專利名稱：一種機(jī)載lidar單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)繪遙感領(lǐng)域中的數(shù)字線劃圖測(cè)圖技術(shù)，特別是一種機(jī)載LIDAR 技術(shù)下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的數(shù)字線劃圖測(cè)圖方法，主要采用工程測(cè)量、傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)。但這些 傳統(tǒng)技術(shù)手段都存在明顯的缺點(diǎn)和不足(1)工程測(cè)量存在工作量大、項(xiàng)目成本高、周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等多方面缺點(diǎn)，在大 范圍數(shù)字線劃圖測(cè)圖項(xiàng)目中不具有經(jīng)濟(jì)可行性；(2)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量需要布設(shè)大量外業(yè)像控點(diǎn)、立體測(cè)圖自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效 率低、項(xiàng)目周期長(zhǎng)、在山區(qū)特別是林木覆蓋地區(qū)測(cè)圖精度差，在大比例尺數(shù)字線劃圖測(cè)圖中 存在很大的局限性。所以在數(shù)字線劃圖測(cè)圖過程中采用工程測(cè)量、傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量等方法時(shí)，不可 避免地帶來很多麻煩且效率低下。因此，現(xiàn)有技術(shù)存在自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低、項(xiàng)目成 本高，開發(fā)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品精度低等多方面缺點(diǎn)。怎樣在保證數(shù)字線劃圖測(cè)圖產(chǎn)品質(zhì)量的前提 下，提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率、降低項(xiàng)目成本，縮短開發(fā)周期成為本領(lǐng)域科技人員急待解 決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有測(cè)繪遙感技術(shù)在數(shù)字線劃圖測(cè)圖中帶來的諸多問題，提高生產(chǎn)效 率，本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)載LIDAR單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法。它在 保證數(shù)字線劃圖產(chǎn)品精度的情況下，提高了測(cè)圖的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，極大的降低了 項(xiàng)目開發(fā)成本，縮短了項(xiàng)目周期，克服了傳統(tǒng)測(cè)繪遙感技術(shù)手段存在的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在獲取機(jī)載LIDAR航測(cè)原始成果并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理 后，構(gòu)建激光點(diǎn)云輔助下的航片單片測(cè)圖環(huán)境，通過高效的自動(dòng)化算法和實(shí)用的人工交互 方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑物、道路、水系、植被等地物要素矢量線劃的半自動(dòng)提取，結(jié)合單片測(cè)圖 環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)其它地物要素的繪制，通過高密集的激光點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)等高線和高程注記點(diǎn)的自動(dòng) 生成，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載LIDAR單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖。本項(xiàng)發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)①變革了傳統(tǒng)立體像對(duì)方式的測(cè)圖思路，避免了傳統(tǒng)航測(cè)方法下數(shù)字線劃圖全手 工測(cè)圖問題，成倍的提高了測(cè)圖生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)也可以采用單片測(cè)圖方法，但與本方法不同，該方法不能有效 利用激光點(diǎn)云的有效信息，也不能實(shí)現(xiàn)要素像空間向物空間的快速轉(zhuǎn)換。 ②較低的測(cè)圖項(xiàng)目成本，較短的測(cè)圖周期 機(jī)載LIDAR不需要外業(yè)地面像控點(diǎn)、在部分矢量線的提取方面實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化甚 至全自動(dòng)化，可極大的節(jié)省項(xiàng)目開發(fā)成本，縮短測(cè)圖項(xiàng)目周期。
③高精度的數(shù)字線劃圖產(chǎn)品機(jī)載LIDAR與傳統(tǒng)數(shù)碼航片一樣，參考高分辨率的數(shù)碼航片可精確確定地物要素 的平面位置。但機(jī)載LIDAR同時(shí)可獲取高精度、高密集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過內(nèi)插后生 成的等高線和高程注記點(diǎn)高程精度可達(dá)到20cm左右，在森林覆蓋密集的山區(qū)優(yōu)勢(shì)更為明 顯。相比于傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量，機(jī)載LIDAR可獲取更高精度的數(shù)字線劃圖產(chǎn)品。
具體實(shí)施例方式機(jī)載LIDAR單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法與現(xiàn)有技術(shù)相比有很大的 不同，具體是通過設(shè)備的檢校飛行，可完成激光傳感器和數(shù)碼相機(jī)兩種設(shè)備參數(shù)的精確檢校； 以激光點(diǎn)云條帶、數(shù)碼航片條帶的重疊部分信息為參考，參考少量地面控制點(diǎn)，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù) 進(jìn)行整體平差處理，同時(shí)參考點(diǎn)云構(gòu)成的數(shù)字地面模型和高精度Pos輔助定位信息對(duì)航片 進(jìn)行整體空三加密處理，可得到測(cè)區(qū)內(nèi)高精度的數(shù)字高程模型和具有高精度外方位元素的 數(shù)碼航片，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云和航片在像空間的精確匹配；構(gòu)建點(diǎn)云和航片集成的單片測(cè)圖環(huán)境，采 用人工輔助方式實(shí)現(xiàn)建筑物和道路、水系、植被等線狀地物特征線的半自動(dòng)提取；其它剩余 地物提取，仍在單片測(cè)圖環(huán)境中采用手工編輯完成；同時(shí)，參考高精度的激光點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)等 高線內(nèi)插和高程注記點(diǎn)的自動(dòng)生成。1、設(shè)備激光傳感器和數(shù)碼相機(jī)參數(shù)的精確檢校。激光傳感器需檢校heading、 roll,pitch三個(gè)參數(shù)，數(shù)碼相機(jī)除需檢校heading、r0ll、pitCh外，還需檢校相機(jī)的畸變參 數(shù)。兩套傳感器的設(shè)備檢校需選取滿足技術(shù)要求的檢校場(chǎng)，測(cè)量外業(yè)地面控制點(diǎn)，采用專業(yè) 數(shù)據(jù)處理和分析方法進(jìn)行設(shè)備檢校參數(shù)的解算，去除測(cè)量過程中的系統(tǒng)誤差。2、點(diǎn)云和數(shù)碼航片的精確匹配。由于測(cè)區(qū)實(shí)地航測(cè)飛行過程中Pos定位定姿存在 一定的偶然誤差，原始航測(cè)獲取的點(diǎn)云和數(shù)碼航片會(huì)存在一定的誤差，需要進(jìn)行整體平差 優(yōu)化，得到具有最好精度的成果數(shù)據(jù)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)而言，可參考機(jī)載LIDAR點(diǎn)云測(cè)量原理， 確定誤差模型，以相鄰或交叉區(qū)域點(diǎn)云錯(cuò)位信息為參考采用整體平差方法解算出X、1、ζ、 heading、roll、pitch六個(gè)變量的改正值，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云精度的整體優(yōu)化；參考地面激光點(diǎn)云 構(gòu)建的數(shù)字地面模型和POS輔助定位信息，內(nèi)業(yè)采集測(cè)區(qū)航片重疊區(qū)域同名點(diǎn)，參考公共 點(diǎn)較差進(jìn)行測(cè)區(qū)整體空三加密，整體平差后對(duì)每張航片的外方位元素進(jìn)行微小改正，去除 局部偶然誤差。