本發(fā)明涉及的是一種基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的建筑線畫(huà)圖生成方法，屬于遙感科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)前傳統(tǒng)紙制地圖提供的信息已經(jīng)無(wú)法滿足人們生產(chǎn)生活的需求，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和地理信息技術(shù)（Geographic Information Science, GIS）的發(fā)展，傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖也隨之以一種新的載體形式-即電子地圖或矢量地圖，逐步取代了傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖，成為當(dāng)今紙制地圖的載體和重要的表現(xiàn)形式；在此背景下當(dāng)今數(shù)字化產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)也逐步完善和提高，如數(shù)據(jù)獲取、空中三角測(cè)量、質(zhì)量控制、產(chǎn)品應(yīng)用、生產(chǎn)管理等諸多環(huán)節(jié)都形成了一定的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，便于后續(xù)各種產(chǎn)品之間的兼容和共享；當(dāng)今在測(cè)繪業(yè)界，形成了以數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字線劃地圖（DLG）和數(shù)字柵格地圖（DRG）為代表的4D數(shù)字化產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品已為民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，并成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)部門(mén)進(jìn)行決策、管理、設(shè)計(jì)、規(guī)劃的主要依據(jù)，同時(shí)也為我國(guó)解決人、資源、環(huán)境和災(zāi)害等重大社會(huì)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的基本信息手段。

4D數(shù)據(jù)產(chǎn)品中是最為常見(jiàn)的數(shù)字化產(chǎn)品當(dāng)屬數(shù)字線劃地圖（Digital Line Graphic，DLG），DLG是現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)，目視效果與同比例尺一致，但色彩更為豐富，DLG可滿足各種空間分析要求，可隨機(jī)地進(jìn)行數(shù)據(jù)選取和顯示，與其他信息疊加，可方便進(jìn)行空間分析、決策；其中部分地形核心要素可作為數(shù)字正射影像地形圖中的線劃地形要素，同時(shí)DLG集放大、漫游、查詢、檢查、量測(cè)、疊加等功能為一體，便于圖層分層，可方便快速的生成專題地圖，又稱矢量專題信息DTI（Digital Thematic Information），DLG的技術(shù)特征為：地圖地理內(nèi)容、分幅、投影、精度、坐標(biāo)系統(tǒng)與同比例尺地形圖一致；圖形輸出為矢量格式，任意縮放均不變形，可方便與其他DEM、DOM和DRG數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行融合，便于決策者集成異源數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析和決策。

現(xiàn)有技術(shù)方案有以下幾種：

（1）利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，采用以人工作業(yè)為主的三維跟蹤的立體測(cè)圖方法；目前，國(guó)產(chǎn)的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件VirtuoZo系統(tǒng)和JX-4C DPW系統(tǒng)都具有相應(yīng)的矢量化模塊，測(cè)圖精度較高，并配合多種測(cè)圖方式：先外業(yè)后內(nèi)業(yè)、先內(nèi)業(yè)后外業(yè)、內(nèi)外業(yè)調(diào)繪、采編一體化等諸多方式，一般而言，由外業(yè)作業(yè)人員對(duì)測(cè)區(qū)加密控制網(wǎng)，基于全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)字線劃地圖的各種算法被加入后，可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)或手動(dòng)定向，在DLG生產(chǎn)過(guò)程中，可以利用航片和高分辨率衛(wèi)片進(jìn)行立體測(cè)圖，在測(cè)圖過(guò)程當(dāng)中，相片中的地物和地貌分辨不清時(shí)，可以用估測(cè)的方式進(jìn)行測(cè)圖，之后再補(bǔ)測(cè)，將補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)重新錄入，由于立體的圖形可以與DOM進(jìn)行疊加，并且可以硬件放大、縮小和漫游，提高了作業(yè)精度；

（2）解析或機(jī)助數(shù)字化測(cè)圖；該方法在解析測(cè)圖儀或模擬器上對(duì)航片和高分辨衛(wèi)片進(jìn)行立體測(cè)圖，獲取DLG數(shù)據(jù)，該方法還需進(jìn)一步借助GIS或CAD等圖形處理軟件，進(jìn)一步編輯獲得的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)最終的成果數(shù)據(jù)。具體操作時(shí)，從航攝像片或衛(wèi)星遙感影像上準(zhǔn)確判繪水系、交通、工礦設(shè)施和植被等要素，不能準(zhǔn)確圖形或者屬性數(shù)據(jù)應(yīng)到野外進(jìn)行調(diào)繪。然后根據(jù)內(nèi)業(yè)預(yù)采的成果，到野外進(jìn)行全面核查、糾錯(cuò)和補(bǔ)調(diào)；

