激光雷达点云树木建模研究进展与展望

三维树木几何模型是数字城市与数字林业工程的重要组成部分。针对点云树木建模,深入分析了基于广义(泛在)激光雷达点云的树木模型重建方法,提出了聚类思想建模、图论方法建模、先验假设建模、拉普拉斯算子建模与轻量化表达建模5类建模体系,归纳总结了不同建模体系在树冠枝干的细节表达、建模算法性能、树木模型的多层次细节表达、建模体系综合评价方法等方面存在的共性问题,针对模型信息表达完整性、模型多层次细节重建、融合广义(泛在)点云的树木建模与模型、算法的综合评价研究4个方面给出一些可能的解决方案,并提出三维激光树木几何重建潜在的建模方向。     

一种基于SX10点云的单株树木骨架点提取方法

骨架点是单株树木几何模型重建的基础。本文结合水平集、聚类方法和图论3种方法，采用ILMSVP和天宝SX10获取模拟与实测单株树木点云数据，并实现单株树木骨架点提取，其中模拟数据用于方法实现，实测数据用于验证。为解决单株树木点云数据缺失情况，本文重复利用水平集、聚类方法和图论方法得到较完整的单株树木骨架点。结果表明：本文采用的单株树木骨架点提取方法可行。     

基于水平截面法的树木点云精细分割研究

本文提出了水平截面法精细分割树木点云的方法。首先根据点云数据在XOY平面内建立二维格网,求取每个格网内点云数据高度的均值,根据格网内点云数据的高度阈值滤除地面点云和低矮地物点云数据;其次对滤除地面和低矮地物的点云运用八邻域算法提取树木点云,运用水平截面法对树木分层处理,求取每一层树木点云的轮廓线;再次将轮廓线连成多边形,求取多边形的最小外接圆的圆心,运用最小二乘直线拟合算法对各层圆心进行直线拟合,根据拟合直线与地面的交点,可以求取树木的精确位置;最后根据距离最近的原理,对树木进行了精细分割。实验表明:本文研究的方法可以较好的实现树木点云的提取,避免了传统方法设置参数过多的弊端。     

LiDAR点云数据的电力线3维重建

利用LiDAR数据进行电力设施提取与建模可以克服传统工程测量电力巡线工作量大,危险性高,效率低下等缺点,但现有的电力线提取研究主要集中在电力线的分离与提取,并且拟合的精度不高。针对此问题本文提出了一种精度较高的电力线拟合方法。首先,根据电力线两端悬挂、中间自然下垂的特点,求解电力线拟合的最佳几何模型;然后,通过电力线的走向和端点,建立电力线拟合的最佳平面坐标系;最后,采用基于二次多项式限制的最小二乘法拟合电力线,解算出最优参数,生成最终电力线模型。对真实数据的处理和精度评价表明,本文方法不仅能够实现电力线的快速3维重建,而且能够达到较高的拟合精度。     

基于点云数据构建树木骨架的方法

树木骨架在树木三维建模及林业研究中具有重要意义。基于地面三维激光扫描系统获取的树木点云数据,提出了一种利用体素空间转换方法而快速构建树木骨架的方法。首先,根据树木的点云数据构建特定的体素空间;然后,对投影变换的每层体素进行连通成分分析,解算出每个体素层所包含的骨架结点;最后,利用单源最短路径算法构建树木的骨架。实验证明,文中提出的方法是可行且有效的。     

电力线点云精细提取与重建的模型残差实现

针对分裂导线提取方法抗噪性差、建模精度低等问题,该文提出一种利用模型残差聚类的机载激光雷达单根电力线点云精确提取并建模方法。首先利用最小二乘原理最佳拟合二维直线和抛物线;然后通过改进后的K-均值聚类算法对拟合残差进行聚类并剔除噪声点,得到高精度的单根电力线点;最后采用抛物线方程实现三维模型精细重建。利用典型代表性的两组实验数据进行验证,结果表明:该方法能很好地顾及电力线类型、档距、高差、噪声和缺失等因素,单根电力线点提取精度99.75%以上,模型拟合最大误差为0.017 m。     

机载LiDAR数据的城区树木点提取方法

在城区的机载LiDAR点云中一般存在大量打在树木上的点,从点云中提取的树木点可以应用于城区绿化面积和树木参数的估计,以及树木的建模。针对城区环境,本文在综合分析树木点和其他地物空间分布模式的基础上,提出了一种只利用点云的几何性质,结合点云空间分布模式来提取树木点的方法。实验表明,该方法可以取得很高的分类精度,卡帕系数为0.9713。     

基于Partial EIV模型的空间平面拟合总体最小二乘法

针对空间平面拟合中系数矩阵含有部分误差的特点,根据Partial EIV模型提取系数矩阵随机元素的思想,将空间平面拟合模型系数矩阵中观测元素作为随机元素提取组成新的未知向量。采用Partial EIV模型线性化的新解法求解拟合参数,简化了计算过程,且保证了系数矩阵相同元素的改正数一致,较EIV模型的总体最小二乘法,理论模型更加严谨。通过算例说明了,本文方法可以用于拟合空间平面,且精度有一定优势。     

建筑点云几何模型重建方法研究进展

从大规模机载点云中重建几何精确、拓扑正确、语义丰富且屋顶遵循LoD3规范的建筑几何模型是当前机载点云建筑建模的难点和重点。为此,根据建筑几何建模思想,将国内外相关建筑点云建模方法分为5类建模体系,并对每一类体系中的代表文献进行了深入的综述和剖析。在此基础之上,提出当前机载点云建模算法存在的一些共性问题,并给出可能的解决方案及几何建模发展的趋势和后续潜在的研究方向,为完善机载点云建筑重建理论,发展更智能的建模算法,构建更高质量的建筑模型库,提供一定程度的参考和借鉴。     

