基于多元地形特征的机载LiDAR点云抽稀算法研究

发布时间：2020-06-15 03:21

【摘要】：机载LiDAR(Light Detection And Ranging)能够快速获取高精度、高密度的地形信息,是一种高效的地形探测技术。为了在符合精度的条件下提高数据处理效率,减少后期数据处理难度,对机载LiDAR点云数据进行抽稀是非常有必要的。本文提出一种基于多元地形特征的机载LiDAR点云抽稀算法。该算法是针对地面点云,所以在点云抽稀前,应先进行点云滤波。然后,提取地面点的多元地形特征信息,利用主成分分析法构建多元地形特征复杂度模型,以此作为点云取舍的判定指标,实现点云的高精度抽稀。主要研究工作如下:1.研究了刚度参数优化的布料模拟点云滤波。在现有的布料模拟点云滤波算法的基础上,针对调整布料柔软度的刚度参数进行精细化设置。在分区划块的基础上,按照地形类型,选择相匹配的IMRI(Improved Rigidness)值,使模拟的布料与地形特征更加吻合,提高了点云滤波精度。2.实现了机载LiDAR多元地形特征快速提取方法。通过局部地形的二次曲面拟合,建立实测LiDAR地形数据与拟合曲面的几何规则;采用LM(Levenberg-Marquardt)算法迭代参数寻优,获得最优化结果下的地形拟合参数;并以地形拟合模型为基础,实现了六类地形特征信息(局部点密度、高程标准差、坡度、高斯曲率、平均曲率、粗糙度)的快速提取。3.提出了基于多元地形特征的点云抽稀算法。选取高程标准差σH、坡度φ、高斯曲率CG和粗糙度Kr四类地形特征参数作为变量因子,基于主成分分析和多因子理论,构建了多元地形特征复杂度模型T(σH,φ,CG,Kr.),并以获得的r值作为点云抽稀判定指标,实现了点云的高精度抽稀。将本算法抽稀结果与基于坡度的点云抽稀和TerraScan软件中的抽稀结果进行了对比分析,实验结果表明本文算法具有更高的抽稀精度和更强的鲁棒性。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P237
【图文】：

示意图,坐标系,惯导

数据后处理软件逡逑ＬＡＳ、点云等产品逡逑图２．２机载ＬｉＤＡＲ测量系统示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｉｒｂｏｒｎｅ邋ＬｉＤＡＲ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑ＧＮＳＳ／ＩＮＳ组合导航系统为机载ＬｉＤＡＲ提供了高精度的位置和姿态数据，逡逑其中包括：惯性测量单元（Ｉｎｅｒｔｉａｌ邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋Ｕｎｉｔ，ＩＭＵ）提供的载体瞬时姿逡逑态角（ｒ，ｐ，／７）、ＧＮＳＳ提供的精确定位信息（Ｘ，邋７，Ｚ）和秒脉冲时间信息。利用位置逡逑和姿态参数可对激光点云数据进行匹配与融合，从而计算目标点的三维坐标％。逡逑２．１．２机载ＬｉＤＡＲ系统主要技术指标逡逑机载ＬｉＤＡＲ系统的主要技术指标包括激光脉冲发射频率、脉冲波长、测量逡逑精度、扫描天底角范围、扫描速度（线频率）、激光发散角等。表２．１总结了当逡逑Ｍ主流机载ＬｉＤＡＲ测量系统的相关技术指标。逡逑表２．１机载ＬｉＤＡＲ测量系统的相关技术指标统计表逡逑Ｔａｂ．２．１邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ邋ｔａｂｌｅ邋ｏｆ邋ｒｅｌｅｖａｎｔ邋ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｉｎｄｅｘｅｓ邋ｏｆ邋ａｉｒｂｏｒｎｅ邋ＬｉＤＡＲ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑生产Ｊ邋家逦ＴｏｐＥｙｅ逦Ｆｕｇｒｏ逦Ｒｉｅｇｌ逦Ｏｐｔｅｃｈ逦Ｌｅｉｃａ逡逑ＡＬＴＭ逡逑系统型号逦Ｍａｒ

坐标系,惯导

通过平移变换使两坐标系坐标原点重合，然后利用实时采集的姿态数据信息，逡逑完成惯导坐标系的三维坐标到当地水平坐标系的转换。相应的坐标转换过程如逡逑图２．４所示。逡逑Ｒ（ｈ，ｐ，ｒ）逡逑Ｙ逦Sl角Ｐ逡逑Ｖ邋？逦—坐标原点逡逑横滚角逡逑航偏角少ｙ逡逑惯导坐标系＾邋Ｉ当地水平坐标系逡逑ｚ邋Ｚ逡逑图２．４惯导坐标系到当地水平坐标系逡逑Ｆｉｇ．２．４邋Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ＩＮＳ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｔｏ邋ｌｏｃａｌ邋ｌｅｖｅｌ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑惯导坐标系下的三维坐标（，ｙ，，ｚ；）到当地坐标系下的激光点坐标逡逑的转换过程为：逡逑Ｘｊ±ｓ逦Ｘ丨逦ＡＸ０逡逑Ｙｌｌｓ逦＝Ｒ｛ｈ，ｐ，ｒ）逦Ｙ，逦＋邋ＡＹ０逦式（２．３）逡逑－Ｚ／ｘｓ邋＿逦＿＾0＿逡逑其中，Ｊｉ（ｈ，ｐ，ｆ）邋＝邋Ｒｈ．Ｒｐ．Ｒｔ，逡逑ｃｏｓｈ邋一邋ｓｉｎ／７邋０逦ｃｏｓ邋ｐ邋０邋ｓｉｎ邋ｐ逦１０逦０逡逑Ｒｈ邋＝邋ｓｉｎ／７逦ｃｏｓｈ逦０，Ｒｐ邋＝逦０逦１逦０邋，＇邋＝邋０逦ｃｏｓｒ逦－ｓｉｎ厂。逡逑０逦０逦１逦ｓｉｎ邋ｐ逦０逦ｃｏｓ邋ｐ逦０逦ｓｉｎ邋ｒ逦ｃｏｓ邋ｒ逡逑（３）从当地水平坐标系转换到ＷＧＳ８４坐标系逡逑由当地水平坐标转换至ＷＧＳ８４坐标，需要己知ＧＮＳＳ天线相位中心位置逡逑的大地坐标（５N／／），并由大地坐标转换为空间直角坐标（ｘ。，：＾，、）。经过平移逡逑坐标原点

【参考文献】