[发明专利]一种基于水平集的LOD2建筑物模型构建方法

权利要求书

1.一种基于水平集的LOD2建筑物模型构建方法，其特征在于：该方法的具体过程为：

步骤1、提取待构建模型的建筑物轮廓作为该建筑物轮廓掩膜Ω_m，同时根据相对应的建筑物区域的地理坐标选取DSM数据，通过自动配准或人工配准的方式，将建筑物轮廓掩膜Ω_m和DSM数据配入到统一的坐标系下；

步骤2、根据步骤1选取的建筑物轮廓掩膜Ω_m和DSM数据获取建筑物顶面数据T；

步骤3、根据步骤2获得的建筑物顶面数据T获取建筑物顶面数据T的特征空间；步骤4、根据步骤3获取的特征空间将建筑物区域进行多相水平集分割，获取子区域；

步骤5、根据多相水平集的定义分别提取步骤4获得的每个子区域的点集，然后检测建筑物每个片元的边界点，获取建筑物每个基元的角点的图像坐标；

步骤6、根据步骤5获得的建筑物角点的图像坐标，与步骤1中选取的DSM数据中的地理坐标相对应，建立建筑物顶面数据T的拓扑结构；

步骤7、根据步骤6获取的建筑物顶面数据T的拓扑结构，同时根据相应的建筑物区域的航拍可见光图像提取建筑物表面的纹理数据，与建筑物的不同基元相对应，完成LOD2建筑物模型的构建。

2.根据权利要求1所述的一种基于水平集的LOD2建筑物模型构建方法，其特征在于：所述步骤2中获取建筑物顶面数据T的方法为：用建筑物轮廓掩膜Ω_m与配准后的DSM数据进行对应点相乘，然后用获得的结果去除建筑物轮廓外点集，获得建筑物的顶面数据T。

3.根据权利要求1所述的一种基于水平集的LOD2建筑物模型构建方法，其特征在于：所述步骤3中获取建筑物顶面数据T的特征空间的具体过程为：对建筑物顶面数据T应用Delaunay三角形剖分算法计算每一个三角形的法向量，然后对所有法向量进行归一化处理，将建筑物顶面数据T中的每一个点p_i的法向量N_i用共用点p_i的相邻三角形的法向量的平均值来表示，结果作为建筑物顶面数据T的特征空间。

4.根据权利要求1所述的一种基于水平集的LOD2建筑物模型构建方法，其特征在于：所述步骤4中将建筑物区域进行多相水平集分割的具体过程为：

步骤4-1、在待分割数据I的定义域Ω内，以两条等间距、等半径的圆圈为初始曲线C₁和C₂，把定义域Ω划分为四个区域，分别将曲线C₁和C₂转化成水平集方程φ₁和φ₂的形式，令X表示任意点(x，y)，用符号距离函数表示一个点X的水平集方程φ₁(X)和φ₂(X)为：

其中，D(X，C₁)表示点X与曲线C₁之间的Euclidean距离，

其中，D(X，C₂)表示点X与曲线C₂之间的Euclidean距离；

步骤4-2、分别计算两个水平集方程φ₁(X)和φ₂(X)曲线的长度分量和面积分量，长度分量分别为：

length(C₁)＝∫_Ω|▽H(φ₁(X))|dX＝∫_Ωδ(φ₁(X))|▽φ₁(X)|dX

length(C₂)＝∫_Ω|▽H(φ₂(X))|dX＝∫_Ωδ(φ₂(X))|▽φ₂(X)|dX

面积分量分别为：

area(inside(C₁))＝∫_ΩH(φ₁(X))dX

area(inside(C₂))＝∫_ΩH(φ₂(X))dX

其中，δ(φ)=0,|φ|>ϵ12ϵ(1+cos(πφϵ)),|φ|<ϵ,]]>H(φ)=1,φ>ϵ0,φ<-ϵ12(1+φϵ+1πsin(πφϵ)),|φ|<ϵ,]]>