（3）通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的DOM或DRG圖矢量化獲取；利用DOM正射影像圖，利用ESRI或者VirtuoZo等GIS軟件在圖上進(jìn)行相應(yīng)要素的采集、編碼和入庫(kù)等工作，或者對(duì)現(xiàn)有的紙質(zhì)地形圖進(jìn)行掃描，繼而進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)采集及屬性錄入，完成紙質(zhì)要素的矢量化存儲(chǔ)；

（4）野外實(shí)測(cè)地圖；利用現(xiàn)有的全站儀、經(jīng)緯儀、GPS和三維激光掃描儀對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)測(cè)，完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和矢量成圖；

（5）數(shù)字線劃圖縮編的方式；根據(jù)縮編數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的對(duì)比分析建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模板用于繼承、轉(zhuǎn)換或編輯處理等操作。

現(xiàn)有技術(shù)有如下缺點(diǎn)：

（1）上述作業(yè)方式更多的需要人機(jī)交互，線畫(huà)圖的質(zhì)量往往取決于操作員的行業(yè)知識(shí)和熟練操作軟件的程度，不同操作員往往得到的DLG精度也大相徑庭；

（2）當(dāng)前通過(guò)衛(wèi)片或者航片中矢量化，獲取DLG，逐步成為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)更新的一種重要手段，眾所周知，由于航片或者衛(wèi)片容易受到飛行平臺(tái)、氣候特征和大氣質(zhì)量等諸多因素的影響，數(shù)據(jù)中包含目標(biāo)往往存在模糊、失真和比度差等缺陷，在此數(shù)據(jù)之上解析得到的DLG精度注定會(huì)大打折扣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的建筑線畫(huà)圖生成方法，其目的旨在解決當(dāng)前建筑線畫(huà)圖的生成往往采用人機(jī)交互進(jìn)行、效率較低、成果精度不高，以及當(dāng)前建筑線畫(huà)圖的生產(chǎn)沒(méi)有考慮到建筑群之間的關(guān)系，生成的建筑線畫(huà)圖之間往往缺乏一致性約束的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的建筑線畫(huà)圖生成方法，包括以下步驟：

（1）提取建筑外邊界和孔洞邊界；

（2）優(yōu)化分割建筑內(nèi)外邊界線；

（3）構(gòu)建建筑線畫(huà)圖。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可全自動(dòng)從機(jī)載點(diǎn)云中提取建筑的線劃圖，高效、便于后續(xù)更加客觀全面評(píng)價(jià)先畫(huà)圖的精度；

（2）采用混合關(guān)鍵點(diǎn)表達(dá)方法制作建筑的線畫(huà)圖，有效兼顧了先畫(huà)圖的精度和人造建筑幾何外觀的規(guī)則性；

（3）提取的建筑線畫(huà)圖1并融合了先驗(yàn)知識(shí)軟約束（周圍局部范圍內(nèi)建筑的走向），使得生成的建筑線化圖在整體宏觀尺度上具有很強(qiáng)的一致性。

附圖說(shuō)明

附圖1是本發(fā)明實(shí)施例的建筑線畫(huà)圖總體技術(shù)流程圖。

具體實(shí)施方式

基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的建筑線畫(huà)圖生成方法，包括以下步驟：

（1）提取建筑外邊界和孔洞邊界；

（2）優(yōu)化分割建筑內(nèi)外邊界線；

（3）構(gòu)建建筑線畫(huà)圖。

所述孔洞邊界又稱內(nèi)邊界。

所述步驟（1）提取建筑外邊界和孔洞邊界:建筑外邊界和孔洞邊界的提取算法結(jié)合了alpha shape算法和最小生成樹(shù)MST（Minimum Spanning Tree）算法，通過(guò)MST組織alpha shape的初始結(jié)果，其后在遍歷MST過(guò)程中搜索唯一的建筑外邊界和潛在的一條或者多條內(nèi)部孔洞邊界,具體包括如下步驟：

