一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法技术

本发明专利技术公开了一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法并按以下步骤实施。首先，根据数字建筑模型所处地的地理纬度、当日的太阳赤纬(是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角)以及当时的太阳时角(从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离)求算出所在时刻的太阳高度角及太阳方位角；其次，依据太阳高度角、太阳方位角求算被投射在地面上的阴影区边界；然后，通过在DBM中引入矢量数据确定出被投射在屋顶上的阴影区边界；最后，将地面上的阴影区边界与建筑物屋顶上的阴影区边界结合分析即可确定出建筑物墙体上的阴影区边界。本发明专利技术可以更加准确，更加具体地还原建筑物与建筑物阴影之间的关系。

【技术实现步骤摘要】
一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法
本专利技术涉及地理空间数据的三维数据处理领域，特别是涉及一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法。
技术介绍
随着城市建筑物的需求量及建筑物的利用率不断地增加，实时的真实感的建筑物阴影正引起越来越多的人关注。因此，如何高效、快速的对建筑物阴影进行可视化表达，在建筑设计、城市规划、城市建设、城市管理等方面具有重要意义。现有的建筑物阴影的检测方法主要是根据场景的几何形状、太阳高度角、DSM或者传感器等参数建立三维模型来检测建筑物的阴影。如张珩等人改进了一种基于多波段光谱差异的阴影自动检测方法。其利用建筑物阴影长度与建筑物高度之间的几何关系，确定出阴影长度，进而求出建筑物的高度，使用编程实现了一体化较高精度的多栋建筑物高度计算，最终完成建筑物的阴影检测工作。又如李艳等人利用数字表面模型和太阳高度和方位来计算建筑物阴影的空间坐标,并由相机模型计算出每个阴影单元对应的扫描行和相机空间坐标。由高度场光线跟踪判断阴影的可见性,对可见阴影计算出它的坐标。以及专利申请号CN201410636705.2，名称为“用于近似绘制三维场景柔和阴影的方法”的专利提出的通过对平面面光源的随机采样来估计可视场景区域内的平面面光源可见性，并利用空间卷积平滑去噪滤波来减小随机采样引入的平面面光源可见性噪声，以此为依据计算绘制出阴影的三维场景画面。以往的阴影检测方法，虽然可以很大程度上完善建筑物的阴影区检测，但多数方法只适用于地面上的阴影区检测，而对于建筑物屋顶上的阴影区以及三维空间层面的建筑物墙体上的阴影区仍未有较为明确的检测方法被提出。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法。检测结果具有较高的精度及完整性。为了达到上述目的，本专利技术的方法包括步骤如图1所示，具体步骤如下：步骤1，收集实时的数据资料，根据数字建筑模型所处地的地理纬度、当日的太阳赤纬以及当时的太阳时角求算出所求时刻的太阳高度角及太阳方位角。步骤2，当阴影的投射方向无障碍物阻碍时，建筑物的各个屋顶点所生成的对应的阴影点将直接被投射在地面上。根据步骤1确定的太阳高度角、太阳方位角，确定出该时刻建筑物被太阳光照射而投射在地面上的阴影区边界。步骤3，考虑到建筑群相邻建筑物存在遮挡现象，因而建筑物阴影并非全部投射在地表面。根据太阳的位置分析影子的投射方向，发现：沿着阴影的投射方向，建筑物相对较高的楼体的阴影将不完全投射在地面，会有一部分被投射在相邻的建筑物的屋顶上。因而对于屋顶上的阴影区边界的确定方法，本专利技术通过引入矢量数据来求取位于建筑物屋顶上的阴影区边界。首先在DBM中建立矢量坐标系，以建筑物的屋底点为矢量的出发点临近的建筑物屋底点为该矢量数据的终点，并以矢量数据与建筑物屋底边缘的夹角必须小于该屋底边缘与地面上阴影区边界之间的夹角为限制条件求取所有满足条件的矢量数据集合，最终确定出该栋建筑物满足条件的矢量集合ΩBldg1。紧接着在每一栋建筑物对应的集合中寻找同一终止点出现的频次大于等于2的矢量数据，并将满足条件的矢量数据存储到另一集合Υ中。对集合Υ中的矢量继续分析。其中矢量起点与终点对应的两个建筑物的高差向量被记为HA2'，每一矢量终止点对应的屋顶点与矢量始点对应的建筑物墙体之间的距离矢量被记为Hdistance。当向量HA2'与向量Hdistance之间的夹角小于等于太阳高度角时，即可判断该屋顶点被相邻建筑物投射阴影。最终将判断出的被投射阴影的屋顶点与步骤2所确定的地面上的阴影区边界结合即可判断出屋顶阴影区边界。步骤4，结合步骤2,步骤3确定出被投射在建筑物墙体上的阴影区边界。对于建筑物墙体上的阴影区边界，其阴影区边界可通过邻近的建筑物屋顶上的阴影区边界以及地面上的阴影区边界直接分析确定。附图说明图1是本专利技术方法的流程图。图2是阴影的形成原理图。图3是本专利技术方法的阴影检测原理图。图4是本专利技术方法检测到的地面上的阴影。图5是本专利技术方法检测到的建筑物屋顶上的阴影。图6是本专利技术方法的最终检测结果图。具体实施方式下面结合本专利技术中的附图详细说明本专利技术的具体实施方式。显然，所描述的实施案例仅仅是本专利技术中的一部分实施案例，而不是全部的实施案例。基于本专利技术中的实施案例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提的条件下所进行的其他所有实施案例，都属于本专利技术的保护范围。实施案例:本实施例中，我们选取美国科罗拉多州丹弗市的数字建筑模型进行实验处理。步骤1，收集实时的数据资料，根据数字建筑模型所处地的地理纬度、当日的太阳赤纬以及太阳时角求算出所求时刻的太阳高度角α及太阳方位角ρ。任意时刻的太阳高度角α、太阳方位角ρ与当地的地理纬度m1,当日的太阳赤纬m2,当地的太阳时角t满足如下关系：sin(a)＝sin(m1)sin(m2)+cos(m1)cos(m2)cos(t)(1)由式(1)、(2)即可求取太阳高度角α、太阳方位角ρ。步骤2，根据步骤1确定的太阳高度角、太阳方位角，结合图2的原理图可确定出该时刻建筑物被太阳光照射而投射在地面上的阴影区边界。图2，表示某一时刻位于地理坐标系中的建筑物经过太阳的平行光照射，在地面及遮挡物上形成对应时刻的阴影区边界，其中地底点被标记为Nadir。点m、O、S分别表示框标系xyz的原点、像主点及摄影中心。图(a)中有两栋建筑物分别表示为Bldg1、Bldg2。建筑Bldg1用8个角点A1′、B1′、C1′、D1′、A1、B1、C1、D1表示，形成的地面上的阴影区表示为A1B1C1L1A2′A2G1F1E1，形成的屋顶上的阴影区为L1I1H1A2，形成位于墙体上的阴影区为A2′H1G1A2。Bldg2同样被用8个角点A2′、B2′、C2′、D2′、A2、B2、C2、D2表示，其形成的阴影被全部投射在地面，被表示为A2B2C2G2F2E2。以图2模型中的点I1为例。由于同一建筑物上的同一高度上的四个屋顶点投射在同一水平地面上形成的阴影的长度是相同的。因而屋顶点A2’对应的投射的阴影的长度是与A1′点对应的阴影区边界长度是等同的，都可视为Hshadow。若被投射的阴影点位于不同高度的屋顶或不同高度的水平面，则阴影的长度会发生改变，需重新通过太阳高度角α求取如式(3)所示。Hshadow(i)＝HB1d(i)/tan(α)(3)式(3)中，i为建筑物编号。则F1点的地理坐标(XF1,YF1)可根据B1点的地理坐标表示为：上式中，△XB、△YB表示点F1与点B1的横纵坐标之差，△XB＝Hshadow×Cos(β)、△YB＝Hshadow×Sin(β),由于点A1、B1是同一建筑物上的同一高度投射出的阴影点，因而此处的△XB与△X，△YB与△Y大小相同，即可将△XB替换为△X，△YB替换为△Y，都可达到同等的效果。最终可结合程序语言依照式(4)计算确定出每一栋建筑物投射在地面上的阴影区边界。检测结果如图4所示。步骤3，依据步骤1所确定的地面上的阴影区边界，通过空间数据分析确定出被投射在建筑物屋顶上的阴影区边界。如图3所示，依据式(4)可分别确定出建筑物Bldg1、Bldg2、投射在地面上的阴影区边界。阴影点E1、F1、G1、E2、F2、G2的位置信息通过式(4)求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法，其特征包括以下步骤：步骤1，加载数字建筑模型(DBM)文件，收集实时的数据资料，根据数字建筑模型所处地的地理纬度、当日的太阳赤纬以及当时的太阳时角求算出所求时刻的太阳高度角及太阳方位角；步骤2，确定出某一时刻建筑物被太阳光照射而投射在地面上的阴影区边界；步骤3，通过空间数据分析确定出被投射在建筑物屋顶上的阴影区边界；步骤4，确定出被投射在建筑物墙体上的阴影区边界；步骤5，在数字建筑模型中显示出完整的建筑物阴影检测结果。

