基于机载LiDAR点云的约束BSP模型重建方法

针对现有基于机载激光点云的建筑物重建方法自动化程度较低且建筑物外轮廓精度无法保证的问题,提出一种融合已有的高精度建筑物外轮廓测绘数据成果与机载雷达数据的建筑物重建方法。以及方法从建筑物点云数据获取、屋顶面分割、结构线检测、几何拓扑重建和模型生成的建筑物三维重建过程中的关键步骤。最后,通过实验验证各个步骤的有效性与可用性。     

机载LiDAR点云建筑物屋顶轮廓线自动提取研究综述

建筑物作为城市中最主要的人工地物,其三维模型是智慧地球建设的重要数据支撑,实现精准自动化三维重建至关重要。机载激光雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)技术因具有环境约束小、操作成本低、采集速度快、数据精度高、可全天候获取地物空间信息等优势,已成为自动提取建筑屋顶轮廓线辅助建筑三维重建的主要数据源。首先对建筑屋顶轮廓线提取技术的发展历程进行简要回顾,再根据以往研究内容总结出一套较为通用的技术流程;该技术流程4个关键步骤为点云滤波、建筑物提取、屋顶轮廓线提取和轮廓线规则化;对每一步骤的实现方法、常用算法、发展现状以及面临问题进行详细阐述和对比分析。最后,对本技术面临的挑战和未来发展趋势进行讨论。     

融合LiDAR数据与高分影像特征信息的建筑物提取方法

建筑物是城市环境中的主要地物类型,从高分影像等数据中自动提取建筑物对于提升土地利用变化检测、城市规划与土地执法等业务的质量与效率具有重要意义。本文针对现有建筑物提取方法存在的边界提取不精确的问题以及采用手工特征表达图像信息的局限性,融合LiDAR数据与高分影像两种数据源的特征信息,提出一种基于SegNet语义模型的建筑物提取新方法。首先,对LiDAR数据预处理得到数字表面模型（DSM）、数字地形模型（DTM）、归一化数字表面模型（nDSM）,利用高分影像NDVI值去除nDSM中部分树木点,得到结果影像nDSM_en;其次,分别获取LiDAR数据回波强度、表面曲率以及高分影像NDVI值 3个特征构建特征图像训练SegNet语义模型,利用训练得到的模型完成建筑物初始提取;最后,采用阈值法分割nDSM_en得到影像对象,利用影像对象约束建筑物初始提取结果,完成建筑物精提取。在以ISPRS 官方提供的标准数据集（数据采集的地理区域为德国Vaihingen,采集时间2008年7—8月）为样本的实验中,本文方法在像素层次的平均查全率、平均查准率和提取质量分别为96.4%、94.8%和91.7%;针对面积大于50 m ²的建筑物对象,上述3个指标均为100%。实验结果表明：本文提出与实现的建筑物提取方法更好地利用了反映建筑物与非建筑物本质差异的特征信息,有效地实现了2种数据源的相对优势互补,提高了建筑物的检测与提取精度。     

基于形态学与区域生长的机载LiDAR点云数据滤波

针对形态学滤波存在的地形过度腐蚀以及区域生长滤波需要大量地面种子点的问题,提出一种点云数据由粗到精的两级滤波策略。对机载LiDAR点云数据进行多尺度形态学滤波得到粗略DEM("粗滤波"),由此可提供大量的地面种子点用于区域生长,进而得到精细DEM("精滤波")。利用ISPRS提供的滤波数据进行测试,结果表明,该滤波算法对地形适应性较强,可有效保证地形特征,具有更好的稳健性。     

3维重构精度估计的矩阵分析方法

3维重构可以由影像序列快捷方便地提取目标的3维几何信息.但3维重构的基础是多视几何理论,其计算是基于矩阵推导的非线性过程,故传统摄影测量理论难以用于评估其误差,本文提出一种3维重构精度的估计方法,采用矩阵分析方法,给出了评定重构精度的推导过程,并结合实验数据验证了精度估计的正确性.     

