The aim of this work is to develop research on 3D building modeling. In particular, the research in aerial-based 3D building reconstruction is a topic very developed since 1990. However, it is necessary to pursue the research since the actual approaches for 3D massive building reconstruction (although efficient) still encounter problems in generalization, coherency, accuracy. Besides, the recent developments of street acquisition systems such as Mobile Mapping Systems open new perspectives for improvements in building modeling in the sense that the terrestrial data (very dense and accurate) can be exploited with more performance (in comparison to the aerial investigation) to enrich the building models at facade level (e.g., geometry, texturing).Hence, aerial and terrestrial based building modeling approaches are individually proposed. At aerial level, we describe a direct and featureless approach for simple polyhedral building reconstruction from a set of calibrated aerial images. At terrestrial level, several approaches that essentially describe a 3D urban facade modeling pipeline are proposed, namely, the street point cloud segmentation and classification, the geometric modeling of urban facade and the occlusion-free facade texturing

Les méthodes et les outils de génération automatique ou semi-automatique de modèles 3D urbains se développent rapidement, mais l’évaluation de la qualité de ces modèles et des données spatiales sur lesquelles ils s’appuient n’est que rarement abordée. Notre objectif est de proposer une approche multidimensionnelle standard pour évaluer la qualité des modèles 3D de bâtiments en 1D, 2D et 3D. Deux méthodes sont présentées pour l'évaluation 1D. La première se base sur l’analyse de l’erreur moyenne quadratique en X, Y et Z. La deuxième solution s’appuie sur les instructions parues au Journal Officiel du 30 octobre 2003 et exigeant le respect de classes de précisions. L'approche que nous proposons se penche sur le calcul d'indices de qualité fréquemment rencontrés dans la littérature. L'originalité de notre approche réside dans le fait que les modèles employés en entrée ne se limitent pas au mode raster, mais s'étendent au mode vecteur. Il semble évident que les modèles définis en mode vecteur s'avèrent plus fidèles à la réalité qu'en mode raster. Les indices de qualité 2D et 3D calculés montrent que les modèles 3D de bâtiments extraits à partir des couples d’images stéréoscopiques sont cohérents. Les modèles reconstruits à partir du LiDAR sont moins exacts. En conclusion, cette thèse a abouti à l’élaboration d’une approche d’évaluation multidimensionnelle de bâtiments en 3D. L’approche proposée dans cette thèse est adaptée et opérationnelle pour des modèles vectoriels et rasters de bâtiments 3D simplifiés. / Methods and tools for automatic or semi-automatic generation of 3D city models are developing rapidly, but the quality assessment of these models and spatial data are rarely addressed. A comprehensive evaluation in 3D is not trivial. Our goal is to provide a standard multidimensional approach for assessing the quality of 3D models of buildings in 1D, 2D and 3D. Two methods are applied. The first one is done by computing Root Mean Square Errors (RMSE) based on the deviations between both models (reference and test), in X, Y and Z directions. Second method is performed by applying the French legal text (arrêté sur les classes de précision) that is based on the instructions published in the Official Journal from October 30, 2003. These indices pass through the space discretization in pixels or voxels for measuring the degree of superposition of 2D or 3D objects. The originality of this approach is built on the fact that the models used as input are not only limited to raster format, but also extended to vector format. The results of statistics of the quality indices calculated for assessing the building models show that the 3D building models extracted from stereo-pairs are close from each other. Also, the models reconstructed from LiDAR are less accurate than the models reconstructed from aerial images alone. In conclusion, the quality evaluation of 3D building models has been achieved by applying the proposed multi-dimensional approach. This approach is suitable for simplified 3D building vector models created from aerial images and/or LiDAR datasets.

