TWI425442B - Method of Reconstructing Three - dimensional Housing Model on Aeronautical Mapping System - Google Patents

Description

航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法

本發明係有關於一種航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，尤指涉及一種結合現有航測製圖程序，直接連結航測製圖軟體產生之三維線段，特別係指使用該三維線段於線上(Online)同步進行數化與產生三維房屋模型，並可即時與航照影像進行比對編修，以提高房屋模型重建之效率及正確性之重建方法。

三維空間資料處理係地理資訊之重要發展之一，而三維房屋模型重建則係其中一項重要研究工作。房屋模型重建可使用航空攝影測量或空載光達等遙測資料，由於航空攝影測量在立體測量方面較光達有較佳細節之表現，因此多以航空攝影測量進行房屋模型之三維量測。在現有之航測製圖程式中，係利用航空測量技術進行三度空間量測，以描繪目標物之空間關係，然而量測之三維資料不易直接產生三維房屋模型。依據目前現有類似技術主要可分為下列兩大類：

第一種係為離線方法，其採用兩階段之處理程式，第一階段先使用航測製圖系統進行房屋線段之三維量測，再以第二階段離線之方式將三維房屋線段輸出並重建成三維房屋模型。惟其未考量直接產生三維房屋模型，亦即此既有之技術並非即時之處理以致造成效率不佳；此外，其兩階段之作業程式亦與航測製圖程式不符。

第二種直接由航測製圖軟體產生三維模型之方法則有其限制，該方法限制立體測圖工作員必須要量測每一個三維封閉屋頂面，再將多個三維封閉屋頂面組成三維房屋模型。雖然可解決即時處理之問題，但由於每一個共用之屋頂邊界都需重複量測，因此會造成大量之量測作業；此外，在屋角被植被遮蔽時，無法被量測之封閉屋頂面便無法被重建。

鑑於傳統上航測製圖過程係三維量測但以二維方式記錄，其製程會造成高程資訊損失，而後在重建三維房屋模型中，會有判釋困難或位相錯誤之產生。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

國際間知名且在國內較為普及之航測製圖軟體對三維模型建置之支援情形如表一所示。各航測製圖軟體均提供各自之模型建置模組，其立體量測特徵限定為三維實體或三維多邊形，而非較有彈性之三維聚合線。當數化特徵限定為三維實體或三維多邊形時，其優點係直接形成三維模型，但在實務上，據此操作會有許多問題與限制產生。職是之故，鑑於習知技術中所產生之缺失弊端，為因應未來三維地理資訊之應用需求，實有急待改進之必要，針對既有航測製圖現行系統之缺失加以改良，發展一種能避免已知技術之方法與設備之缺點並且能夠進行符合實用進步性與產業利用性之方法與設備，藉以強化及延伸而提供三維模型重建工具有更多之彈性之發明實有必要。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種結合現有航測製圖程序，使用航測製圖量測之三維線段產生三維房屋模型，並與航照影像進行比對編修，以提高房屋模型重建之效率及正確性之重建方法。

本發明之次要目的係在於，提供一種可連結航測製圖軟體，進行線上(Online)三維房屋模型重建之方法。

本發明之另一目的係在於，提供一種使用現有航測製圖軟體量測之三維線段進行幾何推論時，可對各類結果進行評分，將可能性最高之結果優先輸出，並無重複量測之問題，不僅可減少人工判識所需作業時間，且在判釋困難或位相錯誤時，操作員亦可以直接連結現有航測製圖軟體，使用影像與候選成果進行比對之重建方法。

本發明之再一目的係在於，提供一種由現有航測製圖軟體量測三維線段，經本發明直接產生三維房屋模型，可達到資訊充份利用、線上處理及三維應用之特性，進而提升資料處理效率及正確性之重建方法。

為達以上之目的，本發明係一種航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，係至少包括下列步驟：

(A)同步存取步驟：連結現有航測製圖系統之三維結構線，以同步存取該三維結構線，其中，該三維結構線係屬於聚合線，係由連續三維線段所組成；以及

(B)模型重建步驟：使用該三維結構線，以重建演算法重建三維房屋模型，其包含以下步驟：

(b1)二維結構線分割步驟：輸入人工數化之三維結構線，利用線段鎖點(Snap)、線段拆解(Crack)及移除懸空線段(Remove)之分割方式，產生獨立結構線；

(b2)二維基元封閉步驟：輸入經二維結構線分割步驟進行鎖點處理並刪除懸空線段所得之二維結構線，產生封閉多邊形，建立房屋結構線之位相關係(Topology)，以得到封閉屋頂輪廓多邊形，其中，該二維基元係由平面坐標之封閉所產生之二維多邊形所組成；

