基于点云数据的侵蚀沟精细数字高程模型建立与分析
发布时间：2021-01-22 05:12
地表侵蚀冲沟对区域的生态环境和当地居民的生产生活产生了严重影响,但常规数据和监测方法难以满足研究需求。本文以中国内蒙古自治区锡林郭勒盟太仆寺旗淖日沟村南部山坡为研究区,利用三维扫描技术优势,以点云数据为基础建立了高精度数字高程模型,开展了地表侵蚀冲沟的相关研究,主要研究内容和成果如下:研究内容包括:（1）面对多源点云数据配准,本文先进行粗配准,再进行精配准。在粗配准方面,对PFH特征描述算子、FPFH特征描述算子、4PCS算法、人工设置标靶球匹配四种粗配准方式进行了对比分析。在对本文的点云数据配准中,选择了更为适合的标靶球方式,标靶球匹配能够确定两个点云集合的相对位置。在精配准时,采用了ICP算法,实现了数据的精配准。在对合并的数据滤波方面,由于两种不同特点的点云数据只在空间形态上存在一致性,本为采用了更为适合的布料模拟滤波CSF算法,剔除非地面数据,保留地面数据。（2）为了采集到全面的侵蚀冲沟数据,对研究区进行实地考察,设计了数据采集方案,采用了具有不同特点的两种扫描仪。站式扫描仪Riegl VZ-1000适合采集研究区域大范围场景信息,充分表达地表侵蚀冲沟附近区域的地形特征;手持扫...
【文章来源】：河北师范大学河北省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
82多源点云数据处理三维激光扫描技术为构建精细数字高程模型提供了必要的技术支持。了解三维激光扫描技术将有助于我们掌握扫描系统工作原理，了解点云数据特点，为后续点云数据处理，及生成DEM做好良好的前期准备。2.1三维激光扫描技术2.1.1三维激光扫描系统基本原理及优势三维激光扫描系统以光电探测技术手段的主动式新型三维坐标测量仪器，也常被称为激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging）。地面三维激光扫描系统组成部分如图2.1所示：激光扫描仪、计算机以及电源设备。该系统主要由激光扫描系统，仪器内部校准系统，激光测距系统以及CCD数字摄影系统组成[38]。基本工作原理是：扫描仪主动向目标物发射三维激光束，根据发射与接收的时间差，加上水平和垂直方向的步距角值，计算出扫描仪与目标物体之间的距离，得到该点的空间位置信息。并可采集到目标物体对激光的回波强度值，最终将采集到的信息进行记录存储，经过相应处理，可以展现出目标物体的空间位置信息等。图2.1地面三维激光扫描系统[38]激光扫描系统通常使用的是仪器自定义的坐标系，激光三维点云数据点的空间坐标计算公式如2-1：（2-1）x=Scosαcosγy=Scosαsinγz=Ssinα
9其中：S为数据点到扫描镜中心的间距，γ,α分别为水平角和天顶距。常规的DEM数据源有纸质地图数据、遥感数据、测量数据以及现有的DEM数据[39]。三维激光技术在测量方面具有以下几点优势：（1）非接触式测量，即对扫描目标物体无需进行接触，通过主动发射三维激光对物体表面进行点云数据采集。可以应用于采集危险或柔性目标环境，或人员难以企及的情况，保证了工作安全性，弥补了传统测量方式的缺点，发挥了该技术的优点。（2）扩大了测量工作范围，从“点测量”扩大到了“面测量”，大幅扩大数据采集面积。（3）采样点速率快，大幅提高了工作效率；并且采集到的点云数据精度高。（4）三维激光可部分穿过植被，获取地面物体的的激光反射强度信息，其将有利于区分不同的地面物体。（5）三维扫描仪不仅可以采集到目标物体的空间位置信息，其外置数码相机，还可以采集到其色彩信息；结合GPS定位系统，可进一步提高测量数据的准确性。（6）其应用领域广泛，应用领域都有地三维监测、形测绘、现场保护、古建筑保护、文物保护、工厂改造等。2.1.2RieglVZ-1000三维激光扫描系统RieglVZ-1000三维激光扫描仪能够实现全波形数字化分析处理，属于地面型三维激光扫描仪，其结构组成图2.2所示。图2.2RieglVZ-1000三维激光扫描仪[40]该扫描仪很适合采集野外环境数据，对获取野外侵蚀冲沟附近大范围场景数据很适