在對(duì)點(diǎn)云和航片數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行整體優(yōu)化后，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云和航片的精確匹配。 兩種數(shù)據(jù)源的匹配是以透視投影方式在二維像空間中實(shí)現(xiàn)，匹配的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)為攝影測(cè)量學(xué) 中的共線方程，具體如下χ = -f (al (X-Xs)+bl (Y-Ys)+cl (Z-Zs) )/(a3 (X-Xs)+b3 (Y-Ys)+c3 (Z-Zs))y = -f (a2 (X-Xs) +b2 (Y-Ys) +c2 (Z-Zs)) / (a3 (X-Xs) +b3 (Y-Ys) +c3 (Z-Zs))3、航片單片模式下的建筑物和道路、水系、植被等線狀地物矢量線劃的半自動(dòng)提 取。具體方法如下(1)人工輔助方式的建筑物外輪廓提取方法在激光點(diǎn)云地面濾波分類完成后， 參考高程差值、屋頂法向量一致性等特征，進(jìn)行建筑物屋頂面片點(diǎn)云的分類。在激光點(diǎn)云建 筑物分類完成后，建筑物外輪廓的提取主要包括基于激光點(diǎn)云和數(shù)碼航片的建筑物外輪廓 邊界特征線提取和基于屋頂點(diǎn)云和邊界特征線的建筑物外輪廓拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建。
(2)人工輔助方式的道路、水系、植被等線狀地物特征線提取方法航片單片方式 線狀地物特征線的半自動(dòng)提取方法，主要采用snake算法結(jié)合點(diǎn)云改進(jìn)后實(shí)現(xiàn)。以道路為 例的snake算法實(shí)現(xiàn)思路如下①給出航片中道路邊線上的一點(diǎn)，將這一點(diǎn)作為種子點(diǎn)。② 以種子點(diǎn)為中心，以適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度為半徑，在航片中得到一個(gè)圓。對(duì)這個(gè)圓上的灰度斷面曲線 或梯度斷面曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，可以得到灰度或者梯度的極值點(diǎn)。③以種子點(diǎn)和灰度或梯度斷 面曲線的兩個(gè)極值點(diǎn)可以構(gòu)成初始snake的曲線SO。④以SO為基礎(chǔ)，運(yùn)用優(yōu)化算法，則可 由這段初始曲線提取道路的輪廓線⑶。⑤如果曲線的長(zhǎng)度可以增加，則生成一個(gè)可以使整 條曲線增長(zhǎng)的Ci曲線序列。⑥以一定閾值為參考對(duì)整套曲線折線化，確定折線上每個(gè)節(jié)點(diǎn) 的高程并轉(zhuǎn)換到三維物方空間。4、以上地物在完成半自動(dòng)提取后，還需要對(duì)其它剩余地物進(jìn)行線劃提取，同時(shí)生 成等高線和高程注記點(diǎn)。建筑物、道路、水系、河流之外的地物線劃提取，均在航片單片測(cè)圖 環(huán)境中采用人工繪制方式實(shí)現(xiàn)；等高線和高程注記點(diǎn)可參考測(cè)圖規(guī)范全自動(dòng)提取后，采用 人工方式進(jìn)行核查和修改。5、其中基于激光點(diǎn)云和數(shù)碼航片的建筑物邊界特征線提取方法如下①對(duì)建筑物 和地面點(diǎn)云聯(lián)合構(gòu)建三角網(wǎng)模型，確定點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系；②搜索符合建筑物邊緣區(qū)域 特征的三角形并進(jìn)行標(biāo)記，特征三角形的判斷標(biāo)準(zhǔn)為三角形上有地面和建筑物屋頂兩類三 角形頂點(diǎn)，參考三角形中建筑物屋頂點(diǎn)的高度，修改地面激光點(diǎn)的高程值，抬高到與建筑物 屋頂同高的高度，編輯后形成建筑物外輪廓邊界緩沖區(qū)；③通過以上介紹的共線方程，把三 維空間中的外輪廓緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換到航片二維像空間中。采用Carmy算法在航片有效分析區(qū)內(nèi) 進(jìn)行建筑物邊界特征線的提取，參考分析區(qū)內(nèi)的點(diǎn)云、建筑物主方向、建筑物特征線長(zhǎng)度等 信息，對(duì)提取的建筑物特征線進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類，建立建筑物邊界特征線的分級(jí)候選庫。