一种基于补偿最小二乘的空间直线拟合算法

针对空间直线拟合的整体最小二乘算法无法顾及模型误差以及空间直线拟合无法直接利用整体最小二乘进行拟合的问题,该文提出了一种基于补偿最小二乘方法的空间直线拟合方法。首先,将待拟合的空间直线分别投影至3个互相垂直的平面得到3条平面直线;然后根据补偿最小二乘方法能同时顾及数据中模型误差和偶然误差的特性,选择合适的方法求取正规化矩阵和平滑因子来平衡误差,分别求解3条平面直线的拟合参数;最后,根据3条平面直线的拟合参数重建空间直线。通过与相关文献的结果进行比较,结果表明采用补偿最小二乘方法进行空间直线拟合具有一定的可行性,可以提高空间直线的拟合精度。     

基于曲面拟合的GPS/水准实验研究

在缺乏重力资料的情况下,应用几何方法进行高程异常拟合计算是一种常用方法.本文首先介绍了曲面拟合原理,总结精度评定方法;然后设计了两种实验方案,对模型的适应性进行研究.实验结果表明:根据测区地形、控制点分布情况选择合适的模型进行GPS/水准拟合可满足一般性工程需要.     

基于车载点云数据的树木提取与分析

本文基于高速公路高精度点云数据，首先通过点云数据的分类处理实现对树木点云数据的提取，将树木点云投影到水平面，采用DBSCAN密度聚类算法实现单根树木的提取；然后在数据密集区域存在树木树冠点云重叠的区域，本文结合树干几何特征提取树干的位置信息，计算所有点云到树干中心的欧氏距离，将所有点云归类到最近的树干进行粗分割；最后根据粗分割的树木轮廓特征确定树冠模型与树冠中心，提出了采用基于密度特征的格网竞争算法对重叠的区域进行精细分割。试验表明，本文采用的树木分割方法能够实现单棵树木精确提取。     

激光点云输电线精细提取的残差聚类法

针对输电线点云数据中存在缺失、噪声等复杂环境,提出了一种基于模型残差聚类的激光点云电力线精细提取方法。首先根据归一化高程阈值分割去除近地面点,在此基础上,采用自适应维度特征和方向特征粗提取电力线点;然后以抛物线模型为约束条件,采用改进的建模方法,确定模型残差并对其进行密度聚类,根据聚类结果实现单根电力线精细提取;最后讨论了关键参数的选择对提取结果的影响。两景实测数据试验表明:该方法能快速实现点云部分缺失、噪声干扰等复杂环境下的电力线精细提取,无须电力线数目、点云密度等先验知识,对不同类型分裂导线提取均具有很好的适用性。单根电力线提取准确率达99.17%以上,模型误差最大值为0.167 m,中误差最大值为0.079 m。     

基于 RA NSAC 的残缺平面标靶稳健定位方法

针对圆形有效反射区域的平面标靶拖尾点和因遮挡造成的数据缺失问题,提出一种基于RANSAC的残缺平面标靶稳健定位方法。文中采用RANSAC算法拟合标靶平面,使经过测距误差修正的反射点规整位于标靶平面;利用Givens变换将空间三维圆拟合简化为二维圆RANSAC拟合。采用两个实验分析同一平面标靶因不同遮挡对定位精度的影响。结果表明,该方法能够有效解决拖尾点和数据缺失问题,提高平面标靶定位的鲁棒性。     

一种基于里程参数的道路平面几何解析模型

随着主动安全技术、自动驾驶技术的发展,高精度导航地图得到越来越多的运用。本文提出了一种面向高精度导航地图的、基于里程参数的道路平面几何解析模型。通过动态地构造点集上的正交多项式系和约束最小二乘法,根据拟合最大误差动态地计算道路的几何描述参数。使用该模型进行了120 km高速道路高精度地图数据生产,以三段典型道路为实例进行试验,表明该方法能对道路几何进行准确的描述,保证道路几何的连续与光滑,同时最大限度地减少数据冗余。该模型对高精度地图道路几何描述具有一定优势。     

点位分布对拟合长线路正常高的影响

已知点的分布密度直接关系到高程的拟合精度,文章以待求点与已知点间隔约500 m,1 000 m的线路利用不同模型来拟合线路进行精度分析,通过运用不同几何模型、不同的分布密度拟合长线路高程得出了一些有益结论,为工程前期设计提供一些参考资料。     

基于激光点云数据的古建筑BIM几何模型构建

针对古建筑BIM各种信息模型中几何模型构建的问题,提出应用三维激光点云数据和CloudWorx软件进行建模的方法。应用Cyclone软件对点云数据进行去噪、配准,按构件进行分割;应用CloudWorx软件进行模型的构建。研究古建筑的瓦片、柱体、梁、墙体、围栏等构件的建模方法,通过模型合并生成古建筑的整体几何模型。     

利用特征显著度提取地形特征线的方法

针对现有的地形特征线提取方法不能根据特征强弱对提取结果进行方便的筛选控制的问题,提出了一种基于特征显著度的山脊和山谷线提取方法。首先,对数字高程模型数据进行高斯滤波和下采样;然后,通过全局断面扫描确定特征点,并根据高度、高度落差和坡度计算特征显著度,在进行特征延伸后构造特征图,利用最小生成树算法得到特征森林;随后进行枝干分解并计算各枝干的特征显著度,根据特征显著度进行枝干裁剪;最后,通过尾钩剔除、位置修正和平滑等后处理得到最终特征线。实验结果表明,该方法能提供给用户方便有效的手段以根据特征显著度对特征进行筛选控制,提取的特征线与实际地形相符,有良好的抗噪能力且能较好地处理平坦地形特征。