[发明专利]一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及遥感测绘领域，尤其是一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法。

【背景技术】

建筑物作为三维地理信息系统中的重要组成部分，由于其具有相对固定的位置和相对规则的外形，通常将其作为激光雷达点云数据中的重要标定物。因此，在激光雷达点云数据的处理过程中，如何实时、准确地提取出其中所包含的建筑物位置信息和顶面类型信息是一项急需解决的重要问题。目前，针对激光雷达点云数据进行滤波、分割处理的方法基本上都是采用“后处理”的方式，如：数学形态学滤波方法、三角网格滤波方法、区域生长方法、随机采样一致性方法和K-means聚类分析方法等。这些方法较为适合于处理片状点云数据，虽然具有较高的精度，但所需的运算时间较长，很难满足在扫描过程中进行实时成像和建筑物特征提取的需求。

在胡翔云、李小凯申请的发明专利(申请号：201110337099.0)所述方法中，激光雷达的点云数据被按照其所包含的各条扫描线分别进行滤波处理。借助于该方法可以在激光雷达的扫描过程中对点云数据进行实时处理，但该方法无法满足实时成像和建筑物特征提取等处理要求。在郝泳涛申请的发明专利(申请号：200710045734.1)所述方法中，离散小波变换被应用于二维激光雷达点云数据处理中。但在该所述方法中小波变换仅被作为一种去噪方式，并不涉及地面及建筑物的分类和建筑物特征提取等处理。

在本发明所述方法中，对在激光雷达扫描过程中完成扫描的一条扫描线，利用最小二乘拟合方法计算出其所对应的理想扫描直线，将扫描线上的激光脚点映射到理想扫描直线上。通过栅格化和线性插值的方法，根据各条理想扫描线上激光脚点的高程值计算出各条理想扫描线上栅格位置的高程值，从而，将各条扫描线上激光脚点的位置和高程值转换为一组规则的高程值序列。利用平稳离散小波变换对高程值序列进行分析，从获得的小波细节系数中提取出建筑物位置信息和顶面类型信息等。通过时空关联性分析，利用相邻扫描线上的高程值和小波细节系数等对各条扫描线的提取结果进行校验，保证数据提取的准确性。与传统点云数据处理方法相比，本发明所提的方法具有可以在激光雷达扫描过程中对点云数据进行实时处理的特点，所获得的处理结果的数据更新频率等于所采用激光雷达的线扫描频率。

【发明内容】

本发明是一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法。利用最小二乘拟合方法计算出激光雷达点云数据中各条扫描线的理想直线表达式。利用栅格化和线性插值的方法计算出理想直线上各个栅格位置对应的高程值。利用离散平稳小波变换提取出各条扫描线高程值序列的高程变化信息，并从中提取出建筑物边缘位置信息，以及建筑物的顶面类型信息。利用灰度化的方法对各条扫描线的高程值序列和小波细节系数进行灰度值计算，得出其所对应探测区域的实时图像信息。利用时空关联性方法分析相邻扫描线上对应栅格位置的高程值、小波细节系数以及建筑物位置信息和建筑物的顶面类型信息，对所得到的点云数据提取结果进行校验，提高建筑物特征提取的准确度。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法，步骤如下：

步骤一、对点云数据中同属于一条扫描线的激光脚点在xoy平面内进行直线化处理。

理想条件下，激光雷达通过扫描机构中棱镜转动所获得的一条扫描线上的激光脚点在笛卡尔三维xyz坐标系内的xoy平面上应该较为均匀地分布在同一条直线上。但是在实际情况中，由于地面物体的高程变化，以及激光雷达载荷平台在复杂气流影响下出现的航向角、侧滚角和俯仰角偏差，各条扫描线上的激光脚点与其理想扫描线之间存在一定的距离偏差。在激光雷达扫描过程中，利用最小二乘拟合方法计算出实际获得扫描线所对应的理想扫描线方程，使在xoy平面内，扫描线上所有激光脚点到该理想直线的距离平方和最小。计算各个激光脚点在xoy平面内与该理想直线的垂线，并以各条垂线与该理想直线在xoy平面内的交点坐标作为各个激光脚点经过直线化处理后的x轴和y轴坐标。

步骤二、在理想扫描线上，对直线化处理后的激光脚点进行高程值栅格化处理。

经过直线化处理后，理想扫描线上的激光脚点为一直线形式分布，以各个激光脚点在该直线上的间距的平均值作为栅格的间距值。以该间距值将直线从第一个激光脚点开始分割成若干栅格。利用直线上各个激光脚点的高程值，采用线性插值的方法，计算出该理想直线上各个栅格位置处的高程值。

步骤三、基于平稳小波变换的激光雷达实时成像和建筑物特征提取处理。