[发明专利]一种保持外观特征的复杂三维建筑物模型简化方法

说明书

本发明公开了一种保持外观特征的复杂三维建筑物模型简化方法，包括如下步骤：(1)基于广度优先搜索的网格分割，结合拓扑关系和颜色特征将模型表面网格划分为多个子网格；(2)综合几何和纹理的简化误差计算，对模型上的每一条边计算其简化误差，简化误差公式综合考虑网格分割信息以及几何误差和纹理误差；(3)考虑纹理不连续特征的半边折叠简化，每次从网格中选择误差最小的边进行半边折叠简化，简化后进行纹理坐标调整。完成上述步骤后，更新相邻边的简化误差，并继续进行半边折叠，直到简化率达到设定的阈值为止。本方法能够在几何和纹理两方面取得有效的平衡，使简化结果具有良好的简化质量和视觉效果。

技术领域

本发明涉及三维地理信息处理技术领域，主要用于三维城市场景中的建筑物模型数据简化。

背景技术

目前对三维建筑物模型简化的研究主要有以下几个方面：

(1)基于投影的简化方法

此类方法将三维建筑物模型投影到地表平面，再借用传统的二维制图综合技术进行要素简化，最后恢复成三维模型。Sester et al.对建筑物基底作参数化处理并构建能量函数，基于最小二乘法寻找最佳简化结果。Fan et al.在简化算法中加入建筑物基底与屋顶的相交测试，从而修正简化后的建筑物模型，保证了模型的完整性，但仍不足以处理结构复杂的建筑物模型。基于投影和简化方法经常用于对建筑群的简化，即将多个邻近的建筑物基底面多边形聚合简化为一个多边形，从而降低场景的数据量。Chang et al.利用单链聚类对建筑群进行分组，将组内的多个建筑物底面融合，能够保证道路、街区、地标建筑等城市主要特征的视觉显著性。Yang et al.等在Chang的基础上引入了格式塔准则，使生成的LOD(Levels of Detail，多细节层次)模型更符合人类认知习惯。Wang et al.提出了一种基于图割的方法来优化建筑物的聚类过程。潘文斌等将建筑物纹理引入三维建筑物模型的聚类过程中，通过使用SOM(Self-Organizing Maps，自组织映射)算法对纹理进行分类，根据分类结果分割邻接图，提高了建筑物聚类的准确性，但该方法只利用了屋顶纹理，未考虑侧面纹理信息。

(2)基于模型特征的简化方法

基于模型特征的简化方法通过识别并提取建筑物模型的几何或纹理特征，以保持模型特征为目标进行简化。一些研究主要考虑模型的几何特征，如Rau et al.定义了建筑物结构特征分辨率，对尺寸小于该分辨率的几何结构进行多面体合并和折叠等操作，并设置不同大小的分辨率以控制模型的简化程度。Li et al.将建筑物分为嵌入结构、组合结构和连接结构，利用顶点删除算法对各类结构分别进行简化，简化后再执行相应的拓扑调整。但对于结构更复杂的建筑物模型，该方法划分的结构类型稍显不足。Chen et al.定义了一种纹理误差测度，将其应用到顶点聚类算法中能更好地保持建筑物的纹理细节信息，该方法的缺点在于难以保持模型的局部拓扑结构。Zhang et al.提出FEdge结构用以构建建筑物模型聚类实例，并实现了建筑物模型在几何和纹理两方面的简化，但方法主要应用于形状规则的块状模型上，模型的纹理信息也比较简单。

(3)基于符号的简化方法

虚拟地理环境虽然强调真实感表达，但为了提高交互性能和渲染效率，有必要对复杂的三维建筑物模型进行符号化表达。构建建筑物LOD时，在低细节层次中用基本的几何要素如长方体、棱柱等以及其组合来表达模型是一种典型的符号化简化方法。Thiemann etal.基于自适应模板对建筑物模型进行简化，以模板与原始模型的距离和体积之差作为简化误差测度，利用最小二乘法求解与原始模型最为接近的模板。Kada预先将建筑物屋顶划分为多个单元并解析其结构特征，再从屋顶模板库中选择最佳匹配模板以替代原始结构。考虑到三维地图导航中用户重点关注道路信息和地标建筑，Glander et al.将不重要的背景建筑物用块状单元表示，只对地标性建筑物显示其精细模型。通过块状单元的不断合并使场景的抽象程度逐步提高，既降低了城市场景的复杂度，又能突出表达地标性建筑。该方法适合于建筑物密集的城市中心区域，在建筑物分布稀疏地区的表达效果较差。