据世界银行测算,一个规模为百万人口的城市的数字建设,可促进经济水平翻两番,实现“四倍跃进”!由此可见实现数码城市不仅是转变经济增长方式的有效途径,而且能促进政治、经济、文化、教育、科技、军事等各个方面又好又快发展。本研究对象就是数字城市中的街道建筑立面。街道建筑物立面是街道景观的重要组成部分,街道立面的三维可视化对于三维城市建模而言具有重大意义。
本文的三维城市建模是基于地基3S技术的,即采用车载(轮椅)和手持拍摄获取建筑物立面影像信息。目前三维城市建模大都采用3DMax进行手工建模,显然劳动强度大、效率低、自动化程度低,针对此问题,提出了一套自动化程度较高的城市街道立面自动重建方案,其主要内容包括：
1)灭点分析：灭点对获取影像方位元素和纠正大倾角影像至关重要,而且目前国内外对灭点精度分析的研究很少,尤其是灭点的相对误差椭圆分析至今还无人问津。本文将从灭点几何和广义点摄影测量理论两个角度对灭点与方位元素的关系进行推导,并介绍不同拍摄角度：仰角摄影、水平摄影与俯角摄影对灭点平差模型的影响。要计算灭点,必需先对灭点对应的直线簇进行分组,本文提出了"RANSAC(随机抽样一致性)”+“附有参数的条件平差”的方法,通过RANSAC获得灭点初值,然后通过平差计算灭点,平差迭代的同时对于残差大的观测直线进行剔除更进一步完善直线簇的分组并同时计算出灭点坐标。然后,借助误差椭圆理论对灭点的误差和灭点间的相对误差进行评定。并探讨分析了拍摄角度对于灭点精度的影响。
2)点线匹配：在点匹配方面,介绍了当前流行的SIFT特征点匹配算法和新提出的“对立统一”的匹配思想。在线匹配方面,针对当前直线匹配中存在的诸多问题如：核线约束退化、仿射变换配准区域局限、左右影像特征直线不一致和视差较约束不合理等诸多问题,同时顾及三维环境中,物体总体分布不连续,但局部连续的矛盾,本文提出了一种基于“概率松弛”+“最小二乘影像匹配”的直线段匹配算法。本算法既有独立观测又有整体局部约束,基于对立统一的匹配思想,符合客观规律。并在直线段端点最小二乘匹配中提出了结合广义点联合平差的方法,可以在提高匹配直线段的精度的同时完成对其空间直线的计算。文中还将探讨直线匹配中的“多配多”问题。
3)近景大倾角条带数字影像解析：主要包括大倾角影像相对定向、模型连接和光束法平差。针对立面影像通常仅能得到两个方向的灭点,缺乏Z方向灭点约束造成该方法存在自由度和解求的方位元素不严密的问题,提出了基于空间直线约束联合广义点光束法平差的解算方法获取影像方位元素。并完成大倾角影像纠正、影像拼接和构建自由网。
4)立面凹凸边界识别：由于噪声和提取直线算法的影响,凹凸面的关键边界直线未能提取出来,那么如何识别无法提取出的关键凹凸面边界直线,这是一个有待解决的问题。本文提出了通过直线聚类得到共面直线,共面直线拟合平面,平面相交交出关键边界直线的新算法。并在拟合平面中探讨分析比较了多种平面拟合算法以获得最优的拟合效果和边界识别结果。
5)三维建模：通过自动跟踪建筑物屋顶、自动识别立面凹凸边界和人工选取地面边界点确定出空间模型对应的纹理轮廓,并计算出空间模型与纹理的比例关系,通过比例关系以平面为基元进行立面三维重建。
综上,本研究的目的是借助各种理论提高街道立面三维重建的自动化程度。提出并实现了一套可行性较高、自动化程度较高、基于线、面特征且不依赖于模型化参数、矢量图和空间三维点云辅助的立面三维重建方法。
