一種面向復(fù)雜地形機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向復(fù)雜地形機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的 地面點(diǎn)提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)載激光雷達(dá)（Airborne Light Detection And Ranging, LiDAR)是一種快速發(fā)展 的地形測(cè)繪技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)的工作原理是根據(jù)脈沖從發(fā)射到接收地表反射回的脈沖信 號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算激光出射點(diǎn)到地表的距離，然后利用GPS (Global Position System, 全球定位系統(tǒng)）提供的發(fā)射點(diǎn)的三維空間信息以及姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)獲得的飛行平臺(tái)的姿態(tài)信 息來(lái)確定地表反射點(diǎn)的坐標(biāo)。該技術(shù)在一些使用傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法進(jìn)行地形測(cè)繪比較困難 的地區(qū)，如植被覆蓋區(qū)、海岸帶、島礁地區(qū)等等，發(fā)揮著不可替代的作用。
[0003] 提取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的地面點(diǎn)是指從機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中將地面點(diǎn)與非地 面點(diǎn)分離開(kāi)，它是提取數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM)的核心技術(shù)。目 前常見(jiàn)的地面點(diǎn)提取方法，如基于形態(tài)學(xué)的算法、基于線性預(yù)測(cè)的算法、基于坡度的算法 等，主要是用于解決較平坦城區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)提取問(wèn)題，而專門(mén)針對(duì)復(fù)雜地 形，如地形起伏較大地區(qū)的地面點(diǎn)提取問(wèn)題的算法相對(duì)較少。國(guó)際攝影測(cè)量與遙感協(xié)會(huì) (International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS)特別指出現(xiàn) 有的地面點(diǎn)提取算法在地形起伏、陡坡陡坎多，同時(shí)分布有植被的區(qū)域，存在較大的分類誤 差，因此本發(fā)明提出的面向復(fù)雜地形機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)提取方法具有較強(qiáng)的應(yīng)用 價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有地面點(diǎn)提取算法在處理復(fù)雜地形機(jī)載激光 雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)存在較大誤差的問(wèn)題，提供了一種面向復(fù)雜地形機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)提 取方法，以達(dá)到提高復(fù)雜地形區(qū)域的地面點(diǎn)提取精度的目的。
[0005] 實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明之一種面向復(fù)雜地形機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的地面點(diǎn)提取方 法，其特征在于：包括如下步驟， 步驟1，獲取初始地面點(diǎn)集，利用移動(dòng)格網(wǎng)法從機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取部分的地面 點(diǎn)，并將該地面點(diǎn)稱為初始地面點(diǎn)，而機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的其他激光腳點(diǎn)稱為候選地面 占. 步驟2,對(duì)步驟1中提取到的初始地面點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型，該不規(guī)則三角網(wǎng)模型 是當(dāng)前已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)構(gòu)成的地表模型； 步驟3,計(jì)算每個(gè)候選地面點(diǎn)到已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)的最近距離，利用該距離和優(yōu)先級(jí) 計(jì)算公式得到每個(gè)候選地面點(diǎn)的加密優(yōu)先級(jí)； 步驟4,根據(jù)加密優(yōu)先級(jí)逐一判斷每個(gè)候選地面點(diǎn)，如果當(dāng)前判斷的候選地面點(diǎn)滿足地 面點(diǎn)判斷準(zhǔn)則，則將該候選地面點(diǎn)加入到步驟2中的不規(guī)則三角網(wǎng)模型中，同時(shí)更新該候 選地面點(diǎn)鄰域內(nèi)的候選地面點(diǎn)的加密優(yōu)先級(jí)； 步驟5,利用鄰近距離判斷法確定已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)中的低矮噪聲點(diǎn)； 步驟6,如果步驟5中發(fā)現(xiàn)有低矮噪聲點(diǎn)，則轉(zhuǎn)步驟7,否則轉(zhuǎn)步驟8 ; 步驟7,將步驟5中的低矮噪聲點(diǎn)從機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中剔除，不再參與后續(xù)算法步 驟，重新對(duì)已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型，轉(zhuǎn)步驟3 ; 步驟8,將已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)作為算法最終得到的地面點(diǎn)，地面點(diǎn)提取過(guò)程結(jié)束。
[0006] 在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟1中所述的移動(dòng)格網(wǎng)法提取機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的 地面點(diǎn)進(jìn)一步包括以下步驟， ① 獲取移動(dòng)網(wǎng)格步長(zhǎng)