(b3)三維基元形塑步驟：輸入經二維結構線分割步驟處理後之三維結構線，以及經二維基元封閉步驟處理之二維多邊形，利用該三維結構線及該二維多邊形進行判斷，以建立三維房屋模型；以及

(b4)三維模型檢驗步驟：將該三維房屋模型反投影回影像空間，以進行模型及影像之套疊比對，俾以確認模型屋頂形狀之正確性。

本發明將使用MicroStation平臺進行開發，使其成果可適用於不同之航測製圖軟體，並且數化特徵亦不限定在封閉多邊形或三維實體，使數化操作可更為便利。

請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明之線上房屋重建模組架構示意圖、及本發明之三維模塑操作流程示意圖。如圖所示：本發明係一種航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，係結合現有航測製圖程式，使用航測製圖量測之三維線段產生三維房屋模型，並與航照影像進行比對編修，可提高房屋模型重建之效率及正確性，其至少包括下列步驟：

(A)同步存取步驟11：係以人工於現有航測製圖系統之立體環境中擷取航照立體影像，量測其三維結構線，連結以同步存取該三維結構線，其中，該三維結構線係屬於聚合線，係由連續三維線段所組成；以及

(B)模型重建步驟12：以連結元件同步讀取及寫入該三維結構線之三維座標至線上房屋重建模組之電腦輔助繪圖系統中，透過使用該三維結構線進行三維模塑，重建三維房屋模型，並回傳給MicroStation進行平面與立體之展示，最後依據原始航照立體影像，將重建後之三維房屋模型反投影回其影像空間，以進行模型及影像之套疊比對，俾以確認模型之正確性。

請進一步參閱『第3圖～第10B圖』所示，係分別為本發明之二維結構線分割示意圖、本發明之二維結構線示意圖、本發明封閉後之二維基元示意圖、本發明之三維基元形塑輸入資料示意圖、本發明之搜尋對應邊處理示意圖、本發明之共面線段求解平面處理示意圖、本發明三維基元形塑之候選形狀一示意圖、本發明三維基元形塑之候選形狀二示意圖、本發明三維基元形塑之候選形狀三示意圖、本發明之二維基元封閉成果示意圖、本發明多面體之三維房屋模型示意圖、本發明三維房屋驗證之模型反投影示意圖、及本發明三維房屋驗證之模型重建示意圖。如圖所示：上述步驟(B)模型重建係以重建演算法重建三維房屋模型，其包含以下步驟：

(b1)二維結構線分割步驟121：如第3圖所示，輸入人工數化之三維結構線，利用線段鎖點(Snap)、線段拆解(Crack)及移除懸空線段(Remove)之分割方式，產生獨立結構線，其中，分割結構線之形成係在二維平面計算線段間之交點，依交點將聚合線拆解為僅有兩個端點之二維線段，分割線段之兩端必需與其他線段連接，若為分割線段之其中一個端點懸空，即沒有與其他線段連結，則判斷為懸空線段(Dangle line)，如果與其他線段之距離小於量測誤差，則自動延伸至其他線段，若未能與其他線段連結，則自動刪除；

(b2)二維基元封閉步驟122：輸入經二維結構線分割步驟進行鎖點處理並刪除懸空線段所得之二維結構線，建立房屋結構線之端點及線段索引表之位相關係(Topology)，將該二維結構線分為數個房屋區塊(Polygon)，進行二維基元封閉以得到封閉屋頂輪廓多邊形，其中，該二維基元係由平面坐標之封閉所產生之二維多邊形所組成；並且，由於該二維結構線可分為外部輪廓結構線及內部結構線兩類，因此該二維基元封閉之流程，係先判別內、外部結構線以進一步判斷內部端點，確定二維基元之共用邊，以供後續追蹤流程使用，並建立端點次數索引，由端點及線段索引表統計各端點儲存次數之索引，且內部端點次數索引係多增加一次。接著，以左上角第一個角落點為追蹤原點，順時針方向進行線段追蹤，並同時檢核端點次數索引決定下一點。回到原點，即完成一基元位相關係之紀錄；繼之，以下一點重複追蹤流程，即可得到所有二維基元。如第4A圖及第4B圖所示，係本發明一較佳實施例，其中第4A圖為房屋之12條結構線，經程式判斷後可找出4條內部結構線，並透過線段追蹤流程建立結構線之二維位相關係；第4B圖則以第4A圖之實施例可得三封閉多邊形，即三個二維基元；

