Segmentation et modélisation géométriques de façades de bâtiments à partir de relevés laser terrestres

par Hakim Boulaassal

Thèse de doctorat en Topographie-Géomatique

Sous la direction de Pierre Grussenmeyer.

Soutenue en 2010

à Strasbourg .


  • Résumé

    La production de modèles 3D urbains tient une place prépondérante et grandissante dans le domaine de la photogrammétrie et de la vision par ordinateur. Les développements récents apportés aux scanners laser terrestres, tant en termes de rapidité d'acquisition qu'en termes de précision de mesure, laissent envisager de nouvelles problématiques de recherche relatives notamment à la modélisation des façades. Les données issues d'un scanner terrestre sont décrites par un ensemble de points définis dans un système de coordonnées cartésiennes en 3D. Cette thèse propose une approche de segmentation et de modélisation géométriques de façades de bâtiments à partir de relevés laser terrestres. La chaîne de traitements répondant à cet objectif est composée d'une étape de segmentation suivie d'une étape de modélisation. Dans un premier temps, en supposant que les façades soient en général composées majoritairement de surfaces planes, une segmentation automatique procède à la décomposition du nuage de points en un ensemble de segments plans. On entend par « segment plan », un ensemble de points situés dans une zone tampon définie autour du plan. L'approche de segmentation extrait tout d'abord les segments plans à l'aide de l'algorithme RANSAC (RANdom SAmpie Consensus). Comme la réalité n'est pas toujours compatible avec des modèles mathématiques, l'algorithme RANSAC a été optimisé et renforcé par un algorithme de croissance de région de façon à corriger les erreurs apparaissant lorsque des points se trouvent sur le même plan, mais qui décrivent des objets architecturaux différents. Ensuite, à partir des résultats de segmentation, un algorithme de modélisation de façade a été développé. Celui-ci commence par extraire automatiquement les contours en s'appuyant sur le résultat d'une triangulation de Delaunay. Les contours ne sont, en réalité, que des points constituant les lignes caractéristiques esquissant les éléments de la façade. L'algorithme de modélisation s'appuie sur ces résultats pour produire un modèle vectoriel. Pour ce faire, les contours sont décomposés en arêtes droites et en arcs, en se basant sur le critère de colinéarité des points. La modélisation de l'ensemble des arêtes issues de la décomposition est réalisée grâce à l'étude de leurs caractéristiques géométriques, mais aussi de leurs relations de voisinage. À ce stade, on obtient un modèle vectoriel de chaque segment plan et des arêtes des éléments qui composent la façade. Enfin, les résultats issus des algorithmes composant l'ensemble de la chaîne de traitements sont comparés à des données de références pour leur évaluation. Pour accéder à cette comparaison, des indices de qualité sont estimés. Il en ressort que la qualité des résultats dépend bien entendu des caractéristiques de l'objet numérisé et des données laser (degré de complexité des façades, taille des détails architecturaux, densité de points, résolution spatiale). Toutefois, les résultats obtenus sont satisfaisants et confirment la fiabilité de cette approche.

  • Titre traduit

    Geometric segmentation and modelling of building façades from a terrestrial laser data


  • Résumé

    The production of 3D urban models is of high interest in the photogrammetric and computer vision fields. The recent developments made for terrestrial laser scanners, especially in terms of acquisition speed and measurement accuracy, lead to new research topics like for instance the modelling of 3D building facades. Data provided by a terrestrial laser scanner is made of points defined in a 3D Cartesian coordinate system. This thesis proposes a geometric approach for segmentation and modelling of building facades using terrestrial laser scanner data. The processing sequence consists of a segmentation step followed by a modelling step. Firstly, by assuming that façades are mainly composed of planar surfaces, an automatic segmentation proceeds to the decomposition of the point cloud into a set of planar clusters. A Ŗplanar clusterŗ is a set of points located in a buffer zone around the calculated plane. The segmentation algorithm firstly extracts the planar cluster using the RANSAC algorithm (RANdom SAmple Consensus). Since reality is not always adjustable by mathematical models, the RANSAC algorithm has been optimized. So a region growing algorithm has been developed in order to correct errors occurring when points are on the same plane, but describe different architectural objects. Then, based on the segmentation results, a façade modelling algorithm has been developed. It starts with the automatic extraction of façade contours based on the results of a Delaunay triangulation. The contours are composed by points describing the elementsř edges of the facade. Based on these results, the modelling algorithm produces a vector model of the façade. To do this, the contours are decomposed into straight and curved edges, based on the criterion of pointřs collinearity. Then, the modelling of edges is performed based on the study of their geometric characteristics, as well as their topological relationships. At this level, a vector model of each planar cluster and of the edges that describe the façade elements is available. Finally, to assess the results of the algorithms composing the entire processing sequence, they are compared to a reference. For this purpose, quality indices have been used. Obviously, the quality of the results depends on different façade types as well as point cloud characteristics (facade complexity, architectural details, size, point density, spatial resolution, etc. ). The obtained results are satisfactory and confirm the reliability of the proposed approach.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (212 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 9 p.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2010;0481
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