①首先利用alpha shape算法提取建筑外邊界線和孔洞邊界點(diǎn)，之所以選擇alpha shape算法是因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)整參數(shù)α值，能夠方便控制生成邊界的“厚度”，能夠充分保持邊界細(xì)節(jié)，但這些邊界點(diǎn)僅僅是一堆無(wú)組織的離散點(diǎn)，不具備點(diǎn)序間的順序或者逆序拓?fù)洌?/p>

②構(gòu)建MST，組織上述離散點(diǎn)，在構(gòu)建MST過(guò)程中，邊的權(quán)重考慮了朝向和歐式距離兩種因素；

③從MST中查找所有度為1的節(jié)點(diǎn)作為起始點(diǎn)；

(A)

其中B_i¹和B_i^|Bi|分別為當(dāng)前邊界B_i的起止點(diǎn)，為B_i的起止點(diǎn)間距，表示B_i的長(zhǎng)度，ρ為點(diǎn)云平均點(diǎn)密度，N 為提取邊界包含的最少點(diǎn)數(shù)，直觀上，在滿足約束條件的前提下，提取邊界越長(zhǎng)，首尾間距越短，目標(biāo)函數(shù)（A）越趨于最小化;

搜索使目標(biāo)函數(shù)（A）中B_i最小化時(shí)所對(duì)應(yīng)的深度子樹(shù)，將該深度子樹(shù)作為唯一的建筑外邊界，在求解建筑外邊界時(shí)，最小化B_i往往對(duì)應(yīng)MST中的最大深度子樹(shù)；

④仍依據(jù)公式（A），從剩余未被標(biāo)記的MST節(jié)點(diǎn)中遍歷潛在內(nèi)部孔洞邊界，該過(guò)程遞歸執(zhí)行，直至所有潛在孔洞邊界提取完畢。

所述步驟（2）優(yōu)化分割建筑內(nèi)外邊界線，由于組成內(nèi)外邊界線的點(diǎn)比較密集，并且這些點(diǎn)呈現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀幾何外觀，無(wú)論從線畫(huà)圖的“緊湊性”（含有較少的關(guān)鍵點(diǎn)）和線畫(huà)圖的“規(guī)則性”（滿足建筑規(guī)則性的幾何外觀）角度而言，都不能很好的表示二維建筑的輪廓，因此本發(fā)明進(jìn)一步精確分割建筑內(nèi)外邊界，將每條建筑邊界分割為具有實(shí)際物理意義的多條獨(dú)立直線段，以便生成代表建筑輪廓線的建筑內(nèi)外邊界關(guān)鍵點(diǎn)；

基于上述理解，對(duì)建筑內(nèi)外邊界線分割的具體方法如下：

給定任意一條建筑內(nèi)外邊界線，通過(guò)最優(yōu)化點(diǎn)標(biāo)記過(guò)程F，將其分割為m條邊界段L={L₁,L₂,…,L_m}，任意L_i由p_i¹,p_i²,…, p_iⁿⁱ點(diǎn)集構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)分割后邊界段標(biāo)號(hào)連續(xù)，且與真實(shí)建筑內(nèi)外邊線走向具有一致性，設(shè)計(jì)目標(biāo)能量?jī)?yōu)化函數(shù)如下：

(B)

其中，E_alignment=E_distance+E_direction

(C)

其中，,為點(diǎn)到潛在分割直線段的歐式距離，初始分割段標(biāo)號(hào)由RANSAC算法提供，E_distance懲罰點(diǎn)到所屬邊界直線段距離的不一致性，距離越遠(yuǎn)，懲罰越大；

(D)

其中為p_i^j的方向向量，N_Li為分割后邊界段L_i的法向量，為向量點(diǎn)乘符號(hào)，E_direction懲罰當(dāng)前點(diǎn)正切方向和分割后的邊界直線段方向向量的不一致性，若二者偏離越大，相應(yīng)懲罰也越大；