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPFH特征和NDT算法的树木点云配准[J]. 杨玉泽,孙英伟,林文树. 西北林学院学报. 2019(05)
[2]基于LiDAR数据的布料模拟滤波算法的适用性分析[J]. 张昌赛,刘正军,杨树文,左志权. 激光技术. 2018(03)
[3]我国水土保持在生态文明建设中的实践与思考[J]. 彭珂珊. 首都师范大学学报(自然科学版). 2016(05)
[4]降雨侵蚀力与东北黑土区典型小流域侵蚀沟发育关系研究[J]. 李建伟,顾广贺,王岩松,钟云飞,范昊明. 水土保持应用技术. 2014(05)
[5]我国数字高程模型与数字地形分析研究进展[J]. 汤国安. 地理学报. 2014(09)
[6]地面3维激光技术在水土保持监测中的应用[J]. 刘向东,周杰. 测绘与空间地理信息. 2013(10)
[7]由离散点和特征线构建DEM的优化控制方法[J]. 宋敦江,岳天祥,华凤. 计算机工程. 2012(19)
[8]内蒙古农牧交错区土地利用/覆被变化及土壤侵蚀——以太仆寺旗为例[J]. 郭碧云,王光谦,张正峰. 应用基础与工程科学学报. 2011(S1)
[9]近40a黑土典型区坡沟侵蚀动态变化[J]. 闫业超,张树文,岳书平. 农业工程学报. 2010(02)
[10]数字地形分析的理论、方法与应用[J]. 杨昕,汤国安,刘学军,李发源,祝士杰. 地理学报. 2009(09)
硕士论文
[1]元谋干热河谷土壤类型与侵蚀沟形态关系[D]. 羊秀娟.西华师范大学 2019
[2]黄土高原梯田DEM地形特征研究[D]. 刘芬.西北大学 2015
[3]三维点云数据配准方法研究[D]. 陈阳.天津大学 2014
[4]三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D]. 黄飒.河南理工大学 2012
[5]DEM表面地形突变特征表达方法研究[D]. 罗仪宁.西北大学 2011
[6]数字高程模型在工程中的应用研究[D]. 赵远方.解放军信息工程大学 2007
本文编号：2992624
【文章来源】：河北师范大学河北省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
82多源点云数据处理三维激光扫描技术为构建精细数字高程模型提供了必要的技术支持。了解三维激光扫描技术将有助于我们掌握扫描系统工作原理，了解点云数据特点，为后续点云数据处理，及生成DEM做好良好的前期准备。2.1三维激光扫描技术2.1.1三维激光扫描系统基本原理及优势三维激光扫描系统以光电探测技术手段的主动式新型三维坐标测量仪器，也常被称为激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging）。地面三维激光扫描系统组成部分如图2.1所示：激光扫描仪、计算机以及电源设备。该系统主要由激光扫描系统，仪器内部校准系统，激光测距系统以及CCD数字摄影系统组成[38]。基本工作原理是：扫描仪主动向目标物发射三维激光束，根据发射与接收的时间差，加上水平和垂直方向的步距角值，计算出扫描仪与目标物体之间的距离，得到该点的空间位置信息。并可采集到目标物体对激光的回波强度值，最终将采集到的信息进行记录存储，经过相应处理，可以展现出目标物体的空间位置信息等。图2.1地面三维激光扫描系统[38]激光扫描系统通常使用的是仪器自定义的坐标系，激光三维点云数据点的空间坐标计算公式如2-1：（2-1）x=Scosαcosγy=Scosαsinγz=Ssinα
