以幾何推論法融合光達資料與航攝影像直
線特徵進行建物屋頂面重建
指導教授：趙鍵哲
學生姓名：鄭傑中
大綱
前言
相關研究
研究動機
研究成果回顧
擴展斜屋頂幾何推論演算法
初步測試成果
未來工作
參考文獻
前言
本此報告內容將截至目前的研究成果做歸納與
討論，並嘗試擴展斜屋頂幾何推論演算法，使
其能勝任更複雜的情況。
相關研究
資料融合 (Data Fusion) 精義在於資料間的相互比對以確認 資訊或經由整合互補性的資料繼而生產優於任一原資料來 源的資訊產品 ( 黃宗仁、趙鍵哲， 2002) 。 Li et al. (1993) 認為融合為結合多種不同來源的資訊，其 所得的結果在品質與可靠度上都比單一來源來的好。 Suyoung Seo.(2003) 結合影像與光達重建房屋模型，且利 用光達系統在高度上的優勢改善影像於高程方向上精度較 差的缺點。 Kerry (2001)
在影像上萃取影像線條並利用匹配到的影像 線條於物空間中修正由光達資料所獲得的 DSM ，該研究 發現結合此兩種資料可更精準的提高 DSM 在邊界線上的 表現能力 。研究動機
光達的優點
提供三維屋頂面資訊，高程的精度相對平面而言較高。
光達的缺點
對於邊緣線的描述能力較差。
影像的優點
利用影像處理技術可以很細緻的描述房屋邊緣線與房屋結構，如：女 兒牆、屋脊線等。 影像的缺點
研究動機
本研究將嘗試研擬一套演算策略，以光達近似房
屋邊線所具有的幾何資訊輔助篩選影像直線，獲
得有意義的房屋邊線以重建屋頂面。
除了篩選的優勢之外，利用光達資料也可修補影
像上因邊緣線偵測不佳而失去的房屋邊線。且也
將善用影像對於邊緣線描述能力的優點，提高房
屋結構線的細緻程度。例如 : 女兒牆內外側，兩
條平行的屋脊線。
研究成果回顧
線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
平屋頂幾何推論之演算策略與成果討論
斜屋頂幾何推論之演算策略與成果討論
線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第一組模擬實驗
目的：不同的交會角度對 前方交會求解精度的影響 。 物空間配置：由空間幾何 的觀點，當固定兩個投影 中心時，隨著地形的昇高 ( 黑色線條 ) ，兩判斷面 的夾角 ( 如綠色虛線 ) 也會變大。反之，若隨著 高度的下降，判斷面夾角 也隨之減小。 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400 2000 2200 2400 0 100 200 300 400 500 600 700 800 O' 投影中心 飛行基線B 投影中心O" Y軸 Z軸 L7 L6 L5 L4 L3 L2 L1線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第一組模擬實驗結論
線特徵交會模式 由實驗一數據首先可發現點位一的結果 ，交會幾何與點位精度是呈正相關的， 交會幾何越差 ( 判斷面夾角越小 ) 點位 精度也越差。 但若觀察點位二，發現在交會幾何很好 時所得到的點位精度反而變差，由於點 位二所組成的光束已經很接近平行於 Y 軸水平線。此時，只要相片或外方位參 數有些微的誤差將會全部反應到 Y 座標 上，即 Y 座標的精度會相當的差，進而 連帶影響到位移量的數值。線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第一組模擬實驗結論
點特徵交會模式
隨著線條高度 Z 值漸減，傳統前方交 會所得到的精度也隨之變差，這是由 於點位距離投影中心相當的遠，基線 航高比很小。因此只要像片上產生些 微的誤差，前方交會到物空間時誤差 不僅會被擴大，且都將反應在高程方 向線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第二組模擬實驗
目的： 固定判斷面交會角度，分 析投影中心和物空間點位 兩點間的距離對於定位精 度的影響。 物空間配置： 物空間的交會幾何維持 一定，物點點位和投影中 心的距離為調變因子 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 500 550 600 650 700 750 x軸 Y軸 Z 軸 O' 投影中心 O" 投影中心 點六 點四 點五 點三 點二 點一線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第二組模擬實驗結論
線特徵交會模式 左半部的結果可知即使兩判斷面 交會幾何固定不變，但若物點點 位距離投影中心越遠，所外推計 算出去的點位精度也隨之變差。 右半部由所推得的點一與點四精 度卻漸漸的變好，這是由於物點 與距離的增大，經由這三個點所 組成的判斷面精度變佳所造成。 換句話說，形成判斷面的三個點 彼此間的距離越遠，所形成判斷 面的精度也越高，這將會使得由 共軛影像之投影中心所射出的光 束與該判斷面所交會的物空間點 位之精度有所提升。線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第二組模擬實驗結論
點特徵交會模式
雖然在高程方向上沒有變 化，即不變，但隨著點位 距離投影中心即相片中心 越遠，所計算出來的點位 誤差也漸漸的變大，這就 可比物空間點位距離重疊 區中心越遠，定位精度也 隨之變差。線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第三組模擬實驗結論
