三维激光点云处理软件的若干关键技术

正一、点云处理工作三维激光点云需要处理的工作包括:点云去噪、点云平滑、点云编辑、点云分类、点云着色、目标识别、地物表面重构、影像与点云配准、基于影像与点云的单点测量、模型贴纹理等。地面三维激光扫描仪首先需要解决多测站点云快速拼接问题,包括地面站点云与车载、机载点云的拼接。二、点云处理关键技术1.点云数据存储海量点云的数据存储是点云处理首先需要考虑的一个基础性关键技术。目前比较常规的数据存储     

单体建筑物点云数据的CSF净化处理

从场景整体点云数据中提取单体建筑物的点云是建筑物单体三维建模的基础。然而,现有点云提取方法在提取建筑物点云数据时往往包含部分植被、地面等非建筑数据点,不利于建筑物对象建模。针对该问题,本文提出使用CSF方法对初步提取的建筑物点云数据进行净化处理。该方法首先将场景点云数据投影生成点云图像,根据图像特征初步提取单体建筑物点云数据;然后对获得的单体建筑物点云数据采用CSF方法进行净化处理,可以获得较为纯净的单体建筑物点云数据。本文以南京师范大学仙林校区部分区域为研究对象对该方法进行了验证。结果表明,该方法可以较好地对建筑物点云数据进行净化,得到较为纯净的单体建筑物点云数据,为基于点云数据的建筑物单体模型构建打下了良好的基础。     

基于栅格的点云数据的边界探测方法

分析三维激光扫描点云的数据特征,得到一种将三维点云数据转换为深度图像形式后提取边界的方法。通过原始点云数据扫描线分组分行使点云数据实现X,Y方向数据的规格化,以Z方向代表深度,将规则的点云数据转换为图像形式。采用图像边界提取方法——Canny算子来提取边缘信息,并将其转换到三维空间中显示出来。实验表明,基于栅格的点云数据的边界探测方法能快速实现三维点云边界的提取与显示,可应用在基于边界特征的点云配准、点云的角点检测、点云的三维建模等后续处理工作中。     

基于体素栅格的建筑物三维激光点云数据抽稀方法

为了提升三维激光点云数据处理、存储、运算效率,对基于体素栅格的三维激光建筑物点云抽稀方法进行了研究。通过提取原始三维激光点云空间位置和法向量作为体素栅格存贮数据的主要信息;以三维激光点云最大外包矩形构建最大体素,并依据点云位置不断地进行空间划分,直至阈值范围内,从而实现点云数据的高效组织与管理。对体素栅格内的点云依据设定空间半径阈值检索种子点周边点云,剔除体素栅格中阈值内点云,保留种子点云,从而实现了三维激光点云数据抽稀,有效压缩了三维激光点云数据。并通过实验验证了该方法可以有效降低三维激光点云数据冗余,为海量三维激光点云数据的存储与应用等方面的研究提供参考。     

基于层次分析和神经网络的机载LiDAR点云分类

在机载LiDAR点云数据处理中,由于机载雷达点云数据的离散性、不确定性等原因,导致点云分类上很难得到准确的结果。针对机载LiDAR点云数据分类问题,提出了基于层次分析和神经网络的机载LiDAR点云分类方法。根据机载LiDAR点云的数据特征以及不同地物的属性,采用层次分析法赋予每个点云一个二进制信号,然后采用后向传播神经网络(BP-ANN)对机载LiDAR点云数据分类。实验表明:这种方法能够从机载LiDAR独立数据源中分类出房屋、高大的树、低矮的树、道路等地物点云。     

基于EPS平台的地面三维激光扫描点云数据处理方法探讨

三维激光扫描技术是通过大量密集的扫描点,以模拟形式体现目标实体对象表面丰富的形体信息,不能获取的点云数据直接读取目标对象的矢量化信息,并进行点云数据处理。笔者在工作中,以EPS2008软件平台为基础,利用VBScript脚本进行二次开发,实现了点云数据分层提取、点云线状地物提取、点云特征轮廓提取、点云数据断面提取和点云高程提取等功能。本文针对已经实现的功能进行探讨,指出每种方法的特点和应用范围。     

十进制线性四叉树的点云数据格网索引方法研究

三维激光点云数据是海量三维点的集合,导致数据量庞大,组织和管理困难,不仅增加了系统负荷,而且大大降低了点云数据后续处理效率。该文针对海量点云数据的组织与管理中遇到的加载和显示效率低、建立索引困难、不能实时动态显示等问题,提出了基于十进制线性四叉树的点云数据格网索引方法,该方法用四叉树结构分割点云数据和用SQL Server数据库存储,采用Morton码或矩形区域对点云数据进行分块空间索引,结合空间索引和数据库的优势对点云数据进行高效、动态、智能管理。实验结果表明,该方法较好地解决海量点云数据的组织与管理效率低下,不能实时动态显示的问题。     

