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基于机载LiDAR数据的建筑物提取和三维重建的研究.rar

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    编号:20180915222316654    类型:共享资源    大小:6.24MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 机载 LiDAR 数据 建筑物 提取 三维重建 研究
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    山东科技大学本科毕业设计(论文)I摘要激光雷达测距系统(LiDAR---Light Detection and Ranging)是一种集激光测距技术,全球定位系统,惯性导航系统于一身的新兴测量技术。LiDAR主要分为机载激光雷达和地面激光雷达两种类型,其中机载LiDAR是一种安装在飞机上的主动式对地探测系统,具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点,是实现三维城市建模的一项重要手段。本文以机载激光雷达系统获取的城市点云数据为研究对象,从以下方面得到了研究成果:1).对机载 LiDAR系统的组成和工作原理进行了简单总结,详细介绍了机载激光雷达技术在国内外的发展历程,并指出了这一新兴技术目前所面对的主要问题和困难。2).介绍了 LiDAR点云数据的特点和处理方法;总结了目前常见的点云数据滤波处理算法,并在此基础上,使用了临近点坡度变化的过滤算法,此方法是通过计算目标点周围点的密度和与周围点的坡度变化,分析目标点的变化规律,提取并过滤非地面点,从而最终获得 DEM等地面信息的方法。3).基于前面的研究内容,使用了一种的建筑物三维重建的方法。以2D Hough提取出的建筑物轮廓线为基础,再利用平面拟合方法获得建筑物点云,通过 RANSAC算法完成建筑物屋顶点云的提取,最后将数据拟合封闭完成建筑物的三维重建工作。山东科技大学本科毕业设计(论文)II本文以成都市区的点云数据作为实验数据,用本文所涉及的方法和流程进行验证。实验表明,利用本文所设计的提取和重建方法,可以以较高精度完成建筑物的提取和重建。关键词:机载激光雷达,点云数据滤波,轮廓线提取,屋顶片面分割,建筑物重建山东科技大学本科毕业设计(论文)IIIAbstractLight Detection and Ranging is one of the new measurement technology setting of laser ranging technology, global positioning system (GPS) and inertial navigation system (INS).Compared to traditional photogrammetry method, it can quickly get huge amounts of spatial information accurately, provides a new technical means to obtain high space-time resolution earth space information.LiDAR is mainly divided into two types of airborne laser radar and the ground laser radar, and airborne LiDAR is a kind of installation on the plane of active detection system, with a high degree of automation, little affected by the weather data, short production cycle, high precision, etc, is to realize the 3D city modeling is an important means. This paper focuses on the data of the urban points cloud obtained by airborne laser radar system, and focuses on the following aspects:1). Composition of the airborne LiDAR system has carried on the simple summary, detailed introduces the airborne laser radar technology in the development of both at home and abroad, and points out that emerging technologies is now facing the main problems and difficulties.2). Introduces the characteristics and treatment of LiDAR points cloud data. Summary of the current common point cloud data filtering processing algorithms, and on this basis, this paper proposes a filtering algorithm based on adjacent point elevation difference, this method is by calculating target points around the density and height parameters, analysis of the target, the change rule of extract and filter the point on the ground, and eventually get DEM method such as ground information. 