利用3维点云拓展开源地图OSM获取路面高度信息的方法
发布时间：2021-01-09 02:38
随着计算机技术的不断发展,人们获取空间数据的技术日新月异,三维数字地图是未来重要的发展方向。生成三维数字地图需要基本地图,开放街道地图（Open Street Map,OSM）因其开源免费的特性受到广泛关注。但是道路的高度信息在OSM中非常稀疏,且误差较大,其均方差大于5米。本文利用高精度的机载激光雷达（Light Detection And Ranging,Li DAR）点云（Point Cloud）（均方差约为20厘米）在OSM中生成三维地图,为导航系统等应用提供高精度的高程模型的支持。为了解决机载激光雷达俯视视角采样导致的道路区域被部分遮挡的问题,本文提出了一种基于平面拟合的PHT（Projection and Hough Transform）方法。它可分为室外通道处理,室内通道处理和坡度异常再计算三部分:（1）室外通道处理主要步骤如下:利用正交投影将三维道路投影成直线,投影自动过滤了房屋屋顶、公交车立面等干扰面;使用霍夫变换（Hough Transform,HT）提取道路候选点集合;拟合平面计算高度;（2）室内通道的高度是基于相关联的室外通道的高度并假设投影距离和高度差成正比来...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WGS84坐标系
东南大学硕士学位论文14影坐标系之一。墨卡托投影，是正轴等角圆柱投影，又称等角圆柱投影，圆柱投影的一种，由荷兰地图学家墨卡托（G.Mercator）于1569年创拟，为地图投影方法中影响最大的。假设地球被围在一个中空的圆柱里，其赤道与圆柱相接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅标准纬线为零度（即赤道）的”墨卡托投影”绘制出的世界地图。没有哪一种投影能够像地球仪一样，保持面积、角度、形状、距离、方向不发生变形，所有的地图都只能在保持某种特性的同时放弃其他特性。墨卡托投影保持了等角的特性，保证了对象的形状的不变行，比如正方形的物体投影后不会变为长方形。”等角”保证了方向和相互位置的正确性但同时也带来了严重的面积变形，特别是两极地区。由于墨卡托投影将地球视为旋转椭球体，后有不少变体投影简化计算。比如球面墨卡托投影，它是将地球视为正球体进行投影，这种映射会给Y轴方向带来0.33%的误差。然而，由于本文中每次只考虑部分区域投影（面积约为12002），投影区域较小相对误差较小，可以不考虑投影的误差。并且，x轴和y轴上投影的误差只会带来映射关系的变化，不会影响z轴上预测值的误差。图2-2墨卡托投影示意图2.1.3坐标转换已有的数据OSM和激光雷达点云都是在WGS84坐标系下的，用球面墨卡托投影将其转换到空间直角坐标系中。具体公式如下：x=λλ0(2.1)
东南大学硕士学位论文16图2-3大圆距离的计算示意图2.3点云预处理点云中不可避免存在噪声和离群点，在激光雷达采集过程中，噪声产生的主要因素是物体表面的粗糙度和波纹等反射特性、被测物体的位置、物体颜色和对比度、环境光照条件的变化和测量系统的误差等，这会对后续拟合道路平面产生负面影响。这些不感兴趣的点需要被滤除掉。2.3.1去除离群点离群点指的是远离真实表面的点。离群点在数据集中偏离大部分数据，这些数据的偏离并非由随机因素产生，而是产生于完全不同的机制。异常值通常是由于采集过程中的测量系统误差。去除离群点的最常用方法是基于点与其邻域之间的平均距离的统计分布。假设该平均距离遵循高斯分布，对于点云中的所有点，根据其邻域中的点计算平均距离的统计分布。首先，对于每个点，计算该点与其邻居之间的平均距离。然后，平均所有点的平均距离即可得到全局平均距离，以及该分布的标准差。如果一个点的平均距离偏离全局平均距离标准差的N倍，那么该点可标记为异常值，应该剔除。N是超参数。N的值影响去除异常值的效果。如果N太小，则无法移除大多数异常值。如果N太大，一些正常数据点也可能被删除。在实践中，将N设置为1。结果如图2-4所示，离群点成功被移除。
本文编号：2965809
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
WGS84坐标系
东南大学硕士学位论文14影坐标系之一。墨卡托投影，是正轴等角圆柱投影，又称等角圆柱投影，圆柱投影的一种，由荷兰地图学家墨卡托（G.Mercator）于1569年创拟，为地图投影方法中影响最大的。假设地球被围在一个中空的圆柱里，其赤道与圆柱相接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅标准纬线为零度（即赤道）的”墨卡托投影”绘制出的世界地图。没有哪一种投影能够像地球仪一样，保持面积、角度、形状、距离、方向不发生变形，所有的地图都只能在保持某种特性的同时放弃其他特性。墨卡托投影保持了等角的特性，保证了对象的形状的不变行，比如正方形的物体投影后不会变为长方形。”等角”保证了方向和相互位置的正确性但同时也带来了严重的面积变形，特别是两极地区。由于墨卡托投影将地球视为旋转椭球体，后有不少变体投影简化计算。比如球面墨卡托投影，它是将地球视为正球体进行投影，这种映射会给Y轴方向带来0.33%的误差。然而，由于本文中每次只考虑部分区域投影（面积约为12002），投影区域较小相对误差较小，可以不考虑投影的误差。并且，x轴和y轴上投影的误差只会带来映射关系的变化，不会影响z轴上预测值的误差。图2-2墨卡托投影示意图2.1.3坐标转换已有的数据OSM和激光雷达点云都是在WGS84坐标系下的，用球面墨卡托投影将其转换到空间直角坐标系中。具体公式如下：x=λλ0(2.1)
东南大学硕士学位论文16图2-3大圆距离的计算示意图2.3点云预处理点云中不可避免存在噪声和离群点，在激光雷达采集过程中，噪声产生的主要因素是物体表面的粗糙度和波纹等反射特性、被测物体的位置、物体颜色和对比度、环境光照条件的变化和测量系统的误差等，这会对后续拟合道路平面产生负面影响。这些不感兴趣的点需要被滤除掉。2.3.1去除离群点离群点指的是远离真实表面的点。离群点在数据集中偏离大部分数据，这些数据的偏离并非由随机因素产生，而是产生于完全不同的机制。异常值通常是由于采集过程中的测量系统误差。去除离群点的最常用方法是基于点与其邻域之间的平均距离的统计分布。假设该平均距离遵循高斯分布，对于点云中的所有点，根据其邻域中的点计算平均距离的统计分布。首先，对于每个点，计算该点与其邻居之间的平均距离。然后，平均所有点的平均距离即可得到全局平均距离，以及该分布的标准差。如果一个点的平均距离偏离全局平均距离标准差的N倍，那么该点可标记为异常值，应该剔除。N是超参数。N的值影响去除异常值的效果。如果N太小，则无法移除大多数异常值。如果N太大，一些正常数据点也可能被删除。在实践中，将N设置为1。结果如图2-4所示，离群点成功被移除。
本文编号：2965809
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