基于反泄漏Fourier变换的地震数据重建方法

应用反泄漏Fourier重建方法,对空间方向采样不规则的地震数据进行规则化重建,引入GPU加速算法,将非均匀Fourier变换部分转化为矩阵乘法形式,将矩阵乘法部分应用于GPU加速算法加速处理。理论模型与实际数据测试结果验证该方法的有效性及合理性。     

基于视点的3维模型动态注记方法

3维文字注记对于直观表达3维场景中对象的文本信息非常重要,但现有研究大多忽略这一问题,该文主要针对城市环境3维建筑物模型的注记问题,提出一种基于视点位置和方向的动态注记方法.该方法依据3维模型离视点的远近对文字注记位置进行分层处理.在视点远近变换时,选取建筑对象的不同细节层次模型作为文字注记的计算对象.进而依据视点的方向实时计算文字注记的方向,达到动态的注记效果.这种动态的注记方法可以避免因视点变换而产生的注记与3维模型之间的遮挡关系,也可以避免场景因注记过多而产生的杂乱情形.实验表明,该方法具有较好的可视化效果.     

利用高精度DLG进行机载LiDAR点云精度评定研究

LiDAR作为一种主动式获取高精度地表几何信息的地形图测绘技术,其获取的点云具有较高的相对精度与绝对精度,可作为无控或稀少控制条件下（无人机）航空影像高精度几何定位的地理参考数据。影像几何定位所能达到的精度依赖于几何参考数据自身的精度,因此评价LiDAR点云的精度对于将其作为地理参考实现航空影像高精度几何定位,具有较强的理论价值与实践意义。本文提出了利用高精度数字线划图（DLG）作为几何参考评定机载LiDAR点云精度的方法。首先,通过比对DLG中高程注记点的高程与LiDAR点云中对应位置处的高程,实现LiDAR点云高程精度评定;然后,通过统计LiDAR墙面点在平面上的投影点到DLG房屋矢量轮廓线的距离,实现LiDAR点云平面精度评定。实验结果证明,本文试验区域LiDAR点云平面和高程精度分别可达到7.2 cm和8.3 cm,可作为大比例尺无人机航空遥感控制数据的有效选择。     

基于多源激光点云融合的建筑物BIM建模

墙体、窗户等单元构件是建筑物重要组成部分,精细提取其几何参数及位置信息对于完整表达建筑物整体模型具有重要意义.针对单一点云数据源无法获取建筑物单元构件相关参数并完整表达室内外模型重建问题,本文提出一整套融合室内外多源点云数据的BIM模型重建技术.为验证方法的有效性,选取河南理工大学测绘与国土信息工程学院教学楼为实验区域...     

基于广义高斯模型的机载测深LiDAR波形拟合算法

针对传统LiDAR测深波形拟合算法受噪声干扰严重、对微弱回波信号及复杂波形拟合不准确的问题,提出一种基于广义高斯模型的波形拟合算法。首先通过计算滤波前后尾段波形的差异估计波形的噪声;然后利用广义高斯模型提取海面与海底反射信号分量,并对剩余信号进行迭代拟合;最后利用LM算法对参数进行优化,并对优化后的参数进行约束,避免冗余分量。采用南海实测数据进行验证,该算法拟合微弱回波及复杂波形能力强,不论在浅水(回波发生叠加)还是深水,其拟合精度均优于传统算法,具有良好的鲁棒性。     

车载激光扫描数据中建筑物立面快速提取

本文提出一种结合多种投影影像从车载激光扫描数据中提取建筑物的方法。该方法首先将点云数据投影到XOY平面,生成多种投影影像;然后结合建筑物几何语义特征,对已获取的投影影像进行几何约束与形态学运算,得到建筑物种子区域;在此基础上,通过设置高差阈值,在最高高程影像上进行建筑物种子区域的八邻域区域生长,得到建筑物区域;最后将影像上的建筑物区域反投影到三维空间,提取出建筑物目标。实验结果表明,该方法能有效提取点云数据中的建筑物立面,取得较高的正确率和完整率,且大大提高了计算效率。     