基于特征点的点云压缩方法研究

针对现有点云数据,在VC++平台下,提出一种基于特征点的压缩方法,实现点云数据的抽稀,其中试验数据采用扫描数据以及美国斯坦福大学试验点云数据。经试验表明,该方法能够实现点云的抽稀,减少点云的数据量,提高点云后期处理的效率。     

Trimble Realworks在点云数据真三维建模中的应用

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术,其应用取决于点云数据的建模质量。将点云数据导入Trimble Realworks,经过数据配准、点云降噪、模型创建、曲面构建等处理,生成三维模型,并将三维模型与点云模型进行比较。试验表明,采用Trimble Realworks软件进行点云数据三维建模,大大提高了建模质量。     

信息向量机、相关向量机和支持向量机在机载LiDAR点云数据分类中的应用

机载LiDAR点云数据分类技术是LiDAR数据后处理的关键步骤。信息向量机、相关向量机及支持向量机可以在LiDAR点云数据分类中发挥重要作用。本文将三种分类器应用到点云数据分类中,通过实验验证了它们在点云数据分类中的性能,总结了它们在点云数据分类任务中的应用潜力。     

通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想

从海底控制网设计、布设、测量、数据处理和海洋声速场构建几个方面介绍了海底控制网建设的现状。结合国家海洋战略需求和海洋大地测量技术发展,分析了现阶段海底控制网建设面临的问题:认为目前的海底网规模小,缺乏信息共享,功能单一;设计与布设原则未与控制网等级关联,多为定性描述,缺乏操作性;声速场精度和分辨率偏低;测量和数据处理仅考虑了海底控制点的定位问题,难以满足大区域、高精度海洋PNT（positioning, navigation, and timing）基准网建设需求。据此,利用海洋声道的远程通讯和测距定位能力,提出了建设联合北斗/GNSS（global navigation satellite system）定位和通信导航功能的通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络的构想,针对该网络的功能和布放设计、高精度、高分辨率海洋声速场模型的构建、各类PNT基准点的测量和整体网平差处理、海底PNT基准点的自校准和自维护、覆盖水域的位置增强服务、目标和环境的遥测和感知服务等几个关键技术问题,提出了实施方法和设想,以期解决当前海洋控制网大区域建设面临的缺乏通讯、布网原则和测量方法不完善、功能单一等问题,为新一代高性能海洋大地测量及PNT导航定位服务网络的建设提供支撑。认为随着长距离布网优化设计、增强位置服务、精确授时和时间同步、远程通讯及网络功能的拓展和应用服务等难题的突破,所构想的网络体系必将引起海洋PNT建设的一次变革。     

北斗坐标系

北斗坐标系是北斗卫星导航系统的大地基准.本文在扼要叙述背景情况之后,首先给出了北斗坐标系原点、尺度、定向的定义和参考椭球的定义和导出常数;其次介绍北斗坐标系的首次实现,这次实现由北斗系统的8个监测站在历元2010.0的ITRF2014框架下的坐标和速度体现,它们是通过处理一个包括8个监测站的全球GNSS网4期GPS数据、框架对准与监测站坐标序列的线性回归拟合得到的;最后就参考框架的更新周期、监测站境外布设和连续观测、精密星历的生成与发布,北斗坐标系的标准化问题进行了讨论,并提出一些建议.     

应用“3S”技术进行北京市森林立地分类和立地质量评价的研究

本文针对目的森林立地分类和立地质量评价研究中存在的问题。试图从立地分类和评价的方法进行技术上新的探讨。研究中以生态学和景观生态学理论为基础,以遥感（ＲＳ）、地理信息系统（ＧＩＳ）和专家系统（ＥＳ）作为主要的技术手段,借助相关数学分析,对北京市森林进行立地类型划分和在此基础上的立地质量评价及多目标动态决策。通过对北京地区景观特征及其气候、地貌、地形、土壤、植被等各种因子的定性分析,以及一、二类调查数据的定性定量分析,结合实际应用,确定分类原则和分类系统。应用ＧＩＳ建立各级分类的各因子专题数据库和图形库,通过各分类层次的主导因子及辅助因子的专题图叠加完成初分类。在此基础上,应用知识库中的专家知识及ＥＳ的推理机制对初分类结果进行综合,根据可信度理论,得出各级符合生产、造林规划和经营实际的立地类型图。对于最低一级的分类结果,采用专家打分的方法进行各类型立地质量的多因子综合评价,并编制立地质量评价图。在分类和评价的基础上,可以根据森林的生态效益、经济效益、环境效益和社会效益的综合考虑选择目标集,进行面向目标的动态决策。     