(b3)三維基元形塑步驟123：輸入經二維結構線分割步驟處理後之三維結構線，以及經二維基元封閉步驟處理之二維多邊形，利用搜尋對應邊、共面線段求解平面、選擇屋頂面型式及構建三維房屋模型之處理程序進行判斷，產生三維房屋基元，以三維結構線之共面關係或最高結構線之高程，推斷每一房屋區塊之屋頂面，並將多個三維房屋基元組合，俾以建立多面體三維房屋模型，其中，以一山形屋為例時，該搜尋對應邊係將該二維多邊形線段依三維結構線之座標比對尋找其對應之三維線段，以得到多邊形線段之高程，如第5A、5B圖所示，第5A圖左側代表具有高程值之三維結構線，右側則為經過二維基元封閉處理後之二維多邊形。從一基元開始處理，如第5B圖中標示加粗之多邊形；該共面線段求解平面係利用該多邊形線段之高程進行多邊形屋頂面之形塑，利用共面關係以平面方程式z =ax +by +c 擬合屋頂面，將經由判斷為共面之線段，以最小二乘求解其平面參數，以組成多邊形之屋頂面，同時並產生以最高結構線之高度組成之水平屋頂面之型式，如第6圖所示；該選擇屋頂面型式係在擬合屋頂之過程中，會自動產生多個房屋候選模型，如第7A圖所示三條屋緣結構線組合成之水平屋頂面、第7B圖所示由最高結構線高程形成之水平屋頂面、及第7C圖所示屋脊線與屋緣線組成之斜頂面等三種型式，讓使用者可依資料選擇適合之屋頂面型式，將房屋之基元逐一選擇其屋頂型式，以構建完整房屋屋頂面，如第8圖所示；及該構建三維房屋模型係將構建屋頂面完成之房屋，依其高程與其地面高度，組成多面體三維房屋模型，如第9圖所示；以及

(b4)三維模型檢驗步驟124：係利用影像反投影方式，將三維基元形塑之候選模型(即前述三維房屋模型)反投影回影像空間，以進行模型及影像之套疊比對，俾以確認模型屋頂形狀之正確性，進而確保重建模型之可靠度，如第10A、10B圖所示。

藉此，本發明係結合現有航測製圖程序，直接連結航測製圖軟體產生之三維線段，使用該三維線段於線上(Online)同步進行數化與產生三維模型，並可即時與航照影像進行比對編修，提高房屋模型重建之效率及正確性。由此可知，本發明係可連結航測製圖軟體，進行線上三維房屋模型重建，並非習用兩階段式之離線(Offline)處理；並且，經本發明重建方法使用由現有航測製圖軟體量測之三維線段進行幾何推論時，其結果也並非唯一。承如上述實施步驟，本方法係可以對各類結果進行評分，將可能性最高之結果優先輸出，並無重複量測之問題，不僅可減少人工判識所需作業時間，且在判釋困難或位相錯誤時，操作員亦可以直接連結現有航測製圖軟體，使用影像與候選成果進行比對。因此由現有航測製圖軟體量測三維線段，經本發明直接產生三維房屋模型，係可達到資訊充份利用、線上處理及三維應用之特性，進而可提升資料處理效率及正確性。

綜上所述，本發明係一種航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，可有效改善習用之種種缺點，係結合現有航測製圖程式，使用航測製圖量測之三維線段產生三維房屋模型，並與航照影像進行比對編修，可提高房屋模型重建之效率及正確性，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11．．．步驟(A)同步存取