式中，step為格網(wǎng)移動(dòng)步長(zhǎng)；入取值為0. 8 ;average_interval為機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù) 的平均腳點(diǎn)間距，也稱為機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的空間分辨率； ② 三維空間坐標(biāo)是機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)所包含的最基本的屬性之一，三維空間坐標(biāo)的X、 Y、Z分量分別對(duì)應(yīng)于WGS-84坐標(biāo)系中的X、Y、Z軸的坐標(biāo)值，統(tǒng)計(jì)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在X軸 和Y軸上的最小值和最大值，分別為minx、miny、maxx和maxy ; ③ 確定格網(wǎng)的坐標(biāo)原點(diǎn)（orgx, orgy);其中，
④ 令maX_length為機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中所包含的建筑物的最大邊長(zhǎng)，利用格網(wǎng)的坐 標(biāo)原點(diǎn)（〇rgx，orgy)以及算法參數(shù)max_length對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維格網(wǎng)劃分，將 二維格網(wǎng)中每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的最低點(diǎn)判定為地面點(diǎn)； ⑤ 如果orgx大于maxx或者orgy大于maxy，則步驟1結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟⑥； ⑥ 更新格網(wǎng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算公式如下，轉(zhuǎn)步驟④；
在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的步驟3中獲取候選地面點(diǎn)的加密優(yōu)先級(jí)進(jìn)一步包括以 下步驟， ① 令已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)的集合為A，候選地面點(diǎn)的集合為B，搜索半徑為R，且搜索半 徑R設(shè)置為5倍的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的平均腳點(diǎn)間距； ② 將所有候選地面點(diǎn)的加密優(yōu)先級(jí)設(shè)置為〇,對(duì)集合A進(jìn)行八叉樹(shù)組織； ③ 針對(duì)集合B中的每個(gè)候選地面點(diǎn)，進(jìn)行如下操作：假設(shè)當(dāng)前候選地面點(diǎn)為P，查找與 P之間的距離小于R的集合A中的所有地面點(diǎn)，計(jì)算這些地面點(diǎn)與P之間的距離，將其中的 最小距離min_distance，按照下列計(jì)算出P的加密優(yōu)先級(jí)；
其中，式中的Priority (p)為P的加密優(yōu)先級(jí)，min_distance為集合A中所有地面點(diǎn) 距離P之間的最小距離。
[0007] 在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的步驟4中基于加密優(yōu)先級(jí)的地面點(diǎn)提取方法進(jìn)一 步包括以下步驟， ① 經(jīng)過(guò)步驟3處理后得到現(xiàn)階段已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)的加密優(yōu)先級(jí)，令加密隊(duì)列為 PQ，PQ具有如下性質(zhì)：它能夠保證加密優(yōu)先級(jí)大的候選地面點(diǎn)被優(yōu)先判斷，PQ的具體實(shí)現(xiàn) 形式為最大堆，步驟4需要兩個(gè)算法參數(shù)，分別為搜索半徑R和增長(zhǎng)比率k，搜索半徑R的大 小為5倍的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的平均腳點(diǎn)間距，k=l. 5,令已經(jīng)提取到的地面點(diǎn)的集合為A， 候選地面點(diǎn)的集合為B ; ② 如果集合B為空，則步驟4結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟③； ③ 將加密隊(duì)列PQ置空，然后依次插入集合B中的候選地面點(diǎn)，每個(gè)候選地面點(diǎn)中攜帶 有對(duì)應(yīng)的加密優(yōu)先級(jí)，PQ根據(jù)加密優(yōu)先級(jí)的大小對(duì)候選地面點(diǎn)從大到小排序； ④ 從加密隊(duì)列PQ中取出加密優(yōu)先級(jí)最大的候選地面點(diǎn)q，并從集合B中將q剔除，轉(zhuǎn)步 驟⑤； ⑤ 判斷候選地面點(diǎn)q是否滿足以下地面點(diǎn)條件，如果不滿足地面點(diǎn)條件，轉(zhuǎn)步驟⑦，否 則轉(zhuǎn)步驟⑥；
式中，令T為候選地面點(diǎn)q投影到地表模型時(shí)所位于的三角形，d為q到T的垂直距 離，0為連接q和T的三個(gè)頂點(diǎn)所構(gòu)成的邊與T所形成的三個(gè)夾角中的最小角，設(shè)置為 〇. 15米，7；設(shè)置為15。；
式中，L為候選地面點(diǎn)q到T的三個(gè)頂點(diǎn)的最近距離，令P1為該最近距離對(duì)應(yīng)的T的 頂點(diǎn)，則根據(jù)地表模型可以計(jì)算出P1處的地形方向V，5?為q和P1的連線與V所構(gòu)成的夾 角，凡設(shè)置為3倍的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的平均腳點(diǎn)間距，T5.設(shè)置為1〇° ; ⑥ 將q加入到集合A中，并更新地表模型，然后重新計(jì)算q在半徑R內(nèi)的候選地面點(diǎn)的 加密優(yōu)先級(jí)，如果計(jì)算出來(lái)的新加密優(yōu)先級(jí)大于原加密優(yōu)先級(jí)，則更新其在加密隊(duì)列PQ中 的位置； ⑦ 如果加密隊(duì)列PQ為空，說(shuō)明當(dāng)前搜索半徑R內(nèi)的候選地面點(diǎn)已判斷完畢，轉(zhuǎn)步驟⑧， 否則轉(zhuǎn)步驟④； ⑧ 擴(kuò)大搜索半徑R，R=kXR，其中k=l. 5,轉(zhuǎn)步驟⑦。
[0008] 在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的步驟5中查找機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中低矮噪聲點(diǎn)的 鄰近距離判斷步驟進(jìn)一步還包括以下步驟， ①令丹為當(dāng)前待判斷的地面點(diǎn)，計(jì)算的k個(gè)鄰近地面點(diǎn)將列和 〔A…巧J構(gòu)成一個(gè)新的集合
包含的基本屬性有三維空 間坐標(biāo)，對(duì)集合丨~丹:根據(jù)其三維空間坐標(biāo)的2分量從小到大進(jìn)行排序，得到有序數(shù)組
，而k值大小可以根據(jù)以下公式計(jì)算得到
其中，area為搜索面積，area設(shè)置為5平方米，average_interval為機(jī)載激光雷達(dá)數(shù) 據(jù)的平均腳點(diǎn)間距； ② 計(jì)算有序數(shù)組V中相鄰地面點(diǎn)間的高差
，其中
③ 從j=〇開(kāi)始到k-1，根據(jù)以下公式判