針對(duì)平滑項(xiàng)而言，由于建筑內(nèi)外邊界線提取算法已經(jīng)將建筑內(nèi)外邊界點(diǎn)連接為具有前后相接的邊界環(huán)，因此在進(jìn)一步分割建筑內(nèi)外邊界段時(shí)，對(duì)當(dāng)前點(diǎn)進(jìn)行平滑僅考慮其前后相連的兩結(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前點(diǎn)和前后兩結(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)不一致時(shí)，距離越近，對(duì)當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)號(hào)懲罰越大，優(yōu)化方程如下：

(E)

其中，F(p_i^j)為對(duì)點(diǎn)p_i^j實(shí)施的標(biāo)號(hào)過(guò)程，為示性函數(shù)。

如果僅僅利用E_alignment和E_smooth兩項(xiàng)分割建筑內(nèi)外邊界線，往往會(huì)產(chǎn)生過(guò)分割，為盡可能保證分割后建筑內(nèi)外邊界段與真實(shí)屋頂相一致，限制產(chǎn)生過(guò)多瑣碎的分割邊界段，在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(B)中增加保真項(xiàng)：

(F)

其中，|L_i|為邊界段中包含點(diǎn)的數(shù)量，Maximum|L_i|為邊界段集合L中最長(zhǎng)邊界段所含點(diǎn)數(shù)，E_fidelity懲罰較小尺寸邊界段，并將其與其余較大尺寸邊界段合并，以減少標(biāo)號(hào)的數(shù)目，由于保真項(xiàng)目的引入，雖然在一定程度上解決了過(guò)分割問(wèn)題，但是仍會(huì)出現(xiàn)較小尺寸的面片邊界被合并到物理空間不連續(xù)的其他邊界段中，即所謂的“欠分割”現(xiàn)象；

為解決由于E_fidelity帶來(lái)的“欠分割”效應(yīng)，針對(duì)標(biāo)號(hào)后的邊界段，構(gòu)建無(wú)向圖，然后在無(wú)向圖中聚類連續(xù)標(biāo)號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)邊界段的再標(biāo)號(hào)，此時(shí)得到的邊界段，為最終建筑內(nèi)外邊界線分割線段，為求解目標(biāo)函數(shù)（B）采用alpha-expansion算法，將求解公式（B）轉(zhuǎn)化為求解圖結(jié)構(gòu)中最大流最小割問(wèn)題，邊界點(diǎn)的初始標(biāo)號(hào)由RANSAC算法提供，ω_a，ω_s和ω_f的初始值設(shè)為相同值，且滿足ω_a+ω_s+ω_f=1。

所述步驟（3）構(gòu)建建筑線畫(huà)圖，具體包括以下步驟：

1）提取建筑內(nèi)外邊界線關(guān)鍵點(diǎn)；

2）線畫(huà)圖中建筑外邊界和內(nèi)部孔洞邊界線的組合；

3）局部區(qū)域屋頂邊界的對(duì)齊處理。

所述步驟1）提取建筑內(nèi)外邊界線關(guān)鍵點(diǎn)，提取建筑邊界關(guān)鍵點(diǎn)是為了簡(jiǎn)化和規(guī)則化建筑內(nèi)外邊界使得生成的建筑線畫(huà)圖具備 “輕量型”和“緊湊性”的特征，具體方法如下:

① 利用無(wú)向圖組織標(biāo)記后的邊界段，依據(jù)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，聚類得到具有點(diǎn)序拓?fù)涞倪吔缍渭希?/p>

② 通過(guò)最小二乘擬合每條邊界段，并得到相應(yīng)直線參數(shù)和擬合殘差，擬合殘差反應(yīng)了擬合直線的可靠程度，如果擬合殘差小于可靠度閾值，將當(dāng)前邊界段的起止點(diǎn)及其在擬合直線上的投影點(diǎn)存入查找表；如大于可靠度閾值，將當(dāng)前邊界段包含的所有點(diǎn)均存入查找表；所述查找表為包含原始點(diǎn)和投影點(diǎn)映射關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如果原始點(diǎn)未被投影，則二者保持一致。

