基于机载LiDAR点云的真正射影像生成方法研究

发布时间：2017-04-06 21:04

  本文关键词：基于机载LiDAR点云的真正射影像生成方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：数字正射影像(DOM)是一种基础的地理信息数据,具有丰富的纹理和几何地图属性。由于DOM是基于不包含建筑物、植被等地物信息的数字高程模型(DEM)进行的正射纠正,因而DOM中建筑物倾斜遮挡现象并未得到校正。特别是在建筑物密集的城市地区,建筑物倾斜遮挡现象尤为严重,以至于DOM失去地理参考价值,不足以作为地图使用。真正射影像(TDOM)是在上述背景下提出来的一种更高级的正射影像产品。TDOM是基于数字表面模型(DSM)进行的正射纠正,DSM不仅包含了地形,也包含了建筑物等地物模型,因此TDOM中建筑物被纠正到了正确的位置,并通过遮蔽区域的检测和填补实现被遮挡区域纹理的修复。传统摄影测量方法生成的数字表面模型不但生产周期长、成本高,且精度不高,不能满足真正射纠正过程中遮蔽区域检测的要求；而机载激光雷达系统(LiDAR)能够快速获取测区高精度三维激光点云数据,为DSM的生成提供了优质的数据源。生成真正射影像的关键在于优质数字表面模型的生成和建筑物遮蔽区域的检测。本文的研究目的即为通过机载激光雷达点云数据处理自动获取DSM,并基于DSM对航拍原始影像进行正射纠正和遮蔽区域检测,然后结合相邻影像上的纹理信息填补建筑物遮蔽区域,从而生成真正射影像,主要研究内容包括以下几个方面：1)基于激光雷达点云生成数字高程模型数字表面模型可以看成是数字高程模型和数字建筑物模型(DBM)的组合。对于数字高程模型,提出了一种渐进不规则三角网加密滤波算法,通过点计算点到初始不规则三角网(TIN)的距离判断属于地面的激光点,然后利用新的地面点集重新建立TIN,并再次判断属于地面的激光点,以此迭代直到不再有新点加入地面点为止。该算法解决了城市地区不连续地面点云的提取,并通过地面点云的Delaunay三角剖分,实现了数字高程模型的生成。2)基于激光雷达点云生成数字建筑物模型基于激光雷达点云生成DBM需要分别两步进行：一是将建筑物点云从原始激光点云中分离出来,二是将建筑物点云生成数字建筑物模型。对于建筑物点云的分离,提出了一种基于三维霍夫变换的建筑物屋顶点云提取算法,建筑物屋顶点云近似分布于同一平面内,利用三维霍夫变换可提取三维空间的特征面,属于同一特征面的激光点云即为屋顶点云。对于数字建筑物模型的提取,研究了基于激光点云的不变矩生成数字建筑物模型的方法,从而避免了由点云盲目性和不均匀性引起的数字建筑物模型的“锯齿”现象。3)基于数字表面模型的遮蔽区域检测遮蔽区域检测是生成真正射影像的重要环节,通过对现有遮蔽区域检测方法的探讨和分析,本文提出了一种基于区域约束的z-buffer遮蔽区域算法,将检测区域约束在建筑物相关区域内,从而节省了大量不必要的计算,提高了检测效率。z-buffer算法是基于距离进行遮蔽区域检测的,在一条从摄影中心发出的虚拟光线上,距离镜头最近的地物点遮挡离镜头较远的地面点。4)建筑物遮蔽区域填充本文详细论述了一种基于最小成像角的填充纹理选择方法,采用与遮蔽区域成像角最小的相邻影像上的纹理对遮蔽区域进行修补。将成像角作为用于修补主影像遮蔽区域的副影像质量评价标准,成像角越小,越接近正射,修补效果也最好。基于激光雷达获取的点云和影像数据,运用本文提出的方法进行了真正射影像生成实验,实现了单幅规则建筑物影像的真正射纠正。但是,现实中建筑物样式千差万别,如何提高真正射影像生成方法的普适性仍然需要大量而深入的研究。
【关键词】：激光雷达 真正射影像 遮蔽区域检测 数字表面模型 激光点云
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.52
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究的意义和背景9-10
• 1.2 国内外现状10-11
• 1.3 基于LiDAR点云的真正射影像生成流程11-12
• 1.4 本文研究的主要内容和章节安排12-14
• 第二章 航空摄影测量基础理论和机载激光雷达技术14-31
• 2.1 摄影测量解析基础14-19
• 2.1.1 航空摄影测量常用坐标系14-15
• 2.1.2 内方位元素15-17
• 2.1.3 外方位元素17-18
• 2.1.4 像平面坐标系与物方空间坐标系的转换关系18-19
• 2.2 机载激光雷达系统19-25
• 2.2.1 激光雷达系统组成19-21
• 2.2.2 激光扫描仪21-22
• 2.2.3 GPS定位系统22-24
• 2.2.4 IMU姿态测量技术24-25
• 2.3 激光点云解算25-31
• 2.3.1 机载激光雷达对地定位原理25
• 2.3.2 坐标系统25-27
• 2.3.3 解算激光雷达点云的数学模型27-31
• 第三章 数字表面模型生成31-47
• 3.1 数字表面模型31-32
• 3.2 点云滤波与分类32-38
• 3.2.1 点云滤波32-34
• 3.2.2 渐进不规则三角网加密滤波算法34-35
• 3.2.3 建筑物点云的分类35-36
• 3.2.4 基于霍夫变换的建筑物屋顶点云提取36-38
• 3.3 基于地面点云生成数字高程模型38-40
• 3.3.1 地形的规则三角网格(TIN)38-39
• 3.3.2 地形的规则网格(Grid)39-40
• 3.4 基于建筑物点云生成数字建筑物模型40-43
• 3.4.1 矩形平顶和矩形人字形建筑物模型参数40-41
• 3.4.2 用不变矩方法提取建筑物模型参数41-43
• 3.5 实验43-47
• 3.5.1 实验一：提取地面点云和建筑物屋顶点云44-45
• 3.5.2 实验二：生成数字高程模型45
• 3.5.3 实验三：生成建筑物模型45-46
• 3.5.4 实验四：生成数字表面模型46-47
• 第四章 真正射影像生成47-63
• 4.1 真正射影像47-51
• 4.1.1 传统正射影像与真正射影像47
• 4.1.2 建筑物高差位移47-48
• 4.1.3 真正射纠正基本流程48-49
• 4.1.4 数字微分纠正49-51
• 4.2 基于数字表面模型的遮蔽区域检测51-56
• 4.2.1 建筑物重影现象51-52
• 4.2.2 遮蔽区域检测原理52-53
• 4.2.3 遮蔽区域检测方法53-55
• 4.2.4 基于区域约束的z-buffer算法55-56
• 4.3 遮蔽区域填充56-58
• 4.3.1 影像重叠度56-57
• 4.3.1 遮蔽区域填充方法57-58
• 4.4 实验58-63
• 第五章 总结与展望63-65
• 5.1 总结63-64
• 5.2 进一步工作和展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-69
• 附录69
• A 攻读硕士学位期间发表的论文69
• B 参加学术活动69

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 江万寿;航空影像多视匹配与规则建筑物自动提取方法研究[D];武汉大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 杨鹏;基于机载LiDAR点云数据的建筑物提取与建模研究[D];辽宁工程技术大学;2013年

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本文编号：289653