本發(fā)明涉及建筑特征分析，具體涉及一種基于無(wú)人機(jī)傾斜三維模型的建筑物特征線提取方法。

背景技術(shù)：

1、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際攝影測(cè)量領(lǐng)域快速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的多鏡頭相機(jī)，從垂直和四個(gè)傾斜的五個(gè)不同視角同步采集影像，從而獲取建筑物頂面及側(cè)面的高分辨率紋理，這種多角度、高分辨率的影像數(shù)據(jù)為建筑物特征線的提取提供了豐富的信息基礎(chǔ)。

2、建筑物通常具有復(fù)雜的幾何形狀和紋理特征，尤其當(dāng)建筑物存在自相交、相互遮擋的復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系時(shí)，會(huì)影響三維模型的精度，進(jìn)而對(duì)特征線的提取造成較大干擾，因此，如何對(duì)提取的特征線進(jìn)行優(yōu)化，以提高建筑物特征線的提取精度，是我們要解決的問(wèn)題，為此，現(xiàn)提出一種基于無(wú)人機(jī)傾斜三維模型的建筑物特征線提取方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于無(wú)人機(jī)傾斜三維模型的建筑物特征線提取方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于無(wú)人機(jī)傾斜三維模型的建筑物特征線提取方法，包括以下步驟：

4、步驟一、使用搭載傾斜攝影系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，從多個(gè)角度對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，獲取建筑物的多張相片數(shù)據(jù)；

5、步驟二、對(duì)采集到的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并導(dǎo)入三維建模軟件中，構(gòu)建建筑物的傾斜三維模型；

6、步驟三、將構(gòu)建好的傾斜三維模型轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)，明確點(diǎn)云數(shù)據(jù)的類(lèi)別；

7、步驟四、在點(diǎn)云數(shù)據(jù)類(lèi)別分析的基礎(chǔ)上，利用點(diǎn)云處理算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出建筑物的特征線，并計(jì)算特征線匹配指數(shù)，以評(píng)估特征線的匹配程度；

8、步驟五、根據(jù)提取的建筑物特征線，利用三維建模軟件重新構(gòu)建三維模型；

9、步驟六、利用紋理映射算法，采集紋理信息映射到新的建筑三維模型上，并對(duì)映射后的三維模型進(jìn)行效果優(yōu)化處理。

10、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟一中，建筑物相片數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程為：

11、實(shí)地考察建筑物的位置和范圍，明確需拍攝建筑物的位置和范圍，并根據(jù)拍攝需求，制定詳細(xì)的拍攝計(jì)劃，其中，根據(jù)拍攝范圍、建筑物高度，選擇無(wú)人機(jī)平臺(tái)，并在其上搭載具備高分辨率、廣角鏡頭及穩(wěn)定拍攝功能的傾斜攝影相機(jī)，確保無(wú)人機(jī)和相機(jī)性能良好，滿(mǎn)足拍攝要求；

12、使用飛行控制軟件，根據(jù)拍攝范圍、建筑物高度及無(wú)人機(jī)性能，規(guī)劃無(wú)人機(jī)的飛行路徑，確保航線覆蓋整個(gè)拍攝區(qū)域，并設(shè)置飛行高度、速度、相機(jī)角度參數(shù)，確保拍攝質(zhì)量，根據(jù)無(wú)人機(jī)的續(xù)航里程和拍攝需求，規(guī)劃航線數(shù)量和長(zhǎng)度，確保拍攝任務(wù)能夠順利完成；

13、在拍攝區(qū)域預(yù)設(shè)地面控制點(diǎn)，對(duì)地面控制點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記并記錄其位置信息，以便后期進(jìn)行圖像校正和三維重建，地面控制點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)均勻分布，且數(shù)量足夠，并進(jìn)行航前檢查；

14、按照規(guī)劃好的航線執(zhí)行飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)按計(jì)劃的飛行路徑進(jìn)行拍攝，同時(shí)使得相鄰影像有充足的重疊度，航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于30%，以保證后期圖像拼接和三維重建的質(zhì)量，傾斜攝影相機(jī)從多個(gè)角度（20~30度）對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，獲取建筑物的多張相片數(shù)據(jù)。