本發(fā)明提取出的關(guān)鍵點(diǎn)是利用原始邊界點(diǎn)和/或投影點(diǎn)相結(jié)合的方式對(duì)建筑內(nèi)外邊界進(jìn)行混合表達(dá)，體現(xiàn)出了邊界表達(dá)的靈活性：一方面原始關(guān)鍵點(diǎn)能夠更加詳細(xì)地刻畫(huà)邊界細(xì)節(jié)；另一方面投影關(guān)鍵點(diǎn)則實(shí)現(xiàn)了利用可靠直線段來(lái)逼近面片邊界的簡(jiǎn)化表達(dá)，既減少了最終線畫(huà)圖的中頂點(diǎn)的數(shù)目，又同時(shí)保證了模型規(guī)則性的幾何外觀。

所述步驟2）線畫(huà)圖中建筑外邊界和內(nèi)部孔洞邊界線的組合：為滿足對(duì)矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)要求，建筑唯一的外邊界需要按照順序拓?fù)溥M(jìn)行組織，如果建筑存在多條潛在的孔洞內(nèi)邊界，需要對(duì)內(nèi)部孔洞邊界線按照逆序拓?fù)溥M(jìn)行組織，同時(shí)需要搜索出內(nèi)部孔洞邊界所依附的建筑外邊界，即對(duì)建筑外邊界而言其與內(nèi)邊界之間為一對(duì)多的關(guān)系，而針對(duì)每條內(nèi)邊界而言，其相對(duì)于建筑外邊界為一對(duì)一的關(guān)系。

所述步驟3）局部區(qū)域屋頂邊界的對(duì)齊處理：

由于建筑在局部區(qū)域表現(xiàn)出很強(qiáng)的格式塔布局，往往局部區(qū)域的多幢建筑在建筑朝向上具有一致性，因此針對(duì)單幢建筑應(yīng)該使得邊界忠實(shí)擬合邊界外，同時(shí)對(duì)于周圍的多幢建筑也應(yīng)該使得他們之間具有一致性；因此求取當(dāng)前建筑及其周邊建筑多幢建筑的主方向，如果當(dāng)前建筑的邊界與周邊多幢建筑的主方向具有一致性，需要將當(dāng)前建筑的主方向調(diào)整至周邊建筑的共同主方向，求解局部區(qū)域建筑群主方向，建筑群邊界在與本身朝向方向和與朝向相互正交的兩個(gè)方向上具有最小投影，建筑群的主要邊界決定了建筑朝向，因此通過(guò)對(duì)建筑群外邊界在兩個(gè)朝向方向上的投影做環(huán)路積分求得該方向d，目標(biāo)方程如下：

(G)

其中表示建筑外邊界多邊形的線段方向，F為建筑外邊界點(diǎn)集，|F|表示該集合中點(diǎn)的數(shù)目，表示主方向d的正交方向，為向量點(diǎn)乘符號(hào)。

對(duì)于目標(biāo)函數(shù)（G），采用Newton 法求解，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大約需要10次迭代便能達(dá)到π/360的精度要求。

本發(fā)明首先綜合alpha shapes和MST提取建筑輪廓線，在此基礎(chǔ)之上，采用最優(yōu)化方法進(jìn)一步分割建筑輪廓線，提取建筑關(guān)鍵點(diǎn)，繪制建筑線畫(huà)圖，此時(shí)線畫(huà)圖是由部分原始邊界點(diǎn)和投影關(guān)鍵點(diǎn)混合表達(dá)而成，一方面增強(qiáng)了構(gòu)建線畫(huà)圖的靈活性，另一方當(dāng)面可以保留復(fù)雜建筑輪廓邊界的細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)之上，本發(fā)明進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前建筑周邊建筑群的主方向，調(diào)整當(dāng)前建筑邊界的走向，使得局部建筑群之間的邊界走向也具有很強(qiáng)的一致性。

本發(fā)明利用當(dāng)前的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)ALS（Airborne Laser Scanning, ALS），從機(jī)載點(diǎn)云中快速、準(zhǔn)確、全自動(dòng)構(gòu)建建筑線畫(huà)圖，為建筑用地的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、更新提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)采用全自動(dòng)建筑DLG數(shù)據(jù)快速提取，避免人機(jī)交互帶來(lái)的建筑DLG成果的不確定性，能夠客觀評(píng)估成果的精度，另外由于當(dāng)前機(jī)載點(diǎn)云密度較大，其數(shù)據(jù)獲取不受環(huán)境和大氣等諸多因素影響，能夠避免由于影像判讀中帶來(lái)幾何精度的不確定性。