数据驱动的三维城市建筑矢量化建模研究

The large-scale 3D urban modeling technique is widely useful in the fields of smart city, urban planning, heritage preservation and film production. The conventional hand-modeling, image-based modeling or 3D scan-based modeling methods lack of architectural semantic information without building structures,so they are unable to fulfill the requirements of rapid creation of large-scale urban models. Procedural modeling is a rule-based powerful tool for quick creation of massive models but current shape rules are hard to construct some complex modern architectures. Moreover, due to the lack of semantic contents, it is unable to simulate architectural functions. The users also have to design complex rules. Vectorization represents unstructured data in continuous mathematical form with structures and functions. In this project, we propose to investigate data-driven automatic rules extraction from images and 3D point cloud as well as vectorized semantic architectural components generation in order for rapid creation of all kinds of architectural models and large-scale urban models with architectural and urban behaviors and functions. The research topics include: definition of rules to generate vectorized and functional architectural and urban models; semantic vectorized components construction and rules extraction from a single image; vectorized and detailed 3D components construction and rules extraction from images and 3D point cloud data; rule-based 3D urban functional modeling.

大规模三维城市快速建模在智慧城市、城市规划、城市保护、影视娱乐等方面有着广泛的应用。传统的手工建模、基于图像建模以及基于三维扫描数据的建模方法，缺少建筑语义信息,无法表示建筑结构，不能满足大规模三维城市快速建模的需求。过程建模是一种基于规则的快速建模方法。现有规则难以生成一些复杂形态变化的现代建筑；而且缺少模型语义，无法模拟城市建筑功能；用户需要设计复杂的规则。矢量化方法把无组织的数据表示为连续的数学形式，赋予结构和功能。本项目研究数据驱动的从建筑图像、三维点云等数据中自动提取建筑规则，并生成矢量化的语义建筑组件，赋予建筑及城市行为功能，快速构建各种建筑模型及大规模城市场景的方法。具体研究内容：建筑矢量和功能模型的规则定义及模型生成；基于单幅图像的矢量建筑组件生成和建筑规则提取；基于点云与图像结合数据的精细矢量化组件和规则生成；基于规则的大规模三维城市功能建模。

本课题围绕基于过程数据驱动的三维城市建筑矢量化建模技术开展建模理论方法和关键技术研究。重点开展了城市建筑规则的定义及其编译器实现；基于单幅图像的建筑建模及建筑组件生成；基于双调和B样条基函数的三维网格模型及其颜色矢量化技术；基于规则的大规模三维城市场景建模技术等研究工作。.（1）研究了城市建筑的规则定义并研制了编译器。基于CGA模型文法，采用自顶向下的分裂方式，定义规则语法。同时，研制规则编译器，能够从规则生成形式多样的中国古代建筑和现代建筑模型。.（2）研究了基于单幅图像具有语义的组件生成及三维模型构造。提出了计算条纹方向并基于条纹重复性自动分割条纹的方法，从而自动分割屋顶屋瓦及楼层。针对中国古代建筑，基于对称性计算三维尺寸恢复三维模型。针对现代建筑，从建筑物竖直方向与水平面的垂直关系特征计算三维尺寸，从单幅图像中恢复建筑立面三维曲面。生成建筑组件库及规则，从而生成三维建筑模型。.（3）研究了基于双调和 B 样条函数的三维网格模型及其顶点数据矢量化方法。发现了双调和B样条基函数与格林函数之间的等价关系；提出了基于稀疏表示提取样条最优节点的方法；建立三维几何数据和属性数据的样条表示方式。.（4）研究了基于规则的场景建模和交互的城市建模工具。将单个建筑规则整合生成建筑场景，可以在城市虚拟环境中仿真与应用。.在本项目资助下，本课题发表论文11篇（其中SCI检索6篇，EI检索10篇），授权专利5项，申请专利3项。论文发表在IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, Computer Graphics Forum, The Visual Computer, Pacific Graphics等著名国际期刊会议上，包括CCF推荐A类期刊1篇，B类期刊2篇，C类期刊2篇，B类会议1篇，C类会议1篇。