基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物點云提取-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基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的建筑物點云提取木曹鴻，李永強，牛路標，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。為了從原始機載點云中

2、有效地提取出城市建模所需要的建筑物點云，在常用機載LiDAR濾波與點云分類思想的基礎(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，實現(xiàn)了高大植被與建筑物點云的有效分離，完成了建筑物點云的提取。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行了客觀分析與評價。關(guān)鍵詞：機栽LiDAR；濾波；建筑物提??；區(qū)域增長中圖分類號：P23文獻標識碼：A機載激光雷達技術(shù)是以飛機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。現(xiàn)今的機載激光雷達系統(tǒng)還裝配了如CCD相機的成像裝置，這樣在數(shù)據(jù)中還包括掃面目標區(qū)域的光譜信息(如航空影像數(shù)據(jù))¨。機載激光雷達技術(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間來計算出傳感器到地面或者目標物之間的距離，并獲取地表及地表建筑物等設(shè)施的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合激光發(fā)射處到目標的距離和GPS、INS的數(shù)據(jù)記錄解算出被掃描目標的空間三維坐標。其具有工作效率高、獲取信息豐富、全天候的特點，是目前繼GPS技術(shù)之后測繪界的又一重大技術(shù)革命。機載激光雷

4、達技術(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今研究的一個熱點，LiDAR技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測繪建模手段有著實時性強、數(shù)據(jù)量豐富、自動化程度高等明顯優(yōu)勢]。利用機載LiDAR數(shù)據(jù)進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機載LiDAR原始數(shù)據(jù)預(yù)處理機載激光雷達系統(tǒng)得到的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括原始激光點云數(shù)據(jù)(激光束的掃描角度、激光發(fā)射點到目

5、標的距離、目標的回波次數(shù)、回波強度等)，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)以及數(shù)碼影像數(shù)據(jù)]。在利用點云數(shù)據(jù)進行地物辨別與提取前需要對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，這包括對影像數(shù)據(jù)進行修正并完成對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，轉(zhuǎn)換坐標系以及匹配航帶等方j(luò)Ic基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41001304)；國家十二五科技支撐項目(2012BAH34B00)；河南理工大學(xué)博士基金資助項目(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。對原始機載LiDAR數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括剔除異常點、轉(zhuǎn)換坐標系、匹配航帶等三個方面的工作：(1)剔除異常激光點云。在航測飛機飛行過程中，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原始點云往往存在異常點，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。(2)轉(zhuǎn)換坐標系。采集的LiDAR點云數(shù)據(jù)與航片的外方位元素所在的

7、坐標系統(tǒng)均為WGS84坐標系，在測區(qū)范圍內(nèi)，通過比較城市局部坐標系與WGS84坐標系中的控制點，采用布爾薩七參數(shù)模型實現(xiàn)平面坐標系的轉(zhuǎn)換，再結(jié)合城市的高精度水準數(shù)據(jù)，完成由WGS84坐標向該城市地方高程坐標系的轉(zhuǎn)換。(3)匹配航帶。要完成機載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點云之間不能很好的匹配，需要通過現(xiàn)有的點云處理軟件對兩者之間進行配準操作。2常用的機載點云濾波原理機載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云，這其中包

8、括地面點、建筑物點、植被點、水域點以及噪聲點等，這些點云處在同一個數(shù)據(jù)層中，濾波即從原始點云中去除建筑物、植被等地物激光腳點，分離出地形表面的激光點。這也是獲取建筑物點云的必要步驟。機載LiDAR點云數(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的回波強度信息的濾波方