一个准则；–当前的研究很少将拓扑关系的建立与度量关系结合起来，实现真正意义上的三维重建。–从拓扑关系不确定性研究来看，目前仍缺乏对拓扑关系不确定性的来源、度量、一致化处理方法以及伴随的误差传播模型的系统研究伴随的误差传播模型的系统研究；遥感信息工程学院40•结合度量关系的拓扑关系重建41人工地地物三维维重建建的拓扑扑数据模模型遥感信息工程学院4242•(3)简单房屋三维重建(3)简单房屋三维重建–1）简单房屋概念2）简单房屋重建现状–2）简单房屋重建现状–3）简单房屋半自动重建策略–4）基于平差模型的简单房屋模型三维重建–5）物方空间几何约束的房屋模型三维重建遥感信息工程学院431）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–房屋特征点完全在房屋边界上的房屋称为简单型房屋；从拓扑链的角度来分类简单房屋可理解为只含–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。遥感信息工程学院44简单房屋提取方法文献（自学）：–刘少创：基于可变模板的方法；–徐芳：采用人工标定提取房屋角点的半自动方法；徐芳：采用人工标定提取房屋角点的半自动方法；–ChunganLin,AndresHuertas和RamakantNevatia：基于单像的房屋检测方法；Nevatia：基于单像的房屋检测方法；–胡翔云：感知编组和边缘提取方法；遥感信息工程学院452）房屋重建现状2）房屋重建现状：–人机交互——基于数字影像立体平台和建模软件；全自动方法–全自动方法：•单像分析：关键是如何利用提取有意义的直线构造房屋模型；造房屋模型；•多像分析：影像匹配（灰度匹配、基于特征匹配、局部匹配、整体匹配以及最小二乘匹配等）；局部匹配、整体匹配以及最小二乘匹配等）；–目前全自动重建房屋模型难度较大，可靠性较低；实践表明使用人工给定种子点的半自动方法能大大实践表明使人给定种子点的