基于結(jié)構(gòu)的城市三維建筑空間多層次語(yǔ)義建模中文摘要

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(shí)空大數(shù)據(jù)分析的深入和“智慧城市”概念的提出，語(yǔ)義信息的存儲(chǔ)管理和可視化表達(dá)顯得尤為重要。由于城市土地利用結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的幾何模型已無(wú)法滿(mǎn)足城市形態(tài)認(rèn)知和空間屬性數(shù)據(jù)精細(xì)管理的需要。如何構(gòu)建城市建筑空間的多層次語(yǔ)義模型，對(duì)建筑物內(nèi)部和建筑物之間的語(yǔ)義關(guān)系進(jìn)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(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型和語(yǔ)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(yǔ)義建模方法，通過(guò)對(duì)城市建筑物三維表面模型進(jìn)行多尺度結(jié)構(gòu)分析，自動(dòng)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(gè)城區(qū)的建筑空間多層次語(yǔ)義模型，以滿(mǎn)足城市規(guī)劃與管理的實(shí)際應(yīng)用需要。主要研究?jī)?nèi)容包括：建筑物內(nèi)部樓層空間的語(yǔ)義描述、城區(qū)建筑群空間的語(yǔ)義描述和多層次語(yǔ)義對(duì)象的組織管理。

隨著時(shí)空大數(shù)據(jù)分析的深入和“智慧城市”概念的提出，語(yǔ)義信息的存儲(chǔ)管理和可視化表達(dá)在現(xiàn)代城市治理過(guò)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(mǎn)足復(fù)雜城市空間形態(tài)認(rèn)知和精細(xì)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(yǔ)義建模方法。通過(guò)對(duì)建筑物三維表面模型進(jìn)行多尺度結(jié)構(gòu)分析，自動(dòng)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(gè)城區(qū)的建筑空間多層次語(yǔ)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(shí)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(lèi)功能部件的分布規(guī)律，對(duì)建筑物樓層空間進(jìn)行細(xì)致劃分和語(yǔ)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(duì)城區(qū)建筑群空間進(jìn)行合理分塊和語(yǔ)義描述。最后，依據(jù)樓層空間和建筑群空間的拓?fù)潢P(guān)系和屬性聯(lián)系，對(duì)建筑物模型進(jìn)行重構(gòu)和綜合，構(gòu)建城市建筑物空間的多層次語(yǔ)義模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討城市可視化治理理論模型，推動(dòng)城市空間語(yǔ)義模型的實(shí)踐應(yīng)用。 2100433B

基于過(guò)程的建模技術(shù)是當(dāng)前城市建模研究的新途徑之一，但是建筑語(yǔ)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(jiǎn)單，建模效果逼真度較差。因此，本項(xiàng)目將研究基于多尺度照片集的城市過(guò)程建模技術(shù)，利用照片集多尺度、多視點(diǎn)、多光照的特點(diǎn)，研究建筑規(guī)則自動(dòng)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(chǎng)景建模等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：建筑語(yǔ)義規(guī)則的表示方法，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建筑語(yǔ)義規(guī)則生成方法；研究基于多尺度室外場(chǎng)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(chǎng)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(lè)與游戲等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

基于多視角圖像的三維真實(shí)感建模多年來(lái)一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究課題。區(qū)別于傳統(tǒng)的基于局部特征點(diǎn)的點(diǎn)云重建和交互式勾勒表面輪廓的建模方法，我們從一個(gè)全新的角度，深入研究了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維場(chǎng)景建模技術(shù)。受概念設(shè)計(jì)階段的草圖表達(dá)的啟發(fā)，我們將物體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入基于圖像的三維建模，從特征表達(dá)和提取、拓?fù)浣Y(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(gè)方面，對(duì)基于圖像的真實(shí)感三維建模中涉及的各個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，獲得了一系列的研究成果。具體包括: 1）在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的表達(dá)和抽取方面，我們主要研究了人造場(chǎng)景中物體的點(diǎn)-線(xiàn)-面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表達(dá)方式，并提出了高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征提取算法，大大精簡(jiǎn)了大規(guī)模圖像集中的特征的存儲(chǔ)和計(jì)算。2）在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的恢復(fù)方面，我們結(jié)合線(xiàn)條周?chē)捅砻嫔系木植奎c(diǎn)特征來(lái)輔助線(xiàn)條特征的匹配和表面的鄰接關(guān)系抽取，充分利用了SIFT點(diǎn)特征對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的拓?fù)浣Y(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(dòng)的表面模型重建方法。主要結(jié)合圖像上的密集的特征點(diǎn)的對(duì)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(jìn)行平面延伸、補(bǔ)齊，以及全局修正，獲得了準(zhǔn)確的三維幾何模型。4）對(duì)于三維模型表面紋理的生成，針對(duì)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(duì)具有較強(qiáng)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(guò)馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從多樣本中選擇合適的圖像來(lái)源，獲得視覺(jué)連貫的、無(wú)縫的圖像拼接。我們從整個(gè)三維建模流程中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的的特征抽取、特征匹配、三維重建和紋理生成進(jìn)行研究，驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征表達(dá)在人造場(chǎng)景的三維重建的有效性，從建模的自動(dòng)程度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率及建模視覺(jué)效果上都優(yōu)于現(xiàn)有算法。

本課題圍繞基于過(guò)程的城市建筑三維建模技術(shù)開(kāi)展理論方法和關(guān)鍵技術(shù)研究工作，重點(diǎn)開(kāi)展了基于單張圖像的建筑物組件重復(fù)性檢測(cè)與幾何過(guò)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(chǎng)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(guò)程建模技術(shù)方面，研究了針對(duì)單張圖像建筑物重復(fù)性組件的檢測(cè)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(dòng)生成三維建筑組件、建筑規(guī)則及三維建筑模型。通過(guò)簡(jiǎn)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(biāo)定數(shù)碼相機(jī)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的恢復(fù)與分割、建筑物組件重復(fù)性檢測(cè)、建筑物前后層結(jié)構(gòu)自動(dòng)提取等技術(shù)，能夠全自動(dòng)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(guò)程建模技術(shù)的城市場(chǎng)景快速建模方面，通過(guò)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(gè)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(chǎng)景，研制了場(chǎng)景建模工具原型系統(tǒng)。 在本項(xiàng)目資助下，發(fā)表論文10篇（SCI檢索2篇、EI檢索4篇）、專(zhuān)利申請(qǐng)2項(xiàng)、專(zhuān)利授權(quán)2項(xiàng)，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(guó)際B類(lèi)、C類(lèi)期刊與會(huì)議上。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲2013年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，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(xiàng)目資助下完成畢業(yè)論文，2名博士基本完成論文。 2100433B