基于三维激光扫描的校园建筑物三维建模研究

"数字校园"建设是科技发展的必然趋势,为加快这一进程,本次研究将地面三维激光扫描技术应用到大学校园。本文以Z+F IM AGER 5010c地面三维激光扫描仪采集到的吉林建筑大学基础实验楼数据为基础,运用3ds max、Auto CAD、Point Cloud等建模软件建立三维模型。同时将依据点云数据建立的实体模型与实际测量数据进行对比和精度分析,验证了地面三维激光扫描仪在建筑物三维模型建立中的精度和可靠性。     

利用误差熵评价光斑中点云不确定性

三维激光扫描点位精度受光斑影响较大,激光点在光斑中呈现了不确定性,该不确定性的准确描述关系到激光点位精度的评价。将误差熵模型引入到点位不确定性的评价中,利用激光点位在光斑中不确定性的概率密度函数,推导了激光点位信息熵,并依据误差熵与信息熵的关系得到了激光点位的误差熵。通过分析误差熵与光斑面积的关系,得到点云光斑平均误差熵,实现了将平均误差熵引入到点云不确定性的评价中。通过设置不同扫描间隔得到的点云数据,分析了平均熵模型进行基于光斑影响下的点云精度评价的可行性,最终实现了对光斑中点云不确定性的准确评价。     

半自动机载LiDAR点云建筑物三维重建方法

针对全自动建筑物3D重建存在需要后续人工检验,且发现重建错误需要花费额外时间修改的问题,提出了一种半自动的面向对象的机载LiDAR点云建筑物3D重建方法。基于建筑物类别点云的联通分析和平面生长分割结果,提出了自动的建筑物栋数检测、单栋建筑物外轮廓提取、单栋建筑物内部结构线提取方法;同时,在计算机无法完成部分工作时,人工辅助计算机完成高程阶越线提取、识别建筑物屋顶附属物点云等工作。实验证明,该方法可以适用于高密度机载LiDAR点云数据中城区大部分建筑物的3D模型重建。     

中国大陆GNSS连续站观测噪声的时空分布

为了全面分析我国大陆及其周边GNSS连续站噪声的空间分布规律,该文基于陆态网络260个GNSS连续站和周边区域10个IGS站的观测数据,利用GAMIT/GLOBK软件进行解算,得到各站的坐标值及其N、E、U 3分量误差值,制定筛选标准,依据该标准剔除质量差的测站,剔除异常值;利用Matlab软件,按照东向(E分量)、北向(N分量)、垂向(U分量)3个方向进行拟合,并提取各测站单日解的最大误差值出现的年积日,绘制其在我国大陆的空间分布图,得到中国大陆GNSS连续站最大单日误差值的时空分布特性图。发现大部分GNSS连续站单日最大误差值集中在夏季(7月居多)并分析了原因。     

多基准点和基准方向的面阵与线阵影像匹配方法

针对面阵影像与线阵影像之间存在的尺度、旋转等几何差异所导致的难以高效获得稳定可靠匹配点问题,该文提出了一种稳健的面阵影像与线阵影像匹配方法。算法分为3个阶段:(1)对影像进行尺度、旋转预处理,消除影像间的尺度和旋转差异;(2)用Harris算子提取特征点,进行逐层金字塔匹配,在最底层影像上进行最小二乘匹配获取精匹配点,利用随机抽样一致算法获取准确性较高的匹配点;(3)对准确性较高的匹配点分区,构建4块匹配区域,根据每块区域的匹配点计算重心,以此4块区域的重心作为匹配基准点和基准方向,重约束初始匹配结果。通过多组面阵影像与线阵影像数据实验结果,验证了该方法的可行性和有效性,可为后续空中三角测量及相关应用提供可靠的匹配点。     

基于极线及共面约束条件的Kinect点云配准方法

Kinect作为轻量级手持传感器,在室内场景恢复与模型重建中具有灵活、高效的特点。不同于大多数只基于彩色影像或只基于深度影像的重建算法,提出一种将彩色影像与深度影像相结合的点云配准算法并用于室内模型重建恢复,其过程包括相邻帧数据的配准与整体优化。在Kinect已被精确标定的基础上,将彩色影像匹配得到的同名点构成极线约束与深度图像迭代最近点配准的点到面约束相结合,以提高相邻帧数据配准算法的精度与鲁棒性。利用相邻4帧数据连续点共面约束,对相邻帧数据配准结果进行全局优化,以提高模型重建的精度。在理论分析基础上,通过实验验证了该算法在Kinect Fusion无法实现追踪、建模的场景中鲁棒性依然较好,点云配准及建模精度符合Kinect观测精度。     

