随着时空大数据分析的深入和“智慧城市”概念的提出，语义信息的存储管理和可视化表达在现代城市治理过程中显得尤为重要。建筑物是城市环境中最主要的地物要素之一。为了满足复杂城市空间形态认知和精细化管理的需要，本课题研究基于结构的城市三维建筑空间多层次语义建模方法。通过对建筑物三维表面模型进行多尺度结构分析，自动构建从建筑物内部楼层到单体建筑，再到建筑群，最终到整个城区的建筑空间多层次语义模型。微观层面，在三维建筑物模型组成结构和表面功能部件识别的基础上，根据不同结构单元的连接关系和各类功能部件的分布规律，对建筑物楼层空间进行细致划分和语义描述。宏观层面，考虑不同区域的景观形态变化，基于建筑物的高度、面积、座落方向和形状复杂度参数，对城区建筑群空间进行合理分块和语义描述。最后，依据楼层空间和建筑群空间的拓扑关系和属性联系，对建筑物模型进行重构和综合，构建城市建筑物空间的多层次语义模型，并在此基础上进一步探讨城市可视化治理理论模型，推动城市空间语义模型的实践应用。 2100433B

数据模型是地理信息系统所有功能应用的基础。随着时空大数据分析的深入和“智慧城市”概念的提出，语义信息的存储管理和可视化表达显得尤为重要。由于城市土地利用结构变得越来越复杂，传统的几何模型已无法满足城市形态认知和空间属性数据精细管理的需要。如何构建城市建筑空间的多层次语义模型，对建筑物内部和建筑物之间的语义关系进行有效描述，成为地理信息科学、城市管理和城市规划领域所共同面临的难题。针对现有数据模型和语义建模方法的不足，本课题提出研究一种基于结构的城市三维建筑空间多层次语义建模方法，通过对城市建筑物三维表面模型进行多尺度结构分析，自动构建从建筑物内部楼层到单体建筑，再到建筑群，最终到整个城区的建筑空间多层次语义模型，以满足城市规划与管理的实际应用需要。主要研究内容包括：建筑物内部楼层空间的语义描述、城区建筑群空间的语义描述和多层次语义对象的组织管理。

基于过程的建模技术是当前城市建模研究的新途径之一，但是建筑语义规则大多由人工创建或由单幅图像交互生成，建筑组件简单，建模效果逼真度较差。因此，本项目将研究基于多尺度照片集的城市过程建模技术，利用照片集多尺度、多视点、多光照的特点，研究建筑规则自动生成，建筑组件逼真建模，结合GIS和卫星图像数据的城市道路及场景建模等理论、方法和关键技术，主要包括：建筑语义规则的表示方法，基于数据驱动的建筑语义规则生成方法；研究基于多尺度室外场景图像重构建筑组件几何和反射属性的建模方法；研究基于GIS数据和卫星图像的城市场景快速构建方法。研究成果在智慧城市构建、文化遗产数字化，数字娱乐与游戏等领域具有重要应用价值。

基于多视角图像的三维真实感建模多年来一直是计算机视觉和计算机图形学领域的一个重要的研究课题。区别于传统的基于局部特征点的点云重建和交互式勾勒表面轮廓的建模方法，我们从一个全新的角度，深入研究了基于拓扑结构的三维场景建模技术。受概念设计阶段的草图表达的启发，我们将物体的拓扑结构引入基于图像的三维建模，从特征表达和提取、拓扑结构的恢复、表面模型的重建、以及表面纹理的生成四个方面，对基于图像的真实感三维建模中涉及的各个问题进行了研究，获得了一系列的研究成果。具体包括: 1）在拓扑结构特征的表达和抽取方面，我们主要研究了人造场景中物体的点-线-面的拓扑结构表达方式，并提出了高效的拓扑结构特征提取算法，大大精简了大规模图像集中的特征的存储和计算。2）在拓扑结构的恢复方面，我们结合线条周围和表面上的局部点特征来辅助线条特征的匹配和表面的邻接关系抽取，充分利用了SIFT点特征对于尺度、光照、视角等变化的鲁棒性，在差异性较大的图像集合中获得空间一致的整体拓扑结构，实现了自动的拓扑结构恢复。3）在表面模型的三维重建上，我们提出了一种全自动的表面模型重建方法。主要结合图像上的密集的特征点的对应和重建结果，以及图像各平面区域的外观信息，根据平面基元间的邻接、遮挡等几何关系进行平面延伸、补齐，以及全局修正，获得了准确的三维几何模型。4）对于三维模型表面纹理的生成，针对图像集合中各图像差异性较大、尤其是有大面积前景遮挡的情况，我们提出了一种保持几何一致性的图像拼接算法，针对具有较强几何特征和纹理不够丰富的两种图像区域，自适应地生成样本图像集合，最后通过马尔科夫随机场的优化，实现从多样本中选择合适的图像来源，获得视觉连贯的、无缝的图像拼接。我们从整个三维建模流程中各个环节对基于拓扑结构的的特征抽取、特征匹配、三维重建和纹理生成进行研究，验证了所提拓扑结构特征表达在人造场景的三维重建的有效性，从建模的自动程度、数据存储效率及建模视觉效果上都优于现有算法。

本课题围绕基于过程的城市建筑三维建模技术开展理论方法和关键技术研究工作，重点开展了基于单张图像的建筑物组件重复性检测与几何过程建模技术，基于图像集的建筑建模、组件几何和反射属性建模技术，基于GIS数据的城市虚拟场景快速建模技术与工具等研究工作。 在基于单张图像的建筑物过程建模技术方面，研究了针对单张图像建筑物重复性组件的检测算法、建筑规则和组件生成算法。从分割的单张图像中自动生成三维建筑组件、建筑规则及三维建筑模型。通过简单的人工交互可以生成风格相同、形状可变的三维建筑模型。在基于图像集的建筑建模技术方面，以未标定数码相机拍摄的建筑物多幅照片为输入，提出了一系列算法，研究了建筑物三维点云数据的恢复与分割、建筑物组件重复性检测、建筑物前后层结构自动提取等技术，能够全自动的重构出逼真度较高的建筑物三维模型。在基于图像集的建筑物组件几何和反射属性建模技术方面，研究了基于本征图像分解的建筑物组件材质反射属性建模技术、基于径向基函数的逐像素组件深度插值算法，从而构建出可重光照的建筑物组件模型。在基于GIS数据和过程建模技术的城市场景快速建模方面，通过解析地理信息数据，提取地图数据中的建筑位置和朝向信息，结合本课题已研究的单个建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部区域的三维场景，研制了场景建模工具原型系统。 在本项目资助下，发表论文10篇（SCI检索2篇、EI检索4篇）、专利申请2项、专利授权2项，其中8篇文章发表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推荐国际B类、C类期刊与会议上。项目负责人获2013年教育部技术发明一等奖1项，排名第7（总发明人数为9），并晋升副教授。3名硕士在本项目资助下完成毕业论文，2名博士基本完成论文。 2100433B