基于结构化场景的单幅图像建筑物三维重建

针对无法利用激光扫描或多张图像实现三维重建的已损或不复存在的建筑,本文提出了一种基于结构化场景的单张图像建筑物三维重建方法。该方法先基于RANSAC算法及最小距离法分别解算灭点直线和灭点;然后基于平行平面、包含平行信息的任意平面和包含垂直信息的任意平面的平面模型解算三维坐标。本文以现存某高校图书馆为例,重建了三维模型,并分析了模型精度。结果表明,重建误差最小为0,最大为5.8%,模型整体精度在1.9%左右,符合三维重建精度要求。在四川省白鹿领报修院教堂的三维重建应用中,建立了已损建筑物的三维模型,获得了较好的重建效果。该方法适用于包含平行、垂直、灭点和平面结构的建筑物场景,可得到建筑物三维几何线框模型,几何细节采用纹理映射替代,可应用于现存建筑和文化遗存遗址的三维重建。     

一种灰度体素结构分割模型下的机载LiDAR 3D滤波算法

针对现有的基于机载LiDAR数据的滤波算法未能充分利用数据提供的所有信息及其所采用的数据结构表达复杂、存在信息损失等缺陷,提出了一种灰度体素结构分割模型下的机载LiDAR 3D滤波算法。算法首先以综合利用机载LiDAR数据的高程及强度信息为目的将点云数据规则化为灰度（体素内激光点的平均强度的离散化表示）体素结构,然后基于各体素间的空间连通性和灰度相似性准则,将灰度体素结构分割并标记为若干个3D连通区域,最后依据地面与其它目标的高差特性提取与其对应的3D连通区域。算法优势在于:基于体素结构设计,为3D滤波算法;综合利用了地面目标的几何及辐射特征,对比传统滤波算法可应用于更复杂的场景;滤波结果为3D地面体素形式,可直接用于创建地面3D模型。实验采用国际摄影测量与遥感协会（International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, ISPRS）提供的不同密度的机载LiDAR基准测试数据测试了邻域尺度参数的敏感性及提出的算法的有效性,并和其他经典滤波算法做对比。定量评价的结果表明,51邻域为最佳空间邻域尺度;点云密度为0.67点/m²的数据集1的滤波平均完整率、正确率及质量分别为0.9611、0.9248及0.8934;点云密度为4点/m²的数据集2的滤波平均完整率、正确率及质量分别为0.8490、0.8531及0.7404;对比其全经典滤波算法本文算法在高密度点云数据滤波时表现更佳。     

支持自动综合的多尺度三维建筑组织与管理

多尺度数据的有效组织与管理是实现三维建筑自动综合及多尺度应用的基础。本文对空间数据综合与多尺度表达数据管理方法的研究现状进行了分析。根据三维建筑自动综合的特点,本文提出了一种基于R树的多尺度三维建筑空间索引模型——GAMR树（Generalization Area Multi-representation R Tree）;对GAMR树的定义和结构进行了详细描述,设计了顾及GAMR树高度与所选长度阈值关联关系的索引构建方法。针对三维建筑特点,设计了一种支持多尺度区域对象完整查询的检索方法,并根据建筑特征的可辨性,实现了顾及视线角度对投影长度影响的三维建筑模型多尺度可视化方法。实验证明,GAMR树能很好地适用于三维建筑多尺度模型的组织与管理,对三维建筑几何模型的自动综合具有重要意义。     

基于多光谱LiDAR数据的道路中心线提取

针对城市三维激光点云中,道路与地面高程相差小、激光反射强度相近使得道路提取困难;广场、停车场等地物的高程、反射强度与道路极为相近,容易产生错误提取的问题。本文设计了一种描述道路条带信息的局部二进制特征（Stripe Local Binary Feature, SLBF）,结合LiDAR数据中的三维信息和多光谱信息获得基于强度、密度和平坦度等统计特征（Statistics-Based Feature, SBF）,并采用随机森林分类器实现了机载点云中道路面点云和非道路面点云的有效提取。通过欧式聚类精化道路点云和迭代腐蚀边界细化中心线,进而获得矢量化的道路中心线。以Waddenzee区域的多光谱机载点云数据进行实验验证,道路中心线提取结果的完整度达到94.15%,准确度达到97.95%,精度达到92.28%。实验结果表明,该方法可以有效地提取道路中心线,同时由于设计的特征具有不变性,能够适用于城市和林间小路等各种环境。     

