基于結(jié)構(gòu)的城市三維建筑空間多層次語義建模

隨著時空大數(shù)據(jù)分析的深入和“智慧城市”概念的提出，語義信息的存儲管理和可視化表達在現(xiàn)代城市治理過程中顯得尤為重要。建筑物是城市環(huán)境中最主要的地物要素之一。為了滿足復(fù)雜城市空間形態(tài)認知和精細化管理的需要，本課題研究基于結(jié)構(gòu)的城市三維建筑空間多層次語義建模方法。通過對建筑物三維表面模型進行多尺度結(jié)構(gòu)分析，自動構(gòu)建從建筑物內(nèi)部樓層到單體建筑，再到建筑群，最終到整個城區(qū)的建筑空間多層次語義模型。微觀層面，在三維建筑物模型組成結(jié)構(gòu)和表面功能部件識別的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)單元的連接關(guān)系和各類功能部件的分布規(guī)律，對建筑物樓層空間進行細致劃分和語義描述。宏觀層面，考慮不同區(qū)域的景觀形態(tài)變化，基于建筑物的高度、面積、座落方向和形狀復(fù)雜度參數(shù)，對城區(qū)建筑群空間進行合理分塊和語義描述。最后，依據(jù)樓層空間和建筑群空間的拓撲關(guān)系和屬性聯(lián)系，對建筑物模型進行重構(gòu)和綜合，構(gòu)建城市建筑物空間的多層次語義模型，并在此基礎(chǔ)上進一步探討城市可視化治理理論模型，推動城市空間語義模型的實踐應(yīng)用。 2100433B

數(shù)據(jù)模型是地理信息系統(tǒng)所有功能應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著時空大數(shù)據(jù)分析的深入和“智慧城市”概念的提出，語義信息的存儲管理和可視化表達顯得尤為重要。由于城市土地利用結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的幾何模型已無法滿足城市形態(tài)認知和空間屬性數(shù)據(jù)精細管理的需要。如何構(gòu)建城市建筑空間的多層次語義模型，對建筑物內(nèi)部和建筑物之間的語義關(guān)系進行有效描述，成為地理信息科學(xué)、城市管理和城市規(guī)劃領(lǐng)域所共同面臨的難題。針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型和語義建模方法的不足，本課題提出研究一種基于結(jié)構(gòu)的城市三維建筑空間多層次語義建模方法，通過對城市建筑物三維表面模型進行多尺度結(jié)構(gòu)分析，自動構(gòu)建從建筑物內(nèi)部樓層到單體建筑，再到建筑群，最終到整個城區(qū)的建筑空間多層次語義模型，以滿足城市規(guī)劃與管理的實際應(yīng)用需要。主要研究內(nèi)容包括：建筑物內(nèi)部樓層空間的語義描述、城區(qū)建筑群空間的語義描述和多層次語義對象的組織管理。

基于過程的建模技術(shù)是當前城市建模研究的新途徑之一，但是建筑語義規(guī)則大多由人工創(chuàng)建或由單幅圖像交互生成，建筑組件簡單，建模效果逼真度較差。因此，本項目將研究基于多尺度照片集的城市過程建模技術(shù)，利用照片集多尺度、多視點、多光照的特點，研究建筑規(guī)則自動生成，建筑組件逼真建模，結(jié)合GIS和衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的城市道路及場景建模等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：建筑語義規(guī)則的表示方法，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑語義規(guī)則生成方法；研究基于多尺度室外場景圖像重構(gòu)建筑組件幾何和反射屬性的建模方法；研究基于GIS數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖像的城市場景快速構(gòu)建方法。研究成果在智慧城市構(gòu)建、文化遺產(chǎn)數(shù)字化，數(shù)字娛樂與游戲等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