【技术特征摘要】
1.一种同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法，其特征包括以下步骤：步骤1，加载数字建筑模型(DBM)文件，收集实时的数据资料，根据数字建筑模型所处地的地理纬度、当日的太阳赤纬以及当时的太阳时角求算出所求时刻的太阳高度角及太阳方位角；步骤2，确定出某一时刻建筑物被太阳光照射而投射在地面上的阴影区边界；步骤3，通过空间数据分析确定出被投射在建筑物屋顶上的阴影区边界；步骤4，确定出被投射在建筑物墙体上的阴影区边界；步骤5，在数字建筑模型中显示出完整的建筑物阴影检测结果。2.根据权利要求1所述的同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法，其特征在于：步骤1中，对于求取太阳方位角的具体实施方式如下：通过将地理纬度、当日的太阳赤纬以及的太阳时角带入到对应时刻的太阳高度角的三角公式sin(α)＝sin(m1)sin(m2+)cos(m1)cos(m2)co中s(以t)求取太阳高度角，其中α为任意时刻的太阳高度角、ρ为太阳方位角、m1为当地的地理纬度、m2为当日的太阳赤纬、t为当地的太阳时角，进而通过关系式cos(β)＝(sin(m2)cos(m1)-cos(t)cos(m2)sin(m1))/cos(α)求取太阳方位角。3.根据权利要求1所述的同时检测建筑物屋顶、建筑物墙体及地面阴影的方法，其特征在于：步骤2中，对于求取某一时刻地面上的阴影区边界的具体实施方式如下：当阴影的投射方向无障碍物阻碍时，建筑物的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国清，沙洪俊，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45