④在 航片上分級(jí)顯示建筑物特征線分類結(jié)果，設(shè)計(jì)一套人工交互方法實(shí)現(xiàn)對(duì)遺漏特征線的快速 提取和冗余、錯(cuò)誤特征線的快速刪除、修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工輔助下的建筑物外輪廓邊界特征線 半自動(dòng)提取。6、其中基于屋頂點(diǎn)云和特征邊線的建筑物外輪廓拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建方法以上提取的 建筑物外輪廓特征線均為不連續(xù)的矢量線段，基本能表現(xiàn)出建筑物的外輪廓位置和走向， 但提取的均為斷裂的特征邊線，需要構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系使之形成一個(gè)封閉、特征線首尾相連的 多邊形。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本方法引用經(jīng)典的空間二叉樹分裂合并算法，具體算法實(shí)現(xiàn)思路 如下①讀取建筑物對(duì)應(yīng)的建筑物點(diǎn)和周圍地面點(diǎn)，讀取所有的邊界特征線，計(jì)算這些點(diǎn)的 最小外包多邊形框，以該多邊形框作為初始的區(qū)域。②以多邊形的長(zhǎng)度進(jìn)行分裂操作的優(yōu) 先級(jí)排序，對(duì)最新分類的多有子區(qū)域進(jìn)行二元分割。③對(duì)最終的子區(qū)域進(jìn)行區(qū)域?qū)傩耘袛啵?主要分類建筑物和地面兩類。對(duì)于子區(qū)域中既包括建筑物點(diǎn)又包括地面點(diǎn)的子區(qū)域，以點(diǎn) 的多少進(jìn)行那個(gè)對(duì)比分析，確定該子區(qū)域較多點(diǎn)的屬性為子區(qū)域的屬性。④對(duì)具有建筑物 屬性標(biāo)記的所有子區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，并合并所有相鄰的建筑物類子區(qū)域。⑤最終合并的建筑 物區(qū)域多邊形對(duì)應(yīng)的外輪廓邊界即為要提取的建筑物外輪廓。7、其中地物要素特征線從像空間到物空間的轉(zhuǎn)換方法確定航片二維像空間上的 矢量線后，參考匹配的點(diǎn)云確定矢量線在物方的高程坐標(biāo)，參考攝影測(cè)量學(xué)中的共線方程， 采用改進(jìn)后的光束_物方交會(huì)方法解算矢量線在物方的平面坐標(biāo)。光束_物方交會(huì)方法常 用的計(jì)算公式如下
X = Xl+ (Z-Zl) (U/W)Y = Yl+ (Z-Zl) (V/W)其中，X、Y、Z為待求點(diǎn)的物方空間三維坐標(biāo)；Xl、YL、4為投影中心的物方空間三維 坐標(biāo)；U、V、W為待求像點(diǎn)的像空間輔助坐標(biāo)。
權(quán)利要求
一種機(jī)載LIDAR單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法，其特征是在獲取機(jī)載LIDAR航測(cè)原始成果并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，構(gòu)建激光點(diǎn)云輔助下的航片單片測(cè)圖環(huán)境，通過高效的自動(dòng)化算法和實(shí)用的人工交互方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑物、道路、水系、植被等地物要素矢量線劃的半自動(dòng)提取，結(jié)合單片測(cè)圖環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)其它地物要素的繪制，通過高密集的激光點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)等高線和高程注記點(diǎn)的自動(dòng)生成，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載LIDAR單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載LIDAR單片模式下數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法，其特征 是其中機(jī)載LIDAR航片單片模式下的建筑物外輪廓半自動(dòng)提取方法如下①參考點(diǎn)云分 類結(jié)果，確定建筑物外輪廓的有效分析區(qū)；②采用Carmy算法在航片有效分析區(qū)內(nèi)進(jìn)行建 筑物邊界特征線的提取，參考分析區(qū)內(nèi)的點(diǎn)云、建筑物主方向、建筑物特征線長(zhǎng)度等信息， 對(duì)提取的建筑物特征線進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類，建立建筑物邊界特征線的分級(jí)候選庫；③在航片 