平面地质图的三维地质体建模方法研究

长期以来,三维地质体建模研究主要依赖于钻孔、剖面等勘察数据进行精细化建模。然而,在缺乏大区域宏观地质背景的前提下,仅考虑局部地区的精细建模,往往会导致以偏盖全。鉴此,本文提出了一种以平面地质图为基础数据,以图切地质剖面为中介的三维地质体建模方法。该方法通过间接法加密了研究区域的产状数据,用三次样条拟合与人工修编结合的方法,对褶皱等复杂构造作处理,实现了平面地质图的图切剖面自动绘制方法;以规则体元为三维空间数据模型,通过自动绘制研究区域一系列相互平行的图切剖面,构建了栅格化的三维地质体模型;以星岗地区为研究区域,构建了原型实验系统,验证了该方法的有效性与实用性。实例证明,在其他地质数据匮乏的条件下,平面地质图的三维地质体建模方法是构建区域三维地质体模型的一种有效解决方案。     

基于手绘图件的考古遗址三维建模方法

考古遗址是研究古代人类活动的重要场所。重建考古遗址三维模型对于历史回溯、古环境恢复和古迹保护等考古工作均具有重要的意义。传统考古发掘过程中普遍采用的手绘图件难以实现考古现场环境的模拟与再现,也不能准确地反映出遗址中文化层与其所包含地物的空间关系。近年来,考古学家引入各类勘察新技术用于考古文化层与遗迹的三维建模,但这些方法无法应用于已完成发掘工作的遗址三维重建。针对这一问题,本文提出一种以考古发掘过程中普遍采用的手绘图件为数据源的考古遗址三维建模方法。该方法以探方为基本建模单元,将考古文化层与遗迹分开建模,利用探方分布图及探方图建立考古文化层三维模型,利用遗迹图建立考古遗迹三维模型,并以三维实体布尔运算方法,将两者无缝整合,构建完整的田野考古遗址三维模型。最后,以湖南澧县八十垱东区为研究区,验证了本文相关研究成果的有效性与实用性。实践证明,该方法能够充分利用传统考古过程中积累的大量资料,有助于将传统考古学在宏观尺度下的定性描述转化为现代"数字考古"中微观尺度的定量描述。     

强度体元基元下的机载LiDAR 3D滤波

针对现有基于二值体元基元的机载LiDAR三维（3 Dimensional, 3D）滤波算法仅利用了数据的高程特征、无法区分相连的地面和非地面目标的问题,提出了一种基于强度体元基元的机载LiDAR 3D滤波算法。首先,基于计算几何理论,将机载LiDAR数据规则化为强度（体元内激光点的量化平均反射强度值）体元结构。然后,基于3D连通区域构建理论,选取局部高程最低的非0值体元为地面种子进而搜寻并标记与地面种子,空间连通、反射强度及坡度值均接近的连通区域内体元为地面体元。算法综合利用LiDAR数据的高程、反射强度及坡度特征,支持相连但强度不同的地面和非地面目标的区分,为相连的地面和非地面目标的精确区分提供更有效的信息。算法有助于提高滤波精度,并扩展基于体元基元的3D滤波算法适用于更复杂的场景。实验基于ISPRS提供的专门用于滤波算法测试的LiDAR点云数据测试了“空间邻域尺度”参数的敏感性及提出算法的精度。定量评价的结果表明：51邻域为最佳邻域尺度;提出算法的平均Kappa系数在相对平坦、陡坡及不连续地形分别为0.9380、0.7749和0.6866;从总误差测度来看,提出算法对比经典的Axelsson算法改进了15个样本中的7个样本精度,且其对比其他二值体元基元下的滤波算法平均总误差最低。