建筑物几何约束的点云矢量化CAD总图图层自动生成方法

本发明涉及建筑物室内测量，涉及但不限定于建筑物几何约束的点云矢量化cad总图图层自动生成方法。

背景技术：

1、在缺乏原始设计图纸的情况下开展cad总平面图绘制，在既有建筑测绘、不动产测量及室内空间重建等领域具有实际应用需求。长期以来，此类任务主要依赖人工判读与手工绘制，不仅效率低，而且对操作人员的经验依赖性强，成果一致性难以保证。近年来，随着点云处理与图形识别技术的发展，出现了一些自动或半自动的几何提取方法，例如基于特征点捕捉与边界跟踪的技术路径，虽然在一定程度上提高了作业效率，但其生成结果往往存在边界不规整的问题，表现为墙体线条偏离正交关系、房间轮廓不满足横平竖直的制图规范。

2、然而，上述问题直接影响到空间拓扑关系的表达与几何精度，尤其在面积计算与不动产登记等应用场景中，误差容易被进一步放大，从而降低成果的可靠性与工程适用性。因此，如何在保证自动化程度的同时，引入几何约束与结构规则，实现符合制图规范且具备高精度的cad总平面图自动生成，已成为当前相关研究与工程实践中亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供建筑物几何约束的点云矢量化cad总图图层自动生成方法，旨在克服现有技术的缺陷，针对现有点云矢量化与cad总平面图生成过程中自动化程度不足、几何表达不规范的问题。

2、本发明实施例的技术方案具体如下：

3、本发明实施例提供建筑物几何约束的点云矢量化cad总图图层自动生成方法，包括：

4、获取建筑物内部结构的原始点云数据并进行预处理，得到目标点云数据；

5、对所述目标点云数据进行结构化分割，得到若干个点云簇；确定各点云簇的法向量；并依据所述法向量与重力方向的夹角特征，识别出墙体点云簇；

6、采用基于主成分分析pca的极值点提取算法对各墙体点云簇进行面片边缘提取，得到墙体边界线段集合，并计算各线段的单位方向向量；将全部线段的单位方向向量聚类为两个类别，分别对每一类别内各线段的方向进行主方向估计，得到两个初始主方向；

7、基于建筑物正交几何约束，将各线段的方向角作为观测值，通过带正交约束的间接平差对所述两个初始主方向进行校正，得到两个相互正交的全局主方向；以所述全局主方向为坐标轴建立局部轴对齐坐标系，将所述墙体边界线段集合变换至所述局部轴对齐坐标系下，以所述全局主方向作为方向约束，结合空间邻近性分析，对零散、不连续的墙体边界线段进行补全与合并；

8、将补全后的墙体边界线段集合逆旋转回原始坐标系，输出为cad可加载的建筑物内部墙体结构图。

9、在一些实施例中，重力方向与坐标系z轴平行；所述并依据所述法向量与重力方向的夹角特征，识别出墙体点云簇，包括：

10、通过如下公式计算点云簇的法向量与重力方向向量的夹角：

11、

12、其中，为点云簇的法向量与重力方向向量的夹角；为重力方向向量；为点云簇归一化后的单位法向量；为重力方向向量的模长；为反余弦函数；

13、将所述夹角大于预设角度的点云簇识别为墙体点云簇并保留，将所述夹角小于或等于所述预设角度的点云簇作为水平面点云簇剔除。

14、在一些实施例中，所述采用基于主成分分析pca的极值点提取算法对各墙体点云簇进行面片边缘提取，得到墙体边界线段集合，并计算各线段的单位方向向量，包括：

15、计算所述墙体点云簇的质心坐标，并构建所述墙体点云簇的协方差矩阵；

16、对所述协方差矩阵进行特征分解，将最大特征值对应的特征向量作为所述墙体点云簇的主延展方向；

17、将所述墙体点云簇中各点投影至所述主延展方向，提取投影最大值和投影最小值各自对应的点，作为墙体面片的边界端点，生成所述墙体点云簇对应的边界线段，汇总所有墙体的边界线段得到墙体边界线段集合；