This diploma thesis focuses on processing and data collecting for the use of creating functional 3D informating model that we call BIM (Building Information Modelling) which is getting more and more attention throughout building industry and it is used by all of the participants in the industry from designers and architects to those who are dealing with building installations. This process is slowly getting into legislations of many countries including Czechia. The thesis is divided into two parts where one of them is describing the Building Information Modeling in general and the other part is describing the work which is behind the colleting good data which is needed when making the 3D documentation in Revit software which is wildly used for designing building constructions. Practical part of the land surveyor´s work is devided here into two parts where one of them is dedicated to collecting data by laser scanning process, GNSS and measuring by total station and levelling machine. Second part focuses on the description of the data processing in order to make 3D model. The example of the output production data is the BIM 3D model of the family house in selected level of detail and besides that we also have the visualization of both interior and exterior and 2D simplified building documentations.

Within this work an approach was developed, which utilises airborne laser scanner data in order to generate 3D building models. These 3D building models may be used for technical and environmental planning. The approach has to follow certain requirements such as working automatically and robust and being flexible in use but still practicable. The approach starts with small point clouds containing one building at the time extracted from laser scanner data set by applying a pre-segmentation scheme. The laser scanner point cloud of each building is analysed separately. A 2.5D-Delaunay triangle mesh structure (TIN) is calculated into the laser scanner point cloud. For each triangle the orientation parameters in space (orientation, slope and perpendicular distance to the barycentre of the laser scanner point cloud) are determined and mapped into a parameter space. As buildings are composed of planar features, primitives, triangles representing these features should group in parameter space. A cluster analysis technique is utilised to find and outline these groups/clusters. The clusters found in parameter space represent plane objects in object space. Grouping adjacent triangles in object space - which represent points in parameter space - enables the interpolation of planes in the ALS points that form the triangles. In each cluster point group a plane in object space is interpolated. All planes derived from the data set are intersected with their appropriate neighbours. From this, a roof topology is established, which describes the shape of the roof. This ensures that each plane has knowledge on its direct adjacent neighbours. Walls are added to the intersected roof planes and the virtual 3D building model is presented in a file written in VRML (Virtual Reality Macro Language). Besides developing the 3D building model reconstruction scheme, this research focuses on the geometric reconstruction and the derivation of attributes of 3D building models. The developed method was tested on different data sets obtained from different laser scanner systems. This study will also show, which potential and limits the developed method has when applied to these different data sets. / In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Methode zur automatischen Rekonstruktion von 3D Gebäudemodellen aus Flugzeuglaserscannerdaten vorgestellt. Diese 3D Gebäudemodelle können in technischer und landschaftsplanerischer Hinsicht genutzt werden. Bezüglich der zu entwickelnden Methode wurden Regelungen und Bedingungen erstellt, die eine voll automatische und robuste Arbeitsweise sowie eine flexible und praktikable Nutzung gewährleisten sollten. Die entwickelte Methode verwendet Punktwolken, welche mittels einer Vorsegmentierung aus dem gesamten Laserscannerdatensatz extrahiert wurden und jeweils nur ein Gebäude beinhalten. Diese Laserscannerdatenpunktwolken werden separat analysiert. Eine 2,5D-Delaunay-Dreiecksvermaschung (TIN) wird in jede Punktwolke gerechnet. Für jedes Dreieck dieser Vermaschung werden die Lageparameter im Raum (Ausrichtung, Neigungsgrad und senkrechter Abstand der Ebene des Dreiecks zum Schwerpunkt der Punktwolke) bestimmt und in einen Parameterraum aufgetragen. Im Parameterraum bilden diejenigen Dreiecke Gruppen, welche sich im Objektraum auf ebenen Flächen befinden. Mit der Annahme, dass sich ein Gebäude aus ebenen Flächen zusammensetzt, dient die Identifizierung von Clustern im Parameterraum der Detektierung dieser Flächen. Um diese Gruppen/Cluster aufzufinden wurde eine Clusteranalysetechnik genutzt. Über die detektierten Cluster können jene Laserscannerpunkte im Objektraum bestimmt werden, die eine Dachfläche formen. In die Laserscannerpunkte der somit gefundenen Dachflächen werden Ebenen interpoliert. Alle abgeleiteten Ebenen gehen in den entwickelten Rekonstruktionsalgorithmus ein, der eine Topologie zwischen den einzelnen Ebenen aufbaut. Anhand dieser Topologie erhalten die Ebenen ?Kenntnis? über ihre jeweiligen Nachbarn und können miteinander verschnitten werden. Der fertigen Dachgestalt werden Wände zugefügt und das komplette 3D Gebäudemodell wird mittels VRML (Virtual Reality Macro Language) visualisiert. Diese Studie bezieht sich neben der Entwicklung eines Schemas zu automatischen Gebäuderekonstruktion auch auf die Ableitung von Attributen der 3D Gebäudemodellen. Die entwickelte Methode wurde an verschiedenen Flugzeuglaserscannerdatensätzen getestet. Es wird gezeigt, welche Potentiale und Grenzen die entwickelte Methode bei der Bearbeitung dieser verschiedenen Laserscannerdatensätze hat.

