(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210825602.5 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 南京林业大 学 地址 210037 江苏省南京市玄武区龙蟠路 159号 (72)发明人 陈动　万林承　刘玉婵　胡凡　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 田凌涛 (51)Int.Cl. G06T 17/10(2006.01) G06T 17/00(2006.01) G06N 7/00(2006.01) (54)发明名称 一种广义建 筑三维几何重建方法 (57)摘要 本发明公开了一种广义建筑三维几何重建 方法， 基于 “点‑线”双域互增强思想， 同步实现建 筑点、 线几何重建； 在 “线”约束下， 通过求解 “多 目标全局最优化问题 ”， 重建线性平面基元， 并且 借助局部非线性优化拟合非线性参数表达基元， 进而实现建筑面重建。 在 “线”和“面”模型共同辅 助下， 基于模型匹配， 完成建筑屋顶结构基元和 建筑立面部件基元的重建， 并通过CSG组装基元 模型， 完成建筑体重建。 本发明成果有助于完善 激光点云的几何建模理论与方法， 可为国家 “实 景三维”数据库提供多颗粒度且高质量的建筑几 何模型， 满足国家经济社会发展各领域对 “实景 三维”建筑几何模型的亟需。 权利要求书5页 说明书17页 附图2页 CN 115393542 A 2022.11.25 CN 115393542 A 1.一种广义建筑三维几何重建方法， 其特征在于： 基于目标建筑的点云， 执行以下步 骤， 构建目标建筑的三维几何模型： 步骤A： 针对目标建筑的点云， 基于EM算法结合贝叶斯概率模型， 同步重建目标建筑的 点和线， 进 而获得目标建筑线模型； 步骤B： 针对目标建筑的点云， 基于目标建筑线模型的约束下， 重建目标建筑的线性平 面基元与非线性参数表达基元， 进而获得由线性平面基元与非线性参数表达基元构成的目 标建筑面模型； 步骤C： 针对目标建筑的点云， 基于目标建筑线模型与面模型的约束， 结合预设的基元 模型库， 将从目标建筑的点云分割得到的各点云基元与预设的基元模型库中的基元模型进 行模型匹配， 重建建筑屋顶结构基元和建筑立面部件基元， 获得建筑屋顶模型和建筑立面 部件模型， 进而获得 由建筑屋顶模型和建筑立面部件模型构成的目标建筑体模型， 即目标 建筑的三维几何模型。 2.根据权利要求1所述一种广义建筑三维几何重建方法， 其特征在于： 所述步骤A中， 具 体过程如下： 基于目标建筑的点云χ， 获得预设数量的点作为目标建筑的初始特征点集Z1、 以及初始 特征点集Z1对应的拓扑关系图 采用EM算法结合贝叶斯概率模型， 迭代执行步骤A1 ‑A3， 同 步重建目标建筑的点和线， 直到拓扑关系图 稳定， 迭代结束， 获得特征点集Z及其对应的拓 扑关系图 进而获得目标建筑线模型； 步骤A1： 针对特征点集Zi结合贝叶斯概率模型， 通过以下公式， 计算特征点集Zi的条件 概率分布对数似然期望； 其中， 表示在点云χ和当前拓扑 关系图 的共同约束下获得 当前特征点集Zi 中点的概率， 即点云χ中的点与当前拓扑关系图 具有一致性的概率； 表示当前 特征点集Zi与点云χ 的点同隶属于下一个拓扑关系图 的概率； 表示当前特征点集Zi 中的点参与下一个拓扑关系图 构建的概率； 表示点云χ 的点属于下一个拓扑关系图 的概率， i≥1； 步骤A2： 基于特征点集Zi的条件概率分布对数似然期望， 通过以下公式， 最大化特征点 集Zi的条件概率分布对数似然期望， 获得更新 的目标建筑特征点集Zi+1， 并采用MST构图获 得特征点集Zi+1对应的拓扑关系图 权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115393542 A 2步骤A3： 基于拓扑关系图 判断 是否稳定， 若稳定， 迭代结束； 若不稳定， 使用 Zi+1更新Zi、 返回执行步骤A1。 3.根据权利要求2所述一种广义建筑三维几何重建方法， 其特征在于： 所述步骤A1中， 根据贝叶斯 概率模型， 进一 步表示为以下公式： 其中， 式中， P(Zi| χ )表示点云χ 中点为当前特征点集Zi中点的概率； 表示表示在点 云χ和当前拓扑关系图 的共同约束下获得当前特征点集Zi中点的概率， 即点云χ中的点与 当前拓扑关系图 具有一致性的概率； 表示特征点集Zi与点云χ的点同归属于 拓扑关系图 的概率； λ为预设权 重； P(Zi| χ )通过计算 点云χ 中点的梯度结构张量得到， 公式如下： 式中， 3×3矩阵M为点pi在其局部区域N的梯度结构张量， gx、 gy、 gz分别为点pi(x， y， z)在 x、 y、 z三个方向上的梯度分量； 梯度结构张量M的特征值即为概率P(Zi|χ )； T(Δx， Δy， Δz) 表示点云χ 中每 个点在局部区域 N内施加一个微小位移(Δx， Δy， Δ z)所带来的梯度变化。 4.根据权利要求3所述一种广义建筑三维几何重建方法， 其特征在于： 所述步骤B中， 具 体通过以下步骤， 重建目标建筑的线性平面基元与非线性参数表达基元， 进而获得 由线性 平面基元与非线性 参数表达基元构成的目标建筑面模型： 步骤B1： 针对目标建筑的点云χ， 结合目标建筑线模型的约束， 通过标记点过程方法F以 全局能量 函数最小化 为目标， 重建目标建筑的线性平面基元； 步骤B2： 针对重建的目标建筑线性平面基元， 提出全局多层次平面基元规则化策略， 对 目标建筑的各线性平面基元施加约束， 更新目标建筑的各线性平面基元； 步骤B3： 针对重建目标建筑的线性平面基元后目标建筑点云χ中的剩余点， 采用非线性 最小二乘算法重建目标建筑的非线性参数表达基元， 获得目标建筑的各非线性参数表达基 元。 5.根据权利要求4所述一种广义建筑三维几何重建方法， 其特征在于： 所述步骤B1中， 基于目标建筑的点云χ， 结合目标建筑的线模型 的约束， 具体执行以下步骤， 重建目标建筑 的线性平面基元： 步骤B1.1： 基于目标建筑的点云χ， 结合目标建筑线模型的约束， 构建结合点标记过程 方法F的全局能量 函数EF， 如下所示：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115393542 A 3