基于全向图与遥感图的建筑物三维重建关键技术研究

论文摘要

城市一般是当地政治、经济和文化的中心。构建数字城市,在民用方面可以为城市的可持续发展战略提供信息保障,有助于智能交通、城市管理及城市发展决策等;在军用方面,是构建城市虚拟战场环境的基础,有助于打赢未来城市战争。城市建筑物三维重建是构建数字城市的重要环节,在民用和军用领域均有广泛的应用价值。折反射全向图视野较大,水平方向能达到360度,一次成像可获取较大范围的场景。鉴于全向图的优势及现有重建方法的不足,本文提出了基于全向图与遥感图对城市建筑物进行重建的构想,并对其中的关键技术问题进行了研究。首先,参照一般三维重建的步骤,针对全向图与遥感图的特点,本文将重建过程划分为源图像获取、图像预处理、全向图与遥感图配准、建筑物高度提取、建筑物外部形状轮廓建模和纹理映射6个部分,据此得到了重建的框架和步骤。其次,本文研究了全向图与遥感图的配准问题,提出了两种配准方法。从全向图与遥感图的几何约束关系出发,本文首先找出并证明了描述这两种图像内水平直线之间角度关系的等角原理,然后以此为依据设计了第一种配准方法。该法提取建筑物水平轮廓线为特征,以直线对的旋转角相等为判据,搜索一个预估的点集,找出可行点,最后通过统计学特征从可行点中找出最满意解完成配准。除了等角原理,本文还找出并证明了描述全向图中点到光轴像点的距离与该点对应的实景空间中点到相机光轴的距离之间关系的全向距离性质。根据这一性质与等角原理,本文设计了第二种配准方法。该法通过等角原理决定的角度关系与全向距离性质中最短距离决定的垂直关系求解出全向图拍摄位置,最终完成配准。实验结果表明两种配准方法快速有效,相比而言,第一种方法更鲁棒,第二种方法更快速。最后,本文研究了建筑物高度提取问题。根据全向图成像光路原理,提出了基于光路跟踪的高度提取算法,算法将高度提取问题抽象为几何问题,通过计算几何图形的边长来达到求取建筑物高度的目的。实验结果表明该方法快速有效。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 问题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 本文结构
• 第二章 基于全向图与遥感图建筑物三维重建步骤
• 2.1 概述
• 2.2 源图像获取
• 2.2.1 折反射全向图
• 2.2.2 遥感图
• 2.3 图像预处理
• 2.4 配准
• 2.5 高度提取
• 2.6 形状建模
• 2.7 纹理映射
• 2.8 本章小结
• 第三章 折反射全向图与遥感图配准
• 3.1 概述
• 3.2 等角原理
• 3.3 等角搜索配准法
• 3.3.1 基本思想
• 3.3.2 特征提取
• 3.3.3 配准算法步骤
• 3.4 主点配准法
• 3.4.1 全向距离性质
• 3.4.2 基本思想
• 3.4.3 特征提取
• 3.4.4 配准算法步骤
• 3.5 本章小结
• 第四章 建筑物高度提取
• 4.1 概述
• 4.2 原理
• 4.3 算法步骤
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验与结果分析
• 5.1 概述
• 5.2 实验一
• 5.2.1 等角搜索配准法
• 5.2.2 主点配准法
• 5.2.3 高度提取
• 5.3 实验二
• 5.3.1 等角搜索配准法
• 5.3.2 主点配准法
• 5.3.3 高度提取
• 5.4 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果