固定航測基線的長度以及 地面線條的高程，變動地 面線條的走向，分析其對 定位精度的影響。此時， 兩個投影中心和物空間線 條的距離大致不變，因此 本實驗最可看出隨著交會 角度的不同，點特徵與線 特徵於定位精度之差異性。 2000 2100 2200 2300 2400 2000 2100 2200 2300 24000 100 200 300 400 500 600 700 800 O' 投 影 中 心 O" 投 影 中 心 X軸 Y軸 Z軸線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第三組模擬實驗結論
線特徵交會模式
著重在於交會幾何對定位精 度的影響，由於物空間線條 僅有旋轉而沒有位移，距離 對定位精度的影響於本實驗 作用不大，由數據可看出隨 著判斷面交會強度的減弱， 即交角變小，點位精度也持 續下降。線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
第三組模擬實驗結論
點特徵交會模式
探討判斷面的交會角度是 否會影響點特徵為主的定 位精度。由數據中可以看 出沒有位移的第一點精度 完全沒有變化，第二點只 有些微的變動，這是由於 點位位置的變化所導致。 因此可知，交會角度的變 化對以點特徵為主的定位 精度是不造成影響的。線特徵與點特徵交會模式之定位精度比較
總結
物空間點位與投影中心的距離與此兩種系統
的交會精度有很大的關係。
判斷面的夾角僅作為評定點位精度優劣的要
素之一，另外還需考慮距離、判斷面本身的
幾何強度等。
就點特徵的定位方法而言，判斷面的夾角與
定位精度沒有關聯，但就線特徵而言為一主
要的影響因素。
平屋頂幾何推論之演算策略與成果討論
成果討論 由於台灣地區多數的房屋皆有女 兒牆，然而女兒牆內外緣的間距 非常接近，因此光達所能提供的 近似房屋邊線雖然能有效過濾地 面線條，但卻無法有效處理因女 兒牆內外側所形成的錯誤配對。 因此針對此情況，本研究在房屋 近似邊線的緩衝區內又增設了女 兒牆檢測條件，嘗試避免錯誤配 對的情形，且利用高程值來決定 最佳的候選直線。 實驗成果證實似乎能有效的在房 屋邊線緩衝區 ( 即不確定區域 ) 未通過 通過 影像直線 光達直線 影像幾何篩選 空間幾何篩選 女兒牆檢查 候選影像直線前交 反投影 惟一 解 ? 是 演算策略斜屋頂幾何推論之演算策略與成果討論
針對斜屋頂的演算法
為以屋脊線為中心分
成左右兩部分進行二
維與三維之篩選
。
斜屋頂 影像直線 光達直線 影像幾何篩選 空間幾何篩選 成果輸出 檢核 候選影像直線前交擴展斜屋頂幾何推論演算法
動機 有些情況下，由於相機拍 攝的角度或航高遠大於斜 屋頂的起伏高差，雖然在 空間中是兩條歪斜的線段 ，但投影到影像上卻很容 易被誤判為同一線段，亦 即萃取影像邊緣線時，在 垂直屋脊線的方向上無法 獲得兩條不同線段。 ( 許 志彰 ,2004)擴展斜屋頂幾何推論演算法
動機
在台灣地區許多斜屋頂房 屋具有兩條平行的屋脊線 ，根據先前的斜屋頂幾何 推論，由於兩條平行的屋 脊線都位於屋脊上，此時 光達的近似屋脊線根本無 法區分是屬於左半部的屋 脊線或右半部屋脊線，將 導致前方交會時配對錯誤 的情形。演算策略
反投影 影像直線 光達近似房屋直線 ( 左右兩部分 ) 二維幾何推論 平行屋脊線方向 屋脊線與其垂直方向 Line-based intersection 三維幾何推論 屋脊線分類與擬合 屋脊線與垂直方向的候選線 條進行交會與線條分割 垂直屋脊線方向上之線條位相檢查 垂直方向候選線條重新安排 垂直方向候選線 Line-based intersection 垂直方向候選線三維幾何推論 候選線條確認 垂直屋脊 平 行 屋 脊屋脊線分類例
經由誤差傳播的計算
可知兩線段之間的距
離越遠精度將越差，
此時則越不容易區分
兩屋脊線。
屋脊線分類例二
Step1 27 26 Step2 28 Step3 30 Step4 25 Step5 24 Step6屋脊線端點確立
當確認左右像之候選影像直線後，將其直線端點
代入該部分之屋脊線直線方程式，若為零則表示
該端點為屋脊點，從而決定屋脊線的端點。
平行屋脊線方向之幾何推論
平行屋脊線方向的推論方法為交會到物空間中
做三維幾何推論，從而確定該方向上的房屋邊
線。
二維幾何篩選後
50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300屋脊線分類後
50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300左像屋頂面左右部分之垂直屋脊線之一側的切割與
延伸的成果。
50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300右像屋頂面左右部分之垂直屋脊線之一側的切割與
延伸的成果。
50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300 50 100 150 200 250 300 350 50 100 150 200 250 300為垂直屋脊線方向之屋頂面左右半部在物空間中進行確認的 成果。
討論
由初步的實驗成果可知，本演算法能避免多重
屋脊線配對錯誤的情形。
且針對跨越屋脊線的線條能有效的分割，縱使
分割後重建成果將沒有比在屋脊線兩側能明確
偵測出兩條候選線來得好，如上圖黃色圈選的
部分，但在成果上已有效的改善因航高或攝影
角度導致其中一張影像垂直屋脊線的該側僅偵
測出單一直線與另一張邊線偵測良好所造成的
後續工作