φ为φ₁或φ₂；

步骤4-3、在多相水平集框架中引入局部化区域函数B(X，Y)，设置局部化区域函数B(X，Y)的半径参数r，以局部化区域参数B(X，Y)为局部区域掩膜，计算以X为中心、r为半径的圆圈内的特征空间的平均值：

c++=∫ΩYB(X,Y)·H(φ1)·H(φ2)·I(Y)dY∫ΩYB(X,Y)·H(φ1)·H(φ2)dY]]>

c+-=∫ΩYB(X,Y)·H(φ1)·(1-H(φ2))·I(Y)dY∫ΩYB(X,Y)·H(φ1)·(1-H(φ2))dY]]>

c-+=∫ΩYB(X,Y)·(1-H(φ1))·H(φ2)·I(Y)dY∫ΩYB(X,Y)·(1-H(φ1))·H(φ2)dY]]>

c--=∫ΩYB(X,Y)·(1-H(φ1))·(1-H(φ2))·I(Y)dY∫ΩYB(X,Y)·(1-H(φ1))·(1-H(φ2))dY]]>

I(Y)表示待分割数据；

步骤4-4、设置权重因子μ₁，μ₂，ν₁，ν₂，λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，定义多相水平集能量泛函：

E_total＝μ₁·E₁+μ₂·E₂+ν₁·E₃+ν₂·E₄+λ₁·E₅+λ₂·E₆+λ₃·E₇+λ₄·E₈；

步骤4-5、以局部化区域函数B(X，Y)为局部区域掩膜，计算以X为中心、r为半径的圆圈内的能量分量，

水平集方程φ₁的能量泛函表示为：

Etotal(φ1)=∫ΩXδ(φ1)∫ΩYB(X,Y)[λ1||u-c++||2H(φ1)H(φ2)+λ2||u-c+-||2H(φ1)(1-H(φ2))]]>

+λ3||u-c-+||2(1-H(φ1))H(φ2)+λ4||u-c--||2(1-H(φ1))(1-H(φ2))]dYdX]]>

+μ1·length(C1)+μ2·length(C2)+ν1·area(inside(C1))+ν2·area(inside(C2))]]>

水平集方程φ₂的能量泛函表示为：

Etotal(φ2)=∫ΩXδ(φ2)∫ΩYB(X,Y)[λ1||u-c++||2H(φ1)H(φ2)+λ2||u-c+-||2H(φ1)(1-H(φ2))]]>

+λ3||u-c-+||2(1-H(φ1))H(φ2)+λ4||u-c--||2(1-H(φ1))(1-H(φ2))]dYdX]]>

+μ1·length(C1)+μ2·length(C2)+ν1·area(inside(C1))+ν2·area(inside(C2));]]>

步骤4-6、根据梯度下降法，分别计算步骤4-5获得的能量泛函E_total(φ₁)和E_total(φ₂)的演化方程：

∂φ1∂t=δ(φ1){μ1·div(▿φ1|▿φ|)-ν1+∫ΩYB(X,Y)δ(φ1)[(λ3||u-c-+||2-λ1||u-c++||2)H(φ2)]]>

-(λ2||u-c+-||2-λ4||u-c--||2)(1-H(φ2))]dY}]]>

∂φ2∂t=δ(φ2){μ2·div(▿φ2|▿φ2|)-ν2+∫ΩYB(X,Y)δ(φ2)[(λ2||u-c+-||2-λ1||u-c++||2)H(φ1)]]>

-(λ3||u-c-+||2-λ4||u-c--||2)(1-H(φ1))]dY}]]>

步骤4-7、判断能量泛函是否达到了最小值，如果是则完成将待分割区域进行多相水平集分割的过程，将待分割区域分割成四个子区域，如果否，则返回步骤4-2，迭代更新水平集方程φ₁和φ₂。