基于航空立体像对数字表面模型的城市建筑物屋顶提取与三维建模研究

发布时间：2020-08-24 12:47

【摘要】：城市建筑物屋顶的轮廓信息及其三维模型对三维城市模拟、太阳能供给分析、环境模拟和灾害管理等领域有着非常重要的作用。已有许多研究从激光雷达(Light Detection and Ranging,简称LiDAR)数据生成的数字表面模型(Digital Surface Model,简称DSM)中进行了建筑物屋顶的提取和三维重建。然而,与摄影测量技术相比,LiDAR数据采集较慢,成本较贵,较难应用于大范围城市地区的建筑物屋顶信息获取。因此,针对没有高分辨率机载LiDAR数据覆盖的大型城市区域,如何从航空立体像对数据中进行屋顶的自动提取和重建,是目前研究的热点技术和迫切需要解决的问题。本文利用航空立体像对生成的DSM数据,在绿地分布数据的辅助下,提出了建筑物屋顶的自动提取和三维建模方法,主要研究内容和成果包括:(1)本文提出了基于航空立体像对DSM数据和绿地分布数据的建筑物屋顶轮廓提取方法。该方法首先使用高斯滤波和中值滤波去除DSM数据中的噪声,并通过膨胀重建算法,获得建筑物屋顶的初始种子区域。考虑到植被和地面对种子区域选取的影响,采用绿地分布数据和数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)去除非屋顶种子区域。随后,采用区域生长方法进行建筑物屋顶斑块的提取,并且通过区域合并方法对同一屋顶的斑块进行合并,得到完整的建筑物屋顶。最后,通过形态学处理平滑建筑物屋顶边界得到最终的建筑物屋顶轮廓。本文将该方法应用于建筑物屋顶结构复杂、类型多样的上海市中心城区,进行方法的验证。共选择了3种不同土地利用类型的9个验证区域进行精度评估,基于数量和面积的完整度分别为93.5%和96.2%。结果表明,该方法可以准确地提取建筑物屋顶轮廓。本文提出的方法可以应用于其他大型城市地区,并可以为城市规划和管理提供建筑物屋顶信息。(2)在获取的建筑物屋顶轮廓数据基础上,结合归一化数字表面模型(normalized Digital Surface Model,简称nDSM),本文改进了一种基于图论的建筑物屋顶三维建模方法。该方法首先根据建筑物屋顶轮廓和nDSM数据构建建筑物屋顶等值线,并对等值线进行规则化、旋转和裁剪处理,使其更为规则和整齐。然后采用局部等值线树方法对建筑物屋顶拓扑结构进行表达和描述,根据拓扑结构变化检测对等值线树进行分解,获得建筑物屋顶单一均质的局部结构。利用相邻等值线间的空间以及形态属性构建偶图,通过偶图匹配求取最大化匹配结果完成屋顶局部结构的模型重建。最后通过整合各个单独的表面模型获得最终的建筑物屋顶三维模型。本文以上海市陆家嘴的部分区域为实例进行了方法的验证。结果表明,该方法能够有效地提取建筑物屋顶的几何和拓扑信息,并成功地重建出复杂的建筑物屋顶模型,为基于航空立体像对的DSM数据的建筑物屋顶三维建模提供了一种有效的解决方案。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P237

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