山东科技大学本科毕业设计(论文)IV3). Introduces the classic convex shell algorithm, and then improves it on the basis of this algorithm to obtain the rule contour line of the building.4). Based on the previous research, proposing a new method of 3d reconstruction of building. On the basis of buildings to extract the contour line, recycling point cloud plane fitting method for building, done in by Hough algorithm building roof extraction of point cloud, finally the data fitting close to complete the structure of the three-dimensional reconstruction.This paper based on the data of point cloud in downtown Chengdu, used as the experimental data, and the methods and processes involved in this paper are verified. The experiment shows that the method of extracting and rebuilding can be accomplished by using the method of extraction and reconstruction. Keyword: LiDAR, point cloud data filtering, contour line extraction, partition of roof, building reconstruction山东科技大学本科毕业设计(论文)目录1. 绪论-------------------------------------------------11.1研究背景与意义---------------------------------------------11.2课题研究现状-----------------------------------------------31.3操作平台介绍-----------------------------------------------61.4本文研究内容-----------------------------------------------72. 激光雷达相关介绍-------------------------------------92.1LiDAR系统的组成与发展--------------------------------------92.2机载 LiDAR系统的工作原理----------------------------------122.3LiDAR技术与传统摄影测量的差别-----------------------------132.4激光雷达点云数据特点--------------------------------------143. 滤波处理算法----------------------------------------173.1滤波处理目的与原理----------------------------------------173.2常见的滤波处理算法----------------------------------------183.3实验结果--------------------------------------------------264. 建筑物提取与三维重建--------------------------------304.1建筑物线性特征提取----------------------------------------304.2建筑物屋顶面片分析----------------------------------------344.3实验结果--------------------------------------------------365. 结论与展望------------------------------------------41参考文献----------------------------------------------43山东科技大学本科毕业设计(论文)11.绪论1.1研究背景与意义进入二十世纪下半叶之后,地球科学进入了一个新的阶段。1998年 1月,艾伯特戈尔提出了“数字地球”的概念,标志着地球科学研究正式步入信息化时代,各种新兴技术逐渐发展起来。其中,三维城市逐渐成为当前地理研究的热点。而建筑物是组成城市的重要部分,如何提取出城市建筑的三维信息并构建相应的三维模型已经成为三维城市建设的重要步骤。图 1.1数字三维城市通过各种测绘技术进行地理数据量测,一直是获取地球空间信息的重要手段。在对城市建筑物三维信息获取过程中,传统的测量手段测量数据缓慢,获取数据周期长;而且传统手段量测步骤复杂,容易出现人为误差。故而需要一种能快速获取海量地理空间数据的技术手段山东科技大学本科毕业设计(论文)2进行大范围的地理数据获取。而机载激光雷达技术正好满足了这一条件,从而成为了获取大量地理数据的常用手段之一。建筑物和道路大约占人工地物的八成上下,而且,建筑物具有稳定的结构、位置特征,因此对它的准确识别和精确定位有助于其他领域工作的开展,例如图像的特征匹配、地形图的制作、城市规划图的绘制、灾害损失估算、数字化城市以及军事侦察等领域。因此,作为地物类别中最主要的内容,建筑物的自动识别和提取技术成为了这些应用领域的研究重点。