The thesis deals with the concept of level of detail and its use in 3D GIS. The aim of this work is to design a data structure that will allow continuous rendering of discrete 3D building models with different levels of geometric detail, which were created by generalization method based on mathematical morphology approach. The proposed solution creates links of corresponding geometric primitives of models at different level of detail at first and then reconstructs them using the extrusion method. The data structure created in this way is able to generate and render any model, including intermediate models, which are represented as slices through the data structure across the axis of geometric detail.

L'objectif principal de ce travail est le développement de recherches en modélisation 3D du bâti. En particulier, la recherche en reconstruction 3D de bâtiment est un sujet très développé depuis les années 90. Malgré tout, il paraît nécessaire de poursuivre les recherches dans cet axe étant données que les approches actuelles consacrées à la reconstruction 3D de bâtiment (bien qu'efficaces) rencontrent encore des difficultés en terme de généralisation, de cohérence et de précision. Par ailleurs, les récents développements des systèmes d'acquisitions de rues tel que les systèmes de cartographie mobile ouvrent de nouvelles perspectives d'amélioration de la modélisation des bâtiments dans le sens ou les données terrestres (très précises et résolus) peuvent être exploitées avec davantage de cohérence (en comparaison à l'aérien) pour enrichir les modèles de bâtiments au niveau des façades (la géométrie, la texture).Ainsi, des approches de modélisation aériennes et terrestres sont individuellement proposées. Au niveau aérien, nous décrivons une approche directe et dépourvu d'extraction et d'assemblage de primitives géométriques en vue de la reconstruction 3D de modèles polyédriques simples de bâtiments à partir d'un jeu d'images aériennes calibrées. Au niveau terrestre, plusieurs approches qui décrivent essentiellement un pipeline pour la modélisation 3D des façades urbaines sont proposées; à savoir, la segmentation et classification de nuage de rues urbaines, la modélisation géométrique des façades urbaines et le texturage des façades urbaines comportant des occultations causées par d'autres objets du mobilier urbains / The aim of this work is to develop research on 3D building modeling. In particular, the research in aerial-based 3D building reconstruction is a topic very developed since 1990. However, it is necessary to pursue the research since the actual approaches for 3D massive building reconstruction (although efficient) still encounter problems in generalization, coherency, accuracy. Besides, the recent developments of street acquisition systems such as Mobile Mapping Systems open new perspectives for improvements in building modeling in the sense that the terrestrial data (very dense and accurate) can be exploited with more performance (in comparison to the aerial investigation) to enrich the building models at facade level (e.g., geometry, texturing).Hence, aerial and terrestrial based building modeling approaches are individually proposed. At aerial level, we describe a direct and featureless approach for simple polyhedral building reconstruction from a set of calibrated aerial images. At terrestrial level, several approaches that essentially describe a 3D urban facade modeling pipeline are proposed, namely, the street point cloud segmentation and classification, the geometric modeling of urban facade and the occlusion-free facade texturing

Modélisation 3D réaliste des bâtiments et d'autres objets de planification urbaine est un domaine de recherche actif dans le domaine de la modélisation 3D de la ville, la documentation du patrimoine, tourisme virtuel, la planification urbaine, la conception architecturale et les jeux d'ordinateur. La création de ces modèles, très souvent, nécessite la fusion des données provenant de diverses sources telles que les images optiques et de numérisation de nuages ​​de points laser. Pour imiter de façon aussi réaliste que possible les mises en page, les activités et les fonctionnalités d'un environnement du monde réel, ces modèles doivent atteindre de haute qualité et la précision de photo-réaliste en termes de la texture de surface (par exemple pierre ou de brique des murs) et de la morphologie (par exemple, les fenêtres et les portes) des objets réels. Rendu à base