基于多視角圖像的三維真實感建模多年來一直是計算機視覺和計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的一個重要的研究課題。區(qū)別于傳統(tǒng)的基于局部特征點的點云重建和交互式勾勒表面輪廓的建模方法，我們從一個全新的角度，深入研究了基于拓撲結(jié)構(gòu)的三維場景建模技術(shù)。受概念設(shè)計階段的草圖表達的啟發(fā)，我們將物體的拓撲結(jié)構(gòu)引入基于圖像的三維建模，從特征表達和提取、拓撲結(jié)構(gòu)的恢復(fù)、表面模型的重建、以及表面紋理的生成四個方面，對基于圖像的真實感三維建模中涉及的各個問題進行了研究，獲得了一系列的研究成果。具體包括: 1）在拓撲結(jié)構(gòu)特征的表達和抽取方面，我們主要研究了人造場景中物體的點-線-面的拓撲結(jié)構(gòu)表達方式，并提出了高效的拓撲結(jié)構(gòu)特征提取算法，大大精簡了大規(guī)模圖像集中的特征的存儲和計算。2）在拓撲結(jié)構(gòu)的恢復(fù)方面，我們結(jié)合線條周圍和表面上的局部點特征來輔助線條特征的匹配和表面的鄰接關(guān)系抽取，充分利用了SIFT點特征對于尺度、光照、視角等變化的魯棒性，在差異性較大的圖像集合中獲得空間一致的整體拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了自動的拓撲結(jié)構(gòu)恢復(fù)。3）在表面模型的三維重建上，我們提出了一種全自動的表面模型重建方法。主要結(jié)合圖像上的密集的特征點的對應(yīng)和重建結(jié)果，以及圖像各平面區(qū)域的外觀信息，根據(jù)平面基元間的鄰接、遮擋等幾何關(guān)系進行平面延伸、補齊，以及全局修正，獲得了準確的三維幾何模型。4）對于三維模型表面紋理的生成，針對圖像集合中各圖像差異性較大、尤其是有大面積前景遮擋的情況，我們提出了一種保持幾何一致性的圖像拼接算法，針對具有較強幾何特征和紋理不夠豐富的兩種圖像區(qū)域，自適應(yīng)地生成樣本圖像集合，最后通過馬爾科夫隨機場的優(yōu)化，實現(xiàn)從多樣本中選擇合適的圖像來源，獲得視覺連貫的、無縫的圖像拼接。我們從整個三維建模流程中各個環(huán)節(jié)對基于拓撲結(jié)構(gòu)的的特征抽取、特征匹配、三維重建和紋理生成進行研究，驗證了所提拓撲結(jié)構(gòu)特征表達在人造場景的三維重建的有效性，從建模的自動程度、數(shù)據(jù)存儲效率及建模視覺效果上都優(yōu)于現(xiàn)有算法。

本課題圍繞基于過程的城市建筑三維建模技術(shù)開展理論方法和關(guān)鍵技術(shù)研究工作，重點開展了基于單張圖像的建筑物組件重復(fù)性檢測與幾何過程建模技術(shù)，基于圖像集的建筑建模、組件幾何和反射屬性建模技術(shù)，基于GIS數(shù)據(jù)的城市虛擬場景快速建模技術(shù)與工具等研究工作。 在基于單張圖像的建筑物過程建模技術(shù)方面，研究了針對單張圖像建筑物重復(fù)性組件的檢測算法、建筑規(guī)則和組件生成算法。從分割的單張圖像中自動生成三維建筑組件、建筑規(guī)則及三維建筑模型。通過簡單的人工交互可以生成風(fēng)格相同、形狀可變的三維建筑模型。在基于圖像集的建筑建模技術(shù)方面，以未標定數(shù)碼相機拍攝的建筑物多幅照片為輸入，提出了一系列算法，研究了建筑物三維點云數(shù)據(jù)的恢復(fù)與分割、建筑物組件重復(fù)性檢測、建筑物前后層結(jié)構(gòu)自動提取等技術(shù)，能夠全自動的重構(gòu)出逼真度較高的建筑物三維模型。在基于圖像集的建筑物組件幾何和反射屬性建模技術(shù)方面，研究了基于本征圖像分解的建筑物組件材質(zhì)反射屬性建模技術(shù)、基于徑向基函數(shù)的逐像素組件深度插值算法，從而構(gòu)建出可重光照的建筑物組件模型。在基于GIS數(shù)據(jù)和過程建模技術(shù)的城市場景快速建模方面，通過解析地理信息數(shù)據(jù)，提取地圖數(shù)據(jù)中的建筑位置和朝向信息，結(jié)合本課題已研究的單個建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部區(qū)域的三維場景，研制了場景建模工具原型系統(tǒng)。 在本項目資助下，發(fā)表論文10篇（SCI檢索2篇、EI檢索4篇）、專利申請2項、專利授權(quán)2項，其中8篇文章發(fā)表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推薦國際B類、C類期刊與會議上。項目負責(zé)人獲2013年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項，排名第7（總發(fā)明人數(shù)為9），并晉升副教授。3名碩士在本項目資助下完成畢業(yè)論文，2名博士基本完成論文。 2100433B