因其快速、直接、精确的获取地物三维信息的特征,基于激光雷达数据提取建筑物的研究己成为一种新的研究趋势 [1]。激光雷达测量系统(LiDAR,Light Detection and Ranging)是上世纪下半叶开始发展的一项新兴测绘技术,它集激光测距技术,全球定位系统(GPS---Global Positioning System),惯性导航系统(INS---Inertial Navigation Systerm)于一身,能快速获得海量的地理空间信息并进行城市三维建模。从普遍的人工单点变为连续自动数据获取,在多等级三维空间信息的实时获取方面有了重大突破,能够快速获取高精度、高密度地形信息数据,提高了观测效率,使更智能地获取和处理原始数据更容易实现 [2]。机载激光雷达在获取目标地物三维空间地理坐标的同时,能够获得地表物体的垂直结构形态,同时配合上系统配备的高分辨率数码相机获取的地面相片更增强了对地面目标地物的分析和判别能力。与摄影测量技术相比,激光脉冲为主动遥感方式,对天气的依赖性较小,不受阴影和太阳角度的限制,避免了投影带来的信息损失,高程精度优势明显,提高了自动化程度,山东科技大学本科毕业设计(论文)3大大缩短了成图周期,可快速完成数字高程模型及数字正射影像图的大规模生产任务 [6]。目前,机载 LiDAR数据处理还处于起步阶段,尤其在模型重建方面,自动化程度较低,严重制约了其在数字城市中的应用。因此,研究基于机载 LiDAR点云数据进行建筑物提取和自动重建算法是非常必要的,可以提高数字城市三维重建效率,促进数字城市的发展 [3]。 1.2课题研究现状1.2.1 国外研究现状LiDAR---Lighting Detection and Ranging,即激光雷达,是二十世纪新兴的第一种测量手段。算着科技的发展进步,激光雷达探测在测绘科学中的地位越来越重要。上世纪 70年代,激光雷达测高技术就应用于美国阿波罗登月计划中,实现月球表面的高程测量,主要应用于激光测月和卫星激光测距。上世纪 80年代,LiDAR 技术迅速发展,80 年代中期,专家学者就开始研究机载激光雷达地形测量,NASA 研制了机载地形测量仪等多种LiDAR系统,同时将其应用于大气海洋的探测,1988 年,德国的斯图加特大学开始分析研究基于地形断面测量的机载 LiDAR系统,加拿大的卡尔加里大学设计了结合激光扫描仪、GPS、IMU 和数据通讯设备等于一体的机载 LiDAR系统,荷兰利用离散的点云数据获取地球真实表面的各种地形属性信息,Delft 技术大学获得高效自动辨别及归类建筑物、植被等和半自动化提取道路信息等显著成效 [2]。山东科技大学本科毕业设计(论文)4目前,约有 75个商业组织使用 60多种类似的系统,例如 TopScan, Optech,TopEye, Saab, Fli-map, TopoSys, HawkEye等系统。能够提供机载激光雷达测量设备的仪器生产厂商有瑞士的徕卡公司、加拿大的 Optech公司、奥地利的 Rigel公司等等。美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量开发了低空机载系统,使用机载激光测距设备、全球定位系统(GPS)、陀螺稳定平台等设备,飞行高度 500-600m,直接进行测距与定位,最终得到浅海地形(或 DEM)。比较典型的是美军现用的一种独具特色的激光雷达水下地形测量系统(scanning hydrographic operational airborne lidar survey,SHOALS),它采用激光雷达技术实施远距离量测浅海深度并测绘海岸带的地形,监测海岸侵蚀等 [4]。1.2.2 国内研究现状与国外相比,我国 LiDAR技术研究开展的相对较晚,研究基础比较薄弱,但发展速度迅速,尤其是进入二十一世纪以来。主要表现在:中国科学院遥感应用研究所和上海技术物理研究所于 1996年合作完成机载激光扫描测距一成像系统原理样机的研制,通过将激光测距仪与多光谱扫描成像装置结合起来,可以直接采集地学编码影像;武汉大学李清泉教授等开发研制了地面激光扫描测量系统,主要用于堆积测量;华中科技大学在“八五”期间成功地研制出了我国第一套机载激光海洋探测试验系统;中国科学院上海光机所研制了我国新一代机载激光测深系统,目标最大测深能力_50 米;海军海洋测绘研究所与上海光机所也于 2004年合作研制机载激光测深系统的原理样机 [5]。山东科技大学本科毕业设计(论文)5机载激光雷达目前主要用于快速获取大面积三维地形数据、快速生成 DEM等数字产品,将 LIDAR技术应用于快速生成城市地区的数字地面模型进行地物提取,并进一步建立其城市地区的三维空间模型是目前的一个研究热点所在。城市建筑物的自动提取一直是摄影测量与计算机视觉领域的研究重点问题,传统的建筑物提取和重建主要利用摄影测量学技术,从立体像对中提取建筑物的属性信息从而建立起建筑物的三维模型。随着计算机技术的不断进步和多元传感器的研制成功,当前的数据获取呈现出多元化和智能化。在获取的 LIDAR点云中包含着丰富的自然和人工地物信息,主要包括植被、建筑物、道路、绿地等地物信息,但由于地物的复杂性,如何从众多的激光点云中提取出我们所需要的建筑物信息一直是国内外研究的热点。利用机载激光雷达提取建筑物模型可以分为两个步骤:建筑物检测和建筑物模型生成。建筑物轮廓线是城市制图和建立三维建筑模型的基础,基于 LIDAR数据提取建筑轮廓线是当前 LIDAR数据处理的一大热点和难点。目前基于 LIDAR数据提取建筑物一般方法是将 LIDAR点云数据先栅格化为深度影像 DSM,进一步求得规则化的 nDSM,再利用图像的分割算法及边界线提取算法等图像分析手段实现轮廓线提取。美国普顿大学 Alhartthy等人设计了通过渐进滤波方法进行建筑物三维信息的提取;荷兰 Delft大学 Vosselman等人利用 3D Hough变换获取建筑物平面片,以实现建筑物三维重建的目的。Wang 和 Schenk 02000)提出了一种基于边缘检测和丁 IN结构的建筑物提取与三维重建算法,该算法首先通过边缘检测来获取每一个建筑物区域,然后对每一个建筑物内的数据点进行三角组网,把三角网格按建筑物平面进
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