15、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟二中，建筑物傾斜三維模型的構(gòu)建過(guò)程為：

16、將存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)中的建筑物相片下載至計(jì)算機(jī)，對(duì)建筑物相片數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除質(zhì)量不合格的建筑物相片，包括如重疊、模糊、曝光過(guò)度或不足、以及包含明顯缺陷（如鏡頭污點(diǎn)、劃痕等）的相片；

17、對(duì)篩選后的建筑物相片數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，其中，預(yù)處理操作包括去除冗余與噪聲以及圖像配準(zhǔn)與校正步驟；

18、將預(yù)處理后的相片數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件pix4d中，確保數(shù)據(jù)格式與軟件兼容，并在軟件中執(zhí)行初步的三維建模處理，包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云分類(lèi)步驟，利用pix4d中的算法，將多張建筑物相片中的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，生成初步的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲點(diǎn)，保留有效的建筑物和地形點(diǎn)，進(jìn)而將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為不同的類(lèi)別，如建筑物、地面、植被等，以便后續(xù)處理；

19、利用傾斜攝影數(shù)據(jù)生成包含建筑物、植被地表物體的三維表面模型，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取地面點(diǎn)，生成僅包含地面的三維表面模型，反映地面的真實(shí)形態(tài)，并從分類(lèi)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取建筑物的輪廓和特征點(diǎn)，進(jìn)而使用pix4d中的算法生成建筑物的傾斜三維模型。

20、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟三中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)類(lèi)別的分析過(guò)程為：

21、使用三維建模軟件pix4d進(jìn)行模型到點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換，將傾斜攝影測(cè)量生成的建筑物傾斜三維模型導(dǎo)出為點(diǎn)云格式，以便后續(xù)的分析和處理；

22、使用點(diǎn)云處理軟件pcl加載導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、填補(bǔ)空洞、平滑處理的步驟，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析的準(zhǔn)確性，其中，使用點(diǎn)云處理軟件pcl中的濾波算法（統(tǒng)計(jì)濾波、體素濾波等）去除噪聲點(diǎn)，對(duì)于點(diǎn)云中的空洞區(qū)域，使用表面重建算法進(jìn)行填補(bǔ)，應(yīng)用移動(dòng)最小值濾波的平滑算法減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的局部尖銳變化，提高數(shù)據(jù)的連續(xù)性和平滑度；

23、利用點(diǎn)云處理軟件pcl中歐幾里得聚類(lèi)分割的分類(lèi)算法將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為不同的類(lèi)別，包括建筑物、地面、植被。

24、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟四中，特征線匹配程度的評(píng)估過(guò)程為：

25、基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的類(lèi)別分析結(jié)果，識(shí)別出屬于建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，利用基于曲率的特征點(diǎn)提取算法識(shí)別建筑物的關(guān)鍵特征點(diǎn)，關(guān)鍵特征點(diǎn)包括建筑物的邊緣點(diǎn)、角點(diǎn)，邊緣點(diǎn)通常位于建筑物輪廓上，而角點(diǎn)則是建筑物輪廓上變化最劇烈的點(diǎn)；

26、在提取到特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)連接相鄰的特征點(diǎn)生成建筑物的特征線，并應(yīng)用線性插值技術(shù)使特征線平滑和連續(xù)；

27、對(duì)生成的特征線進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)比較線段之間的長(zhǎng)度、方向、位置關(guān)系，檢查生成的特征線，去除冗余、重復(fù)或錯(cuò)誤的線段，并根據(jù)建筑物的實(shí)際輪廓，調(diào)整特征線的形狀和位置，使特征線準(zhǔn)確地反映建筑物的輪廓；

28、基于cad模型獲取建筑物輪廓線，作為參考特征線，計(jì)算每個(gè)特征點(diǎn)到參考特征線上最近點(diǎn)的距離，并比較優(yōu)化后的特征線與參考特征線之間的偏差；

29、基于偏差的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算特征線匹配指數(shù)m，評(píng)估特征線的匹配程度，若特征線匹配指數(shù)較低，表示偏差較小，則特征線的匹配程度較高；反之，若匹配指數(shù)較高，表示偏差較大，則特征線的匹配程度較低；