植被稀疏地区沟蚀变化的地面激光扫描监测与沟蚀量估算

针对传统沟蚀监测手段劳作强度大,且数据采集的完整性、代表性受切沟复杂地形制约等问题,提出了一种针对植被稀疏地区沟蚀变化的地面激光扫描（terrestrial laser scanning,TLS）监测方法,形成了一套数据处理与侵蚀量计算技术流程。以河北省官厅水库东岸某大型切沟为例,利用高精度TLS进行两年3期野外监测与点云数据分析。通过点云配准、滤波、重采样及曲面拟合等预处理,生成不同采样分辨率下3期切沟表面模型,并提取地形信息;采用杨赤中滤波推估法计算并比较不同点云重采样分辨率下的沟蚀量。结果表明:（1）当点云重采样分辨率与切沟表面凹凸微结构暨石块粒径（2~6cm）接近时,沟蚀量估算值趋于稳定、结果可靠;（2）经侵蚀作用,切沟外壁表面高程整体降低2~20 cm;（3）切沟内壁侵蚀量不均衡,坡度较大处侵蚀最为显著。     

干旱区大尺度土壤盐度信息环境建模——以新疆天山南北中低海拔冲积平原为例

区域空间信息有助于决策者针对特定潜在和既定的土壤盐渍化区域制定改良和优化政策,以避免灌区水土资源的不合理配置和干旱区土地生态系统持续性退化。然而现存区域尺度土壤盐度数据以矢量方式留存,多边形内部土壤属性无空间变异性,缺乏实时更新,对当下实际指导作用具有一定的局限性。随着人类活动的加剧,土壤及其结构性退化正加速危害土壤质量和健康。对此,急需更新或升级,用于刻画干旱区生态系统中土壤盐度数据,以辅助制定相关政策,减缓土壤盐渍化的危害。针对此问题,本文基于代表性等级的采样设计方法（Integrative Hierarchical Sampling Strategy, IHSS）,获取少量典型样点,结合土壤—环境推理模型（soil land inference model, SoLIM）,尝试推理区域尺度土壤盐分含量信息。研究以新疆天山南北中低海拔冲积平原为案例,仅以23个代表性样本,推理陆表（0~10 cm）土壤盐分含量,源自3个典型绿洲94个野外样本的验证数据显示,依据评判标准,预测结果与实际情况较为相符,与线性回归模型相比,具备处理土壤与环境变量之间非线性关系的SoLIM,推理精度更高。所以,研究认为模糊隶属度加权平均的方法（IHSS-SoLIM）可以通过较小的建模点得到更好的预测效果,可作为区域尺度土壤盐度推理的备选方案。     

基于GIS的承德乡村地名文化景观空间分布特征

将承德地区乡村地名作为离散点,以GIS中移动搜索法的点距离空间平滑分析法为支撑,从地理区域这一角度分析地名文化景观空间分布特征。研究发现：承德地区自然类景观,以“山”、“水文”、“动植物”命名的地名分布主要位于中低海拔高度的平坦地区;承德地区乡村地名文化景观划分为军事活动类、经济活动类、房屋建筑类、美愿与纪念类、满蒙少数民族语言及方言类,其空间分布特征与当地历史时期的军事、生产生活、社会变迁的相对频繁程度以及人口稠密情况基本上相符合。     

基于地理探测器的区域土壤耕层有机碳含量 多元复合模型构建——以珠三角核心区为例

区域土壤耕层有机碳含量的精确测算,对于研究全球碳循环至关重要,但其影响因素多,空间变异性强,现有插值测算方法精度偏低。从提高测算精度出发,基于地理探测器技术,改进传统的协同克里格插值方法,构建多元复合模型进行区域土壤耕层有机碳含量的测算,并以珠三角核心区为例进行实际验证。结果表明：1）珠三角核心区土壤耕层有机碳含量空间变异与地形、水文、土壤和农田利用方式等有关,不同因素的贡献力存在较大差异,各因素贡献力（q统计量）在0.076~0.201之间,其中土壤理化性状与农田利用方式的贡献力大于地形、水文,区别不同因素的贡献力进行土壤耕层有机碳含量的精确测算应是客观要求。2）依照地理探测器分析结果,基于不同因素贡献力构建土壤耕层有机碳含量多元复合模型,插值测算精度明显提升,在珠三角核心区普通克里格、地理加权回归克里格和BP神经网络克里格的土壤耕层有机碳含量插值结果精度较多元复合模型下降16.62%、23.86%和37.33% 。由结果发现,多元复合模型突破了现有算法中辅助因素数量的局限,有效抑制了区域SOCC测算过程中的影响因素耦合噪声,降低了测算结果的不确定性。