基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物點(diǎn)云提取-論文.pdf

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1、第23卷第1期河南城建學(xué)院學(xué)掇Vol_23No．12014年1月JournalofHenanUniversityofUrbanConstructionJan．2014文章編號：1674—7046(2014)01—0059—04基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物點(diǎn)云提取木曹鴻，李永強(qiáng)，牛路標(biāo)，毛杰，閆陽陽(河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南焦作454000)摘要：LiDAR技術(shù)是快速獲取地面及地物三維數(shù)據(jù)的新型測繪技術(shù)，也是近年來進(jìn)行城市三維建模的一種重要手段，而對建筑物的提取是城市三維建模的重要步驟。為了從原始機(jī)載點(diǎn)云中

2、有效地提取出城市建模所需要的建筑物點(diǎn)云，在常用機(jī)載LiDAR濾波與點(diǎn)云分類思想的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合面積與斜率兩特征參數(shù)的區(qū)域增長算法，實(shí)現(xiàn)了高大植被與建筑物點(diǎn)云的有效分離，完成了建筑物點(diǎn)云的提取。通過設(shè)定合理的面積閾值與斜率閾值，結(jié)合具體的數(shù)據(jù)通過該算法獲得了較好的提取效果，最后對提取方法及效果進(jìn)行了客觀分析與評價(jià)。關(guān)鍵詞：機(jī)栽LiDAR；濾波；建筑物提??；區(qū)域增長中圖分類號：P23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是以飛機(jī)為探測平臺的集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)等技術(shù)于一體的主動(dòng)獲取地面地物空

3、間信息的新型測量技術(shù)，該技術(shù)能快速大量地獲取地形地物的空間三維信息?，F(xiàn)今的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)還裝配了如CCD相機(jī)的成像裝置，這樣在數(shù)據(jù)中還包括掃面目標(biāo)區(qū)域的光譜信息(如航空影像數(shù)據(jù))¨。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的原理為：激光器向地面發(fā)射激光脈沖，通過測量脈沖的往返時(shí)間來計(jì)算出傳感器到地面或者目標(biāo)物之間的距離，并獲取地表及地表建筑物等設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合激光發(fā)射處到目標(biāo)的距離和GPS、INS的數(shù)據(jù)記錄解算出被掃描目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。其具有工作效率高、獲取信息豐富、全天候的特點(diǎn)，是目前繼GPS技術(shù)之后測繪界的又一重大技術(shù)革命。機(jī)載激光雷

4、達(dá)技術(shù)起初的目的僅僅是為了獲取地形復(fù)雜或者難以接近測量的地區(qū)的數(shù)字高程模型DEM及測圖成果。隨著信息社會(huì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，“數(shù)字城市”概念的提出與建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生，而其核心任務(wù)對城市建筑物的提取與三維重建一直是當(dāng)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)，LiDAR技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測繪建模手段有著實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量豐富、自動(dòng)化程度高等明顯優(yōu)勢]。利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物的特征提取及三維重建逐漸成為一種重要的手段]。1機(jī)載LiDAR原始數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)得到的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)(激光束的掃描角度、激光發(fā)射點(diǎn)到目

5、標(biāo)的距離、目標(biāo)的回波次數(shù)、回波強(qiáng)度等)，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)以及數(shù)碼影像數(shù)據(jù)]。在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地物辨別與提取前需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，這包括對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并完成對Li．DAR系統(tǒng)設(shè)備與POS傳感器的姿態(tài)參數(shù)的測定與檢校]，剔除異常點(diǎn)，轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系以及匹配航帶等方j(luò)Ic基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001304)；國家十二五科技支撐項(xiàng)目(2012BAH34B00)；河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2009—33)。收稿日期：2013—11—14第一作者簡介：曹鴻(1987一)，男，河南杞縣人，河南理工大學(xué)測

6、繪與國土信息工程學(xué)院碩士研究生。河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)2014年1月面的工作。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是獲得相應(yīng)的空間坐標(biāo)信息和姿態(tài)信息以完成LiDAR數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的大地定向。對原始機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括剔除異常點(diǎn)、轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系、匹配航帶等三個(gè)方面的工作：(1)剔除異常激光點(diǎn)云。在航測飛機(jī)飛行過程中，由于系統(tǒng)電路、鏡面反射等系統(tǒng)自身的影響與外界條件中高空遮擋物的影響，LiDAR原始點(diǎn)云往往存在異常點(diǎn)，該步驟主要是去除高于飛行高度和低于地面高度的異常點(diǎn)。(2)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。采集的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與航片的外方位元素所在的

7、坐標(biāo)系統(tǒng)均為WGS84坐標(biāo)系，在測區(qū)范圍內(nèi)，通過比較城市局部坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系中的控制點(diǎn)，采用布爾薩七參數(shù)模型實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，再結(jié)合城市的高精度水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，完成由WGS84坐標(biāo)向該城市地方高程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。(3)匹配航帶。要完成機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的完全采集，由于飛行角度與掃描角度等問題，飛行航線需要保持大約30％的重疊度，這樣就造成航帶與LiDAR點(diǎn)云之間不能很好的匹配，需要通過現(xiàn)有的點(diǎn)云處理軟件對兩者之間進(jìn)行配準(zhǔn)操作。2常用的機(jī)載點(diǎn)云濾波原理機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到的是大量離散的激光點(diǎn)云，這其中包

8、括地面點(diǎn)、建筑物點(diǎn)、植被點(diǎn)、水域點(diǎn)以及噪聲點(diǎn)等，這些點(diǎn)云處在同一個(gè)數(shù)據(jù)層中，濾波即從原始點(diǎn)云中去除建筑物、植被等地物激光腳點(diǎn)，分離出地形表面的激光點(diǎn)。這也是獲取建筑物點(diǎn)云的必要步驟。機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波方法按其原理大致可分兩類：第一類是基于高程突變的原理；第二類是基于激光點(diǎn)的回波強(qiáng)度信息的濾波方