30、結(jié)合特征線匹配指數(shù)m預(yù)設(shè)特征線的區(qū)分閾值，當(dāng)且接近1時(shí)，表示特征線的匹配程度高，意味著特征點(diǎn)到參考特征線的距離偏差小，特征線與參考特征線非常接近或重合，直接接受特征線作為有效的匹配結(jié)果，用于后續(xù)的分析和應(yīng)用，當(dāng)且趨近0時(shí)，表示特征線的匹配程度低，意味著特征點(diǎn)到參考特征線的距離偏差大，特征線與參考特征線存在較大偏差，對(duì)于匹配程度低的特征線，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，處理方法包括：重新調(diào)整特征點(diǎn)的位置或重新提取特征點(diǎn)、使用優(yōu)化算法（如遺傳算法、模擬退火等）對(duì)特征線進(jìn)行微調(diào)，以減少偏差、剔除偏差過(guò)大的特征線，避免其對(duì)整體匹配結(jié)果的影響。

31、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述特征線匹配指數(shù)的計(jì)算過(guò)程為：

32、計(jì)算所有特征點(diǎn)到參考特征線距離的平均值，得到特征點(diǎn)的基準(zhǔn)值；

33、基于特征點(diǎn)的基準(zhǔn)值和第i個(gè)特征點(diǎn)到參考特征線的最近點(diǎn)的距離，計(jì)算所有特征點(diǎn)到參考特征線距離的均方根偏差，進(jìn)而將均方根偏差標(biāo)準(zhǔn)化，使其與最大和最小距離的范圍相關(guān)聯(lián)，得到標(biāo)準(zhǔn)化均方根偏差項(xiàng)；

34、結(jié)合第i個(gè)特征點(diǎn)到參考特征線的最近點(diǎn)的距離、特征點(diǎn)的基準(zhǔn)值、所有特征點(diǎn)到參考特征線距離的最大值和最小值，計(jì)算指數(shù)懲罰項(xiàng)，以懲罰與參考特征線偏差最大的特征點(diǎn)；

35、結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的均方根偏差和指數(shù)懲罰項(xiàng)，計(jì)算特征線匹配指數(shù)m。

36、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述特征線匹配指數(shù)的計(jì)算公式為：

37、；

38、;

39、；

40、；

41、其中，m是特征線匹配指數(shù)，是標(biāo)準(zhǔn)化均方根偏差項(xiàng)，是指數(shù)懲罰項(xiàng)，n是特征點(diǎn)的總數(shù)，是第i個(gè)特征點(diǎn)到參考特征線的最近點(diǎn)的距離，是所有特征點(diǎn)到參考特征線距離的平均值，作為特征點(diǎn)的基準(zhǔn)值，是所有特征點(diǎn)到參考特征線距離的最大值，為遍歷所有特征點(diǎn)的距離而獲得的最大值，，是所有特征點(diǎn)到參考特征線距離的最小值，為遍歷所有特征點(diǎn)的距離而獲得的最小值，，m的取值范圍在0至1之間，當(dāng)所有特征點(diǎn)到參考特征線的距離都很接近時(shí)（即偏差?。?，m接近1，表示特征線的匹配程度高，當(dāng)存在較大偏差時(shí)，m接近0，表示特征線的匹配程度低。

42、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟五中，重新構(gòu)建三維模型的過(guò)程為：

43、將提取的建筑物特征線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維建模軟件中，并根據(jù)特征線數(shù)據(jù)，在三維建模軟件中創(chuàng)建與建筑物形狀相似的基本幾何體，如立方體、圓柱體或nurbs曲線等，作為構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)，確?；編缀误w的尺寸和位置與特征線數(shù)據(jù)相匹配；

44、通過(guò)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放操作，將基本幾何體放置在正確的位置，并設(shè)置基本幾何體的比例和尺寸，使其與實(shí)際建筑物相匹配，以模擬建筑物的初步形狀；

45、使用三維建模軟件的編輯工具（推拉、偏移、修剪等）調(diào)整基本幾何體的形狀和尺寸，根據(jù)特征線數(shù)據(jù)，逐步調(diào)整基本幾何體的各個(gè)部分，使其與建筑物的實(shí)際形狀相匹配；

