lidar數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其濾波分類方法

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第08卷2008矩第01期01月中國(guó)水運(yùn)OhnaWaterTransportV01．8No．01January2008LIDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其濾波分類方法熊娜程新文摘要：從數(shù)據(jù)內(nèi)容、種類、分布形式及其優(yōu)劣勢(shì)等幾方面對(duì)LIDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)幾種常用的LIDAR數(shù)據(jù)濾波分類方法進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述對(duì)比與展望。關(guān)鍵詞：LIDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)濾波分類中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-7973(2008)01—0151—02機(jī)載激光雷達(dá)(L遠(yuǎn)htDetectionAndRanging，LIDAR)是將激光用于

2、回波測(cè)距和定向，并通過(guò)位置、徑向速度及物體反射特性等信息來(lái)識(shí)別目標(biāo)。它體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接收和信號(hào)處理技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，包括飛行平臺(tái)、激光掃描儀(LaserScanner)、定位與慣性測(cè)量單元以及控制單元。其中機(jī)載激光雷達(dá)的飛行平臺(tái)可以是固定翼飛機(jī)或者直升飛機(jī)，而定位與慣性測(cè)量單元?jiǎng)t由差分GPS(GlobalPositioningSystem)以及INS(InertialNavigationSystem)組成，控制單元?jiǎng)t由同步、記錄和控制3個(gè)部分組成?？刂茊卧菣C(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中非常重要的一部分，其

3、核心是保持系統(tǒng)同步。一、LIDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)，從嚴(yán)格意義上講，包括位置、方位／角度、距離、時(shí)間、強(qiáng)度等飛行過(guò)程中系統(tǒng)得到的各種數(shù)據(jù)。而實(shí)際應(yīng)用中，人們接觸和使用的是與具體時(shí)間及發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度等。1．激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的主要特點(diǎn)第一，從內(nèi)容上講，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)是分布于對(duì)象表面的一系列三維點(diǎn)坐標(biāo)。值得注意的是，多次回波數(shù)據(jù)得到的點(diǎn)坐標(biāo)可能對(duì)應(yīng)著不同的表面，這種特性在某些場(chǎng)合可以發(fā)揮重要作用。例如，在匹配中，使用末次回波信號(hào)可以避免植被或其它具有不規(guī)則形狀的物體在相鄰掃描帶上具有不同高度，會(huì)造成匹配過(guò)

4、程中不可預(yù)測(cè)的粗差的問(wèn)題。第二，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在形式上呈離散分布。“離散”是指數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置、間隔等在三維空問(wèn)中的不規(guī)則分布，與數(shù)字影像像元問(wèn)彼此獨(dú)立的概念有所不同。地表形態(tài)的多樣性和數(shù)據(jù)獲取方式是這一特點(diǎn)的主要成因。離散數(shù)據(jù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許相同平面坐標(biāo)對(duì)應(yīng)幾個(gè)高程值，這更有利于表現(xiàn)細(xì)節(jié)信息和變化劇烈的地形／地物。另一方面，這種形式也有自身的不足，如同名點(diǎn)難以選取。第三，數(shù)據(jù)形式的另一個(gè)特點(diǎn)是掃描帶中數(shù)據(jù)分布不均勻——不同位置的光斑密度不同，造成這種情況的主要原因收稿日期：2007—10—31作者簡(jiǎn)介：熊娜中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院(43

5、0074)程新文中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院(430074)是激光掃描儀所采用的掃描方式。不考慮地形起伏的影響，在圓錐掃描方式中，掃描帶兩側(cè)數(shù)據(jù)密度大，中間部分稀；線掃描方式的情況類似；在光纖掃描方式中，掃描線方向上的光斑密度大于垂直掃描線上方向的。其它原因還包括飛行速度、掃描儀與地形／地物的相對(duì)位置／方向等。例如，對(duì)建筑物的傾斜屋頂而言，朝向掃描儀方向的屋頂會(huì)反射更多的信號(hào)，在數(shù)據(jù)集中時(shí)就表現(xiàn)為兩個(gè)屋頂平面上數(shù)據(jù)密度存在差異。第四，盡管直接獲取點(diǎn)三維坐標(biāo)是激光雷達(dá)最顯著的特點(diǎn)之一，但其數(shù)據(jù)類型并不局限于此。強(qiáng)度信號(hào)是另一個(gè)有用的信息源

6、，它反映了地表物體對(duì)激光信號(hào)的響應(yīng)。由于一些技術(shù)上的原因(如缺乏有效的定標(biāo)手段)，還沒(méi)有得到多少實(shí)際應(yīng)用。2．離散三維分布數(shù)據(jù)帶來(lái)的一些問(wèn)題(1)缺少光譜信息：激光雷達(dá)直接獲得點(diǎn)位三維坐標(biāo)的功能提供了二維數(shù)據(jù)缺乏的高度信息，卻忽略了反應(yīng)對(duì)象特征的其它信息，如光譜信息。盡管在提取空間位置信息上，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)有其自身的優(yōu)勢(shì)，但圖像數(shù)據(jù)包含光譜信息對(duì)認(rèn)識(shí)物體也具有重要的作用。這也是不少應(yīng)用研究將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與其它光學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合使用的原因之一。(2)覆蓋面積較小：受激光雷達(dá)技術(shù)數(shù)據(jù)獲取方式和硬件條件所限，機(jī)載激光雷達(dá)的掃描帶覆蓋面積較小。

7、在飛行高度、速度、時(shí)間、航帶問(wèn)重疊度相同的條件下，航攝像機(jī)(75。視場(chǎng))覆蓋面積是激光掃描儀(30。掃描寬度)的2．9倍。這意味著為獲得相同的覆蓋面積，需要對(duì)更多的掃描條帶進(jìn)行拼接等處理。(3)同名點(diǎn)獲取困難：同名點(diǎn)在攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)的諸多應(yīng)用中扮演著重要的角色。盡管激光雷達(dá)技術(shù)直接獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從理論上講不需要進(jìn)行匹配、糾正等處理，但由于GPS／INS儀器誤差或集成的問(wèn)題，相鄰掃描帶間的點(diǎn)在高程和平面位置一般存在著一些差異，必須經(jīng)過(guò)必要處理才能獲得整個(gè)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)。此外，對(duì)離散的數(shù)據(jù)形式還需要開發(fā)新的處理方法。以匹配

8、為例，從激光雷達(dá)工作方式和數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析，在相萬(wàn)方數(shù)據(jù)152中國(guó)水運(yùn)第08卷鄰掃描帶中獲得同名點(diǎn)的可能性很小，這也得到實(shí)際結(jié)果的證明。如何獲得同名點(diǎn)就成為一個(gè)擺在人們面前的新問(wèn)題。(4)存在數(shù)據(jù)縫隙：由于遮擋、物體特性等因素?cái)\據(jù)集中往往會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有數(shù)據(jù)的部分(縫隙)