12．．．步驟(B)模型重建

121．．．步驟(b1)二維結構線分割

122．．．步驟(b2)二維基元封閉

123．．．步驟(b3)三維基元形塑

124．．．步驟(b4)三維模型檢驗

第1圖，係本發明之線上房屋重建模組架構示意圖。

第2圖，係本發明之三維模塑操作流程示意圖。

第3圖，係本發明之二維結構線分割示意圖。

第4A圖，係本發明之二維結構線示意圖。

第4B圖，係本發明封閉後之二維基元示意圖。

第5A圖，係本發明之三維基元形塑輸入資料示意圖。

第5B圖，係本發明之搜尋對應邊處理示意圖。

第6圖，係本發明之共面線段求解平面處理示意圖。

第7A圖，係本發明三維基元形塑之候選形狀一示意圖。

第7B圖，係本發明三維基元形塑之候選形狀二示意圖。

第7C圖，係本發明三維基元形塑之候選形狀三示意圖。

第8圖，係本發明之二維基元封閉成果示意圖。

第9圖，係本發明多面體之三維房屋模型示意圖。

第10A圖，係本發明三維房屋驗證之模型反投影示意圖。

第10B圖，係本發明三維房屋驗證之模型重建示意圖。

11-12‧‧‧步驟

121-124‧‧‧步驟

Claims (7)

1. 一種航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，係結合現有航測製圖程式，使用航測製圖量測之三維線段產生三維房屋模型，並與航照影像進行比對編修，其至少包括下列步驟：(A)同步存取步驟：連結現有航測製圖系統之三維結構線，以同步存取該三維結構線，其中，該三維結構線係屬於聚合線，係由連續三維線段所組成；以及(B)模型重建步驟：使用該三維結構線重建三維房屋模型。
2. 依申請專利範圍第1項所述之航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，係以人工於航測製圖系統之立體環境中量測三維結構線，並以連結元件同步讀取及寫入該三維結構線之三維座標至電腦輔助繪圖系統。
3. 依申請專利範圍第1項所述之航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，其中，該步驟(B)模型重建係以重建演算法重建三維房屋模型，其包含以下步驟：(b1)二維結構線分割步驟：輸入人工數化之三維結構線，利用線段鎖點(Snap)、線段拆解(Crack)及移除懸空線段(Remove)之分割方式，產生獨立結構線；(b2)二維基元封閉步驟：輸入經二維結構線分割步驟進行鎖點處理並刪除懸空線段所得之二維結構線，產生封閉多邊形，建立房屋結構線之位相關係(Topology)，以得到封閉屋頂輪廓多邊形，其中，該二維基元係由平面坐標之封閉所產生之二維多邊形所組成；(b3)三維基元形塑步驟：輸入經二維結構線分割步驟處理後之三維結構線，以及經二維基元封閉步驟處理之二維多邊形，利用該三維結構線及該二維多邊形進行判斷，以建立三維房屋模型；以及(b4)三維模型檢驗步驟：將該三維房屋模型反投影回影像空間，以進行模型及影像之套疊比對，俾以確認模型屋頂形狀之正確性。
4. 依申請專利範圍第3項所述之航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，其中，該步驟(b1)分割結構線之形成係在二維平面計算線段間之交點，依交點將聚合線拆解為僅有兩個端點之二維線段，分割線段之兩端必需與其他線段連接，若為分割線段之其中一個端點懸空，即沒有與其他線段連結，則判斷為懸空線段(Dangle line)，如果與其他線段之距離小於量測誤差，則自動延伸至其他線段，若未能與其他線段連結，則自動刪除。
5. 依申請專利範圍第3項所述之航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，其中，該步驟(b2)封閉多邊形之形成係建立端點及線段索引表，將該二維結構線分為數個房屋區塊(Polygon)，進行二維基元封閉，藉以先判別其內部結構線及外部輪廓結構線，確定二維基元之共用邊，以供後續追蹤流程使用，並建立端點次數索引，再以角落點為追蹤原點，順時針方向進行線段追蹤，並同時檢核端點次數索引決定下一點，待回到原點，即完成一基元位相關係之紀錄，再以下一點重複追蹤流程，以得到所有二維基元。
6. 依申請專利範圍第3項所述之航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，其中，該步驟(b3)三維房屋模型之形成係將該三維結構線及該二維多邊形依座標進行比對，以建立兩者之關係，再利用該三維結構線之高程進行多邊形屋頂面之形塑，利用共面關係以平面方程式擬合屋頂面。
7. 依申請專利範圍第3項所述之航測製圖系統線上三維房屋模型重建方法，其中，該步驟(b3)三維房屋模型之形成，係在擬合屋頂之過程中，會自動產生多個房屋候選模型，利用步驟(b4)之檢驗，以影像反投影方式，將候選模型反投影到影像空間進行驗證，以確保重建模型之可靠度。