46、使用三維建模軟件的布爾運(yùn)算工具將調(diào)整后的基本幾何體連接起來(lái)，形成完整的建筑三維模型。

47、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟六中，優(yōu)化處理映射后三維模型效果的過(guò)程為：

48、基于獲取的多張建筑物相片數(shù)據(jù)，提取高質(zhì)量的建筑物紋理圖像，確保采集的紋理圖像清晰、完整，能夠準(zhǔn)確反映建筑物的表面細(xì)節(jié)，對(duì)采集的紋理圖像進(jìn)行裁剪、調(diào)整大小和分辨率預(yù)處理操作，以適應(yīng)三維模型的紋理映射需求，并使用圖像編輯軟件（photoshop）對(duì)紋理圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)對(duì)比度處理，提高紋理的質(zhì)量；

49、在三維建模軟件中，將新的建筑三維模型的表面劃分為多個(gè)區(qū)域，并為每個(gè)區(qū)域分配相應(yīng)的紋理坐標(biāo)，對(duì)建筑三維模型進(jìn)行紋理展開(kāi)操作，建立三維模型與紋理空間的坐標(biāo)映射關(guān)系；

50、使用紋理映射算法（uv映射），將預(yù)處理后的紋理圖像映射到三維模型的相應(yīng)表面上，在映射過(guò)程中，確保紋理圖像與三維模型的表面形狀和細(xì)節(jié)相匹配，避免出現(xiàn)拉伸、扭曲或錯(cuò)位等問(wèn)題；

51、根據(jù)映射后的效果，利用三維建模軟件中的紋理編輯工具對(duì)紋理圖像進(jìn)行整亮度、對(duì)比度、飽和度的調(diào)整操作，使其與模型整體效果協(xié)調(diào)，并應(yīng)用多重紋理映射技術(shù)對(duì)三維模型的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理，如添加細(xì)節(jié)紋理、調(diào)整紋理的重復(fù)模式等，以增強(qiáng)模型的真實(shí)感和細(xì)節(jié)表現(xiàn)；

52、使用三維渲染引擎（cycles?for?blender）對(duì)映射后的三維模型進(jìn)行渲染，檢查紋理的映射效果和質(zhì)量，并根據(jù)渲染結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理，調(diào)整光照、陰影、反射效果以提高模型的視覺(jué)效果和真實(shí)感；

53、對(duì)映射后的三維模型進(jìn)行全面檢查，確保紋理的映射效果準(zhǔn)確、完整且符合預(yù)期，檢查紋理是否出現(xiàn)拉伸、扭曲、錯(cuò)位問(wèn)題，以及紋理與三維模型表面是否緊密貼合，并使用三維建模軟件的驗(yàn)證工具對(duì)模型進(jìn)行完整性檢查，確保模型中沒(méi)有缺失、重疊或錯(cuò)誤的幾何體，驗(yàn)證模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、紋理映射方面是否正確無(wú)誤。

54、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，取得的技術(shù)進(jìn)步是：

55、本發(fā)明提供一種基于無(wú)人機(jī)傾斜三維模型的建筑物特征線提取方法，通過(guò)從不同角度對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，能夠獲取建筑物的多視角影像數(shù)據(jù)，結(jié)合三維建模技術(shù)，可構(gòu)建出建筑物的傾斜三維模型，在此基礎(chǔ)上，利用特征線提取算法，能夠提取出建筑物的特征線，相較于傳統(tǒng)的手工測(cè)量或二維影像提取，不僅大大提高了特征提取的精度，還顯著提升了工作效率，能夠捕捉到建筑物的更多細(xì)節(jié)，使得特征線提取更加準(zhǔn)確。

56、本發(fā)明提供一種基于無(wú)人機(jī)傾斜三維模型的建筑物特征線提取方法，通過(guò)提取的建筑物特征線，進(jìn)一步豐富和完善了建筑物的三維模型，提取的特征線可以作為模型構(gòu)建的重要參考，幫助細(xì)化模型的幾何形狀和紋理信息，使得最終生成的三維模型更加逼真，能夠更真實(shí)地反映建筑物的實(shí)際形態(tài)和結(jié)構(gòu)。