18、将所述墙体边界线段集合投影至xoy水平面，根据投影后的二维线段端点计算方向向量，并对方向向量进行归一化处理，得到各线段对应的单位方向向量。

19、在一些实施例中，所述基于建筑物正交几何约束，将各线段的方向角作为观测值，通过带正交约束的间接平差对所述两个初始主方向进行校正，得到两个相互正交的全局主方向，包括：

20、构建带正交约束的间接平差：将所述两个初始主方向作为待估参数，并在间接平差过程中引入限制条件：以各线段的方向角作为观测值、以反线段长度加权为权重、设定主方向估计和正交约束，构建目标函数；求解目标函数的最小值对应的主方向角，得到两个相互正交的全局主方向；

21、其中，所述观测值的计算公式为：

22、

23、其中，为第条线段的方向角；为第条线段的起点坐标；为第条线段的终点坐标；为反正切函数；

24、所述权重的计算公式为：

25、

26、其中，为第条线段的权重；为第条线段的长度；

27、所述主方向估计为：

28、

29、其中，为估计的第一组主方向角；为第条线段的方向角；为第条线段的权重；

30、所述正交约束为：

31、

32、其中，为估计的第二组主方向角；为估计的第一组主方向角；为正交角度约束；

33、所述目标函数为：

34、

35、其中，为最小算子，表示被分类为属于第一主方向的线段索引集合；表示被分类为属于第二主方向的线段索引集合；为第条线段的权重；为第条线段的权重；为第条线段的方向角；为第条线段的方向角；为估计的第一组主方向角；为估计的第二组主方向角。

36、在一些实施例中，所述以所述全局主方向作为方向约束，结合空间邻近性分析，对零散、不连续的墙体边界线段进行补全与合并，包括：

37、在所述局部轴对齐坐标系下，将各墙体边界线段按其方向与所述全局主方向的偏差进行分类，划分为水平线段与竖直线段；

38、将水平线段的纵坐标吸附至同一水平带，将竖直线段的横坐标吸附至同一竖直带；按坐标带分组后，对同一组内沿主方向投影区间相互重叠或间隙小于预设的间隙阈值的线段进行合并，得到连续线段；

39、对所述水平线段与竖直线段进行两两正交交点检测，计算每对线段的理论交点；若线段的端点与对应理论交点的距离小于预设的延长阈值，则将端点延长并吸附至所述理论交点的位置，形成墙体交接的拓扑节点；

40、对所有线段的端点进行空间聚类，将相互距离小于预设的延长阈值的端点统一为同一拓扑节点；

41、基于处理后的线段与拓扑节点构建拓扑结构图，检测未闭合的房间边界缺口，对缺口两端点间距小于预设的房间闭合阈值的断裂边界补充连接线段，生成闭合的房间轮廓。

42、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

43、在本发明实施例中，充分利用点云数据的空间几何特征，引入建筑物结构约束关系，实现对建筑轮廓与内部空间的规范化表达与自动建模，在保证方法通用性的同时，有效提升了图层生成结果的规则性、精度与工程适用性。通过对点云数据进行自动分割、结构识别与边界提取，实现建筑物内部结构的自动矢量化表达，减少人工干预，提高数据处理效率。将附有限制条件的间接平差引入点云建筑物墙体主方向识别，通过逆线段长度加权与正交约束联合优化，实现墙体方向的全局最优估计，解决了现有方法依赖启发式规则、缺乏全局最优性的问题。利用法向量分析及正交、平行等结构约束关系，对墙体方向进行统一优化，使生成的cad图形满足制图规范，同时结合pca主方向分析提高边界提取精度。通过方向聚类与空间拓扑分析，实现墙体边界的自动补全与优化，并输出cad兼容格式成果，可直接应用于既有建筑测绘、不动产测量及室内建模等工程场景。