浅论中国亚热带遥感现状、任务与创新发展途径

中国亚热带区域覆盖范围广,面积达240万km2。区内不仅自然景观复杂,多云多雨、多山多林,生物多样性丰富、是中国稻米主产区,而且多河多湖、多矿多污,生态环境十分敏感、自然灾害多发频发,迫切需要利用遥感技术监测其自然资源、环境变化与灾害现象。虽然近年来国内外已逐渐开展亚热带遥感应用研究,但缺乏对亚热带遥感理论与方法的系统性研究,共性与科学问题尚不明晰。本文总结分析了中国亚热带遥感的3个基本特征,按遥感数据类型梳理了中国亚热带遥感的应用实践;进而归纳出中国亚热带遥感实践的4个共性问题,指出亚热带遥感核心元素的主要特点、地理对象的复杂性与遥感信息的病态性,提出中国亚热带遥感的4项重点任务;然后,分析了当今中国亚热带遥感发展的历史机遇,阐述了中国亚热带遥感的创新发展途径,包括厘清人地现象的动态特征、聚焦亚热带遥感的科学问题、攻克不同层面的关键难题、结合应用需求开展技术攻关与重点研发。论文旨在推动亚热带遥感应用的创新发展、促进亚热带遥感理论与技术体系形成,进而助力卫星及航空遥感更好地服务于中国亚热带地区的资源环境监测、区域防灾减灾、生态文明建设与“双碳”目标。     

热带与亚热带遥感：需求、挑战与机遇

热带与亚热带拥有大量丰富的自然资源,同时也正在经历着快速的城市化进程,其资源、生态、环境等都面临着前所未有的挑战。同时,热带与亚热带地区存在着大量的自然灾害(如台风、干旱、地震等),威胁着该地区人类经济社会的可持续发展。应用遥感技术对热带与亚热带区域进行全面的监测,对于热带与亚热带区域甚至全球的可持续发展具有重要的意义。然而,由于热带与亚热带特殊的地理条件(如多云多雨等),遥感监测需要克服特殊的技术挑战。本文通过Web of Science核心数据库的7594篇研究论文进行分析,综述了热带与亚热带遥感的研究现状,分别从热带与亚热带遥感的需求、现状、挑战和机遇,通过共被引文献分析和主题词频率分析,建立共被引文献网络和主题词网络,并通过非监督机器学习进行聚类,分别识别出22个共被引文献聚类和6个主题词聚类。通过对这些共被引文献类别和主题词类别的深入分析,本文总结了:(1)热带与亚热带遥感研究的主要监测对象,包括城市地表、热带雨林、红树林、珊瑚、热带草原、生物多样性和自然灾害;(2)热带与亚热带遥感主要采用的遥感技术,包括:遥感数据的选择和使用、遥感数据分析的方法、多云多雨的问题应对以及多源遥感技术。最后,从现代遥感技术的快速发展,本文从8个方面讨论热带与亚热带遥感面临的挑战和未来发展的机遇。     

InSAR技术在滑坡灾害中的应用研究进展

InSAR技术作为重要的对地观测技术之一,已在城市、矿山、地质灾害等地表形变监测领域得到广泛应用与探索,特别是在滑坡灾害形变监测中具有很强的实用性。为全面、准确及深入认识和梳理InSAR技术在滑坡灾害应用中的前沿科学问题、局限性、面临挑战及未来发展趋势,以期更好地服务于滑坡灾害的防治与监测。以InSAR技术滑坡灾害应用研究为主要脉络,系统阐述其研究进展:(1)以滑坡监测中应用的主要InSAR方法概述为切入点,系统梳理了各类主要方法的适用范围、优缺点及内在联系;(2)基于早期识别探测、不同量级形变监测、活动模式与三维信息获取、形变与诱因耦合4个视角,深入探析InSAR技术在滑坡应用中的最新进展、趋势及目前应用中存在的关键问题与挑战;(3)针对InSAR技术系统的局限性、滑坡灾害的特点,剖析了InSAR滑坡监测中存在的几何畸变、密集植被覆盖、大气干扰、三维形变信息获取、精度评定、滑坡形变的复杂性和非线性等问题,并对相应问题的解决提供了可行性的方案与建议措施;(4)基于InSAR滑坡行业体系构建的视角,结合人工智能(AI)、机器学习、无人机遥感及地学领域地震台网等其他观测技术,从数据处理、与其他新型技术融合对未来InSAR在滑坡应用研究进行总结和展望。     

FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E海冰密集度比较及印证

本文对2011-07-01—2011-09-30风云三号B星(FY-3B)搭载的微波成像仪MWRI(Microwave Radiometer Imager)和Aqua卫星搭载的微波扫描辐射计AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System)观测数据获取的海冰密集度产品进行比较及印证。首先,逐日比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E区域平均海冰密集度;其次,逐月比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E月平均海冰密集度;最后,使用Aqua卫星搭载的中等分辨率成像光谱辐射计MODIS数据进行印证。MWRI和AMSR-E比较结果为(1)MWRI与AMSR-E逐日区域平均海冰密集度变化趋势一致,MWRI海冰密集度均高于AMSR-E,7—9月MWRI与AMSR-E逐日平均偏差月平均值分别为8.55%、7.67%、2.58%,逐日标准差月平均值分别为12.16%、12.08%、10.43%,二者差异逐月减小。(2)MWRI与AMSR-E月平均海冰密集度差呈现逐月递减趋势,7—9月MWRI与AMSR-E逐月平均偏差分别为7.37%、6.53%、1.51%,逐月标准差分别为4.61%、4.36%、3.64%,MWRI与AMSR-E差异逐月减小的原因是二者在密集度较低的边缘区域差异较大,而夏季随着边缘区域海冰的融化,二者差异逐渐减小。MWRI和AMSRE海冰密集度与MODIS印证结果为:(1)密集度小于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏高,AMSR-E更接近MODIS,MWRI高估,误差较大。(2)密集度大于等于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏低,AMSR-E偏低更多,MWRI结果更好。     

多源信息多尺度视角的南京市街道级人口模拟研究

人口是重要的社会和生态环境因素,掌握人口信息有利于资源配置和环境管理。本文以南京市的街道级行政区域作为基本对象单元,分别从市级、市郊级和城市化度3个尺度,人口总量和人口密度2个方面,使用NPP/VⅡRS夜间灯光数据、大数据中的关注点POI数据、Landsat 8卫星OLI影像的建筑用地指数IBI,进行了人口模拟研究。结果如下：①在市级层面,人口密度模拟效果优于人口总量的,POI数据模拟效果最佳,确定性系数为0.87,其次是建筑用地指数0.81,夜间灯光数0.77;②在市郊级层面,郊区的人口密度拟合效果优于市区的;③在城市化度方面,中度城市化的街道人口密度与NPP/VⅡRS的幂函数关系最佳,确定性系数为0.99,低度和高度城市化的街道人口密度与POI的对数关系拟合效果相对好些,确定性系数分别为0.65和0.44;中度和低度城市化街道的人口总量与3个因素数据的多元线性回归模型效果最佳,确定性系数分别为0.91和0.78。结果说明中度城市化街道的人口模拟效果最好。本文研究拓展了城市人口估算的广度和深度,可为相关工作提供思路上的借鉴。     

内河数字航道技术总结与展望

在长江干线数字航道、无锡感知航道、长三角船联网及国外莱茵河航道RIS、密西西比河航道IWS/WIN等典型案例分析的基础上,按照内河数字航道的结构层次,从航道要素监测、航道数据、航道维护管理以及航道信息公共服务等4个方面全面归纳总结了技术研发进展情况,涵盖了关键技术、模型方法、协议标准、装备软件等内容,简要阐述了主要技术成果在长江干线、西江干线、京杭大运河等国家高等级航道网规划、建设、维护、管理、服务中的应用情况。从有序推进内河数字航道发展、对接内河水运转型升级需求的角度,指出了内河数字航道技术发展的总体趋势,并运用缺口分析法,找出了航道感知层、航道数据层、航道维护管理层、航道信息公共服务层等4个层次的技术瓶颈。本文的内容可为我国内河数字航道规划、建设与运行维护的技术选型及内河数字航道技术研发方向的选定提供借鉴。     

自然灾害元数据标准的设计与构建

元数据标准是数据库的一个重要组成部分,对自然灾害研究而言,涉及全球范围的历史灾情、时空信息等海量数据,在形成灾害数据库的过程中,离不开元数据标准的设计与构建。本文介绍了元数据与元数据标准的基本概念、特征以及作用等内容,提出了自然灾害元数据标准的设计思路,即以提高自然灾害数据库的建库质量,增强数据的使用效率,促进数据共享为目标,遵循稳定性与科学性、简单性与准确性、互操作性与易转换性、一致性与可扩展性等原则,实现描述评价、查询检索、管理维护、交换共享等功能。在此基础上,完成了自然灾害元数据标准的构建,共包含六大实体,33个元数据元素,36个元数据子元素。对于每一个元数据元素或子元素,均有九个属性对其加以限制和说明。该元数据标准已经应用于长三角地区自然灾害损失数据库的开发,为自然灾害数据管理和数据库建设提供了依据,是实现自然灾害数据共享的重要途径,也可以作为其它学科领域制定元数据标准的参考。