d'images est une alternative pour répondre à ces exigences. Il utilise des photos, prises soit au niveau du sol ou de l'air, à ajouter de la texture au modèle 3D ajoutant ainsi photo-réalisme.Pour revêtement de texture pleine de grandes façades des modèles de blocs 3D, des images qui dépeignent la même façade doivent être correctement combinée et correctement aligné avec le côté du bloc. Les photos doivent être fusionnés de manière appropriée afin que le résultat ne présente pas de discontinuités, de brusques variations de l'éclairage ou des lacunes. Parce que ces images ont été prises, en général, dans différentes conditions de visualisation (angles de vision, des facteurs de zoom, etc.) ils sont sous différentes distorsions de perspective, mise à l'échelle, de luminosité, de contraste et de couleur nuances, ils doivent être corrigés ou ajustés. Ce processus nécessite l'extraction de caractéristiques clés de leur contenu visuel d'images.Le but du travail proposé est de développer des méthodes basées sur la vision par ordinateur et les techniques de reconnaissance des formes, afin d'aider ce processus. En particulier, nous proposons une méthode pour extraire les lignes implicites à partir d'images de mauvaise qualité des bâtiments, y compris les vues de nuit où seules quelques fenêtres éclairées sont visibles, afin de préciser des faisceaux de lignes parallèles 3D et leurs points de fuite correspondants. Puis, sur la base de ces informations, on peut parvenir à une meilleure fusion des images et un meilleur alignement des images aux façades de blocs. / Realistic 3D modeling of buildings and other urban planning objects is an active research area in the field of 3D city modeling, heritage documentation, virtual touring, urban planning, architectural design and computer gaming. The creation of such models, very often, requires merging of data from diverse sources such as optical images and laser scan point clouds. To imitate as realistically as possible the layouts, activities and functionalities of a real-world environment, these models need to attain high photo-realistic quality and accuracy in terms of the surface texture (e.g. stone or brick walls) and morphology (e.g. windows and doors) of the actual objects. Image-based rendering is an alternative for meeting these requirements. It uses photos, taken either from ground level or from the air, to add texture to the 3D model thus adding photo-realism. For full texture covering of large facades of 3D block models, images picturing the same façade need to be properly combined and correctly aligned with the side of the block. The pictures need to be merged appropriately so that the result does not present discontinuities, abrupt variations in lighting or gaps. Because these images were taken, in general, under various viewing conditions (viewing angles, zoom factors etc) they are under different perspective distortions, scaling, brightness, contrast and color shadings, they need to be corrected or adjusted. This process requires the extraction of key features from their visual content of images. The aim of the proposed work is to develop methods based on computer vision and pattern recognition techniques in order to assist this process. In particular, we propose a method for extracting implicit lines from poor quality images of buildings, including night views where only some lit windows are visible, in order to specify bundles of 3D parallel lines and their corresponding vanishing points. Then, based on this information, one can achieve better merging of the images and better alignment of the images to the block façades. Another important application dealt in this thesis is that of 3D modeling. We propose an edge preserving interpolation, based on the mean shift algorithm, that operates jointly on the optical and the elevation data. It succeeds in increasing the resolution of the elevation data (LiDAR) while improving the quality (i.e. straightness) of their edges. At the same time, the color homogeneity of the corresponding imagery is also improved. The reduction of color artifacts in the optical data and the improvement in the spatial resolution of elevation data results in more accurate 3D building models. Finally, in the problem of building detection, the application of the proposed mean shift-based edge preserving smoothing for increasing the quality of aerial/color images improves the performance of binary building vs non-building pixel classification.