9其中：S为数据点到扫描镜中心的间距，γ,α分别为水平角和天顶距。常规的DEM数据源有纸质地图数据、遥感数据、测量数据以及现有的DEM数据[39]。三维激光技术在测量方面具有以下几点优势：（1）非接触式测量，即对扫描目标物体无需进行接触，通过主动发射三维激光对物体表面进行点云数据采集。可以应用于采集危险或柔性目标环境，或人员难以企及的情况，保证了工作安全性，弥补了传统测量方式的缺点，发挥了该技术的优点。（2）扩大了测量工作范围，从“点测量”扩大到了“面测量”，大幅扩大数据采集面积。（3）采样点速率快，大幅提高了工作效率；并且采集到的点云数据精度高。（4）三维激光可部分穿过植被，获取地面物体的的激光反射强度信息，其将有利于区分不同的地面物体。（5）三维扫描仪不仅可以采集到目标物体的空间位置信息，其外置数码相机，还可以采集到其色彩信息；结合GPS定位系统，可进一步提高测量数据的准确性。（6）其应用领域广泛，应用领域都有地三维监测、形测绘、现场保护、古建筑保护、文物保护、工厂改造等。2.1.2RieglVZ-1000三维激光扫描系统RieglVZ-1000三维激光扫描仪能够实现全波形数字化分析处理，属于地面型三维激光扫描仪，其结构组成图2.2所示。图2.2RieglVZ-1000三维激光扫描仪[40]该扫描仪很适合采集野外环境数据，对获取野外侵蚀冲沟附近大范围场景数据很适
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPFH特征和NDT算法的树木点云配准[J]. 杨玉泽,孙英伟,林文树. 西北林学院学报. 2019(05)
[2]基于LiDAR数据的布料模拟滤波算法的适用性分析[J]. 张昌赛,刘正军,杨树文,左志权. 激光技术. 2018(03)
[3]我国水土保持在生态文明建设中的实践与思考[J]. 彭珂珊. 首都师范大学学报(自然科学版). 2016(05)
[4]降雨侵蚀力与东北黑土区典型小流域侵蚀沟发育关系研究[J]. 李建伟,顾广贺,王岩松,钟云飞,范昊明. 水土保持应用技术. 2014(05)
[5]我国数字高程模型与数字地形分析研究进展[J]. 汤国安. 地理学报. 2014(09)
[6]地面3维激光技术在水土保持监测中的应用[J]. 刘向东,周杰. 测绘与空间地理信息. 2013(10)
[7]由离散点和特征线构建DEM的优化控制方法[J]. 宋敦江,岳天祥,华凤. 计算机工程. 2012(19)
[8]内蒙古农牧交错区土地利用/覆被变化及土壤侵蚀——以太仆寺旗为例[J]. 郭碧云,王光谦,张正峰. 应用基础与工程科学学报. 2011(S1)
[9]近40a黑土典型区坡沟侵蚀动态变化[J]. 闫业超,张树文,岳书平. 农业工程学报. 2010(02)
[10]数字地形分析的理论、方法与应用[J]. 杨昕,汤国安,刘学军,李发源,祝士杰. 地理学报. 2009(09)
硕士论文
[1]元谋干热河谷土壤类型与侵蚀沟形态关系[D]. 羊秀娟.西华师范大学 2019
[2]黄土高原梯田DEM地形特征研究[D]. 刘芬.西北大学 2015
[3]三维点云数据配准方法研究[D]. 陈阳.天津大学 2014
[4]三维激光扫描技术应用于古建筑测绘及其数据处理研究[D]. 黄飒.河南理工大学 2012
[5]DEM表面地形突变特征表达方法研究[D]. 罗仪宁.西北大学 2011
[6]数字高程模型在工程中的应用研究[D]. 赵远方.解放军信息工程大学 2007
本文编号：2992624
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