[发明专利]基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法

说明书

技术领域

本发明方法涉及一种基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法；本方法根据国内机载LIDAR数据自身的特点设计，在数据存在点云密度低、点云缺失、点云噪声大、无回波、非正射、航拍图像与点云不匹配的情况下，仍然可以得到高效的效果；本方法可以广泛处理我国目前机载LIDAR数据，采集部分的LIDAR数据可以通过机载三维激光LIDAR获得，采集部分的航拍正射影像可以通过机载高分辨率数码相机获得，处理平台与显示部分可以通过普通PC机完成功能；本方法在数据量大、数据不准确的情况下仍可以快速处理并获得令人接受的效果，应用前景广泛。

背景技术

目前基于机载LIDAR数据的建筑重建技术还处在研究探索阶段，国内外学者提出多种不同的方法，主要包括两大类，一是基于数据驱动的单个建筑精细建模方法；二是基于模型驱动的大规模快速建模方法，但上述两类方法都对LIDAR数据和航拍正射影像质量有较高要求。国内机载LIDAR数据与航拍图像的采集刚刚兴起，目前常用的激光LIDAR系统获得的数据往往存在点云密度低、点云缺失、点云噪声大、无回波、非正射、航拍正射图像与点云数据不匹配的问题，不能满足传统方法对数据高质量的要求。如果选择购买国外价格昂贵的尖端激光LIDAR系统，虽然可能具有较好的效果，但其高昂的费用，让广大国内用户望尘莫及，势必对我国该领域的发展带来阻碍。因此，迫切需要一种能够满足目前国内激光LIDAR系统特点，又能产生令人可以接受效果的城市快速建模方法出现。

发明内容

本发明的目的是根据国内现有机载LIDAR数据与航拍图像技术采集数据质量不高的特点，采用本发明提出的基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法，能够对质量不高的数据进行有效处理，获得比传统方法下更为高效的处理效率与更加精确的结果。

本发明提出的基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法，包括数据采集平台、控制与分析平台、结果管理与显示平台、存储设备。数据采集平台采用国内常用的机载激光LIDAR系统获得LIDAR数据，采用机载高分辨率数码相机获得航拍正射影像，将激光LIDAR系统与高分辨率数码相机安置于飞行平台中，并飞行至目标地上空进行数据采集，通过数据解算将数据保存至数据处理平台中。

控制与分析平台主要负责对算法涉及到的各个平台的指令发布、数据传输控制与数据分析处理，如：发出指令使采集平台进行数据采集；控制数据存储器读取采集平台采集到的LIDAR数据、高清正射影像数据以及飞行平台POS数据、GPS差分数据；对采集数据进行分析；最后将其传输到结果管理与显示平台。数据处理平台的基本分析处理功能包括：从存储设备读取数据的操作；去除墙壁点的操作，因为墙壁点常出现在质量较差的数据源中；标记阶跃点的操作，对满足阈值的点云进行标记，可以得到代表房屋边缘的点；分离地面点的操作，用于生成地面种子点，进而生成地面云团，从而实现地面的分离；点云分割的操作，对去掉了墙壁点的非地面云团进行区域生长，使不同高度的屋顶云团分离；去植被点的操作，用于将阶跃点中可能存在的植被点去除；点云沉降操作，用于解决点云密度不够产生的建筑物部件分离的情况；进行轮廓提取的操作，以获得清晰的城市建筑物轮廓边集；轮廓平滑的操作，目的是降低边上的扰动同时又尽量使拐角不至变得过钝；轮廓规则化的操作，将平滑过后变圆的边角变成规则的锐角；建立顶面的操作，用以获得建筑物的顶部并进行渲染；生成墙壁面的操作，用于生成建筑物多边形周围的墙壁面；纹理映射操作，用于对墙壁面映射对应的正确纹理。

结果管理与显示平台主要负责将数据处理部分生成的结果有效管理与快速显示，该部分从程序上分为两部分：使用一棵四叉树管理所有建筑，以进行隐藏建筑的剔除；使用另一棵四叉树管理DEM，可以用于实现地形LOD和隐藏地形块的剔除。

本发明方法的设备和步骤如下：

1.所需设备：一个数据采集平台包括一个机载三维激光LIDAR系统(本发明采用的是ALS50-II机载激光LIDAR系统)、一个机载高清数码相机(本发明采用的是徕卡RCD105-60型高分辨率数码相机)、一个飞行平台搭载差分GPS模块、测距单元、INS模块(本发明采用的是运5-B固定翼飞行平台)；一个控制与分析平台(本发明采用的是普通PC机)；结果管理与显示平台；数据存储装置。

2.实现步骤：