上顯示建筑物特征線分類結(jié)果，設(shè)計(jì)一套人工交互方法實(shí)現(xiàn)對(duì)遺漏特征線的快速提取和冗 余、錯(cuò)誤特征線的快速刪除和修改；④參考建筑物屋頂點(diǎn)云高程信息，實(shí)現(xiàn)建筑物特征線像 空間向物空間的轉(zhuǎn)換；⑤參考物空間建筑物特征線和分析區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用分裂合并算法 自動(dòng)構(gòu)建建筑物外輪廓拓?fù)潢P(guān)系，生成建筑物外輪廓邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)載LIDAR航片單片模式下的建筑物外輪廓半自動(dòng)提取方 法，其特征是其中建立建筑物邊界特征線的分級(jí)候選庫方法如下①建筑物特征線分為 三級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)主要為建筑物特征線有效長(zhǎng)度、特征線與主方向的偏角、特征線兩側(cè)點(diǎn)云 類別密度比。②第一級(jí)建筑物特征線的篩選方法為首先，篩選出長(zhǎng)度大于一定閾值的特征 線；之后，在此結(jié)果基礎(chǔ)上篩選出與主方向偏角小于一定閾值的特征線；然后，在此結(jié)果基 礎(chǔ)上篩選出地面和建筑物點(diǎn)類別密度比大于一定閾值的特征線；最后，在此提取集中，對(duì)周 圍垂直方向無小于一定距離特征線的特征線，直接確定為第一級(jí)建筑物特征線，對(duì)于周圍 垂直方向有小于一定距離特征線的特征線，偏向地面一側(cè)的分為第一級(jí)建筑物特征線，偏 向建筑物一側(cè)的分為第三級(jí)建筑物特征線。③對(duì)于長(zhǎng)度小于一定閾值的特征線，分為第三 級(jí)建筑物特征線；剩余建筑物特征線統(tǒng)一分為第二類特征線。其中，第一級(jí)特征線為直接可 參考使用的建筑物邊界特征線，第三級(jí)特征線為信任度最差的建筑物邊界特征線，第二級(jí) 特征線為后期人工輔助編輯時(shí)重點(diǎn)參考的候選邊界特征線。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)載LIDAR航片單片模式下的建筑物外輪廓半自動(dòng)提取方 法，其特征是其中一套實(shí)現(xiàn)對(duì)遺漏特征線的快速提取和冗余、錯(cuò)誤特征線的快速刪除、修 改的人工交互方法如下①在航片單片測(cè)圖環(huán)境中顯示分級(jí)候選庫中的所有第一級(jí)特征 線，絕大部分均為真實(shí)、可用的特征線；對(duì)于多余的邊界特征線，通過鼠標(biāo)點(diǎn)選方式直接刪 除，對(duì)于位置和方向錯(cuò)誤的邊界，通過鼠標(biāo)點(diǎn)選并重新在航片上人工輸入特征線位置后進(jìn) 行替換；②第一季特征線核實(shí)完成后，屏蔽不顯示第一級(jí)特征線，顯示第二級(jí)特征線。在第 二級(jí)特征線中，對(duì)于提取正確且需要的邊界特征線，通過鼠標(biāo)捕捉高亮提示選擇方式進(jìn)行 人工交互；③對(duì)于航片上算法未自動(dòng)提取的特征線，可采用人工在航片上沿邊界垂直方向 劃線方式提供輔助信息，之后調(diào)節(jié)圖象邊界提取算法的參數(shù)值，自動(dòng)把需要的邊界線提取 出來，人工鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)載LIDAR單片模式下的數(shù)字線劃圖半自動(dòng)測(cè)圖方法。在獲取機(jī)載LIDAR航測(cè)原始成果并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，構(gòu)建激光點(diǎn)云集成模式下的航片單片測(cè)圖環(huán)境，在人工輔助下通過高效的算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑物、道路、水系、植被等地物要素的半自動(dòng)測(cè)圖，在航片單片模式下人工完成對(duì)剩余地物線劃的繪制，并通過高密集的激光點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)對(duì)等高線和高程注記點(diǎn)的自動(dòng)提取，可提高數(shù)字線劃圖測(cè)圖的質(zhì)量和工作效率，大大降低項(xiàng)目開發(fā)成本。
文檔編號(hào)G01S7/48GK101975952SQ20101027924
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者李建平, 江宇, 王力, 王國(guó)飛, 竇華成, 鄧世軍 申請(qǐng)人:天津市星際空間地理信息工程有限公司