利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被三維覆蓋的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被三維覆蓋的方法，包括如下步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理，機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中值濾波和數(shù)據(jù)高度歸一化。根據(jù)航空攝影狀況進(jìn)行地物激光點(diǎn)強(qiáng)度值校準(zhǔn)后分析的結(jié)果，建立依據(jù)強(qiáng)度值和空間信息的分類規(guī)則，用來(lái)區(qū)分植被與非植被激光點(diǎn)。利用現(xiàn)有工具評(píng)估規(guī)則的有效性，并優(yōu)化后進(jìn)行激光點(diǎn)分類。激光點(diǎn)垂直分層，利用反距離法(IDW)對(duì)分層數(shù)據(jù)分別內(nèi)插，得到植被三維覆蓋圖。
【專利說(shuō)明】利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被H維覆蓋的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被S維覆蓋的方法，本發(fā)明所 屬【技術(shù)領(lǐng)域】為資源環(huán)境遙感或數(shù)字圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其適用于生態(tài)城市=維植被覆蓋 地理信息數(shù)據(jù)提取。

【背景技術(shù)】
[0002] 在城市植被覆蓋信息提取中，應(yīng)用高分辨率影像相對(duì)成熟，但只能獲得植被平面 的覆蓋分布，存在山體植被投影面積變小等問(wèn)題。隨著近年來(lái)機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)技術(shù) 的蓬勃發(fā)展，使國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于LiDAR點(diǎn)云W及與影像結(jié)合的方式進(jìn)行城市S維植被覆蓋 研究成為可能。獲取城市=維植被覆蓋圖，有利于精細(xì)化評(píng)估生態(tài)城市設(shè)及植被或綠化的 指標(biāo)體系，對(duì)城市環(huán)境改善和城市居民生活具有重大意義。
[0003] 機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)是整合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GP巧和慣性測(cè)量裝置（IMU)技 術(shù)的機(jī)載激光掃描，可W獲得地面物體的S維坐標(biāo)和其他有關(guān)信息。機(jī)載LiDAR傳感器發(fā) 射的激光脈沖能部分穿透樹冠遮擋，受可見光線影響很小，直接獲取高精度=維地表地形 空間數(shù)據(jù)。LiDAR技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)后處理，可W生成高精度的數(shù)字高程模型值EM)、等 高線圖（CM)和數(shù)字地表模型值SM)等測(cè)繪產(chǎn)品，具有傳統(tǒng)攝影測(cè)量和地面常規(guī)測(cè)量技術(shù)無(wú) 法取代的優(yōu)越性。
[0004] 通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，結(jié)合DEM和DSM成果，可W得到與遙感多光譜數(shù)據(jù)一樣的 二維城市綠化覆蓋信息。而且，由于激光雷達(dá)的原生的S維特征，自然可W獲得S維城市綠 化覆蓋圖。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的；本發(fā)明提出一種利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被=維覆蓋的方 法，有效提取城市植被=維覆蓋信息，獲得=維覆蓋圖，解決城市植被覆蓋調(diào)查中使用二維 影像使地表面積變小問(wèn)題，有利于研究如何提高城市居民生態(tài)生活環(huán)境質(zhì)量。
[0006] 技術(shù)方案：利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被=維覆蓋的方法，包括如下步 驟：
[0007] 第一步，數(shù)據(jù)預(yù)處理。建立基于機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)點(diǎn)云數(shù)據(jù)強(qiáng)度信息的中值 濾波器，利用此中值濾波器對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波，去除強(qiáng)度噪聲。用激光點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程值減去地 面高程值EM)值，高度歸一化，去除地表起伏的影響。包括如下子步驟：
[000引 （1)根據(jù)原始點(diǎn)云的密度情況，劃分規(guī)則格網(wǎng)（格網(wǎng)步長(zhǎng)D)，使點(diǎn)云落在格網(wǎng)中， 從而建立空間索引框架。
[0009] (2)求出格網(wǎng)中最大強(qiáng)度值的點(diǎn)，保存其坐標(biāo)和強(qiáng)度值，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集。
[0010] (3)按點(diǎn)云的強(qiáng)度值從大到小排序數(shù)據(jù)集中的所有點(diǎn)，并判斷強(qiáng)度值最大的點(diǎn)是 否小于給定的截止闊值（I);若大于等于I值，則執(zhí)行下一步；若小于I值，則計(jì)算結(jié)束。
[0011] (4) W數(shù)據(jù)集中第一個(gè)點(diǎn)為中心一定的半徑佩在空間索引框架下，捜索激光 點(diǎn)，對(duì)捜索到的激光點(diǎn)按其強(qiáng)度值從大到小排序，用該個(gè)序列點(diǎn)的強(qiáng)度中值替換捜索中屯、 點(diǎn)的強(qiáng)度值。
[0012] (5)更新數(shù)據(jù)集中的強(qiáng)度值和捜索框架中點(diǎn)的強(qiáng)度值，重復(fù)第（3)步，直到計(jì)算結(jié) 束。
[0013] (6)輸出強(qiáng)度中值濾波結(jié)果。
[0014] 第二步，地物激光點(diǎn)強(qiáng)度值校準(zhǔn)后分析。同種地物在不同測(cè)量距離上LiDAR點(diǎn)云 的強(qiáng)度值并不相同，主要與距離有關(guān)，利用公式校準(zhǔn)強(qiáng)度。根據(jù)影像在一個(gè)飛行架次的城市 區(qū)域中選擇典型地物，分析其反射LiDAR強(qiáng)度的特征，從中找出利用LiDAR強(qiáng)度提取地物的 一般規(guī)律。
[0015] 第=步，建立依據(jù)強(qiáng)度值和空間信息的分類規(guī)則，用來(lái)分類植被與非植被。包括如 下子步驟：
[0016] (1)高大植被與房屋等高大建筑的歸一化后高度值較大，但建筑的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離 值小而植被強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值大，除了特殊材料，植被的強(qiáng)度均值大于建筑的。
[0017] (2)草地植被與道路等人工地物歸一化后高度值較小，但草地等植被的強(qiáng)度均值 大，且強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值亦大；通常道路的強(qiáng)度均與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值都小，個(gè)別鋪裝路面強(qiáng)度 均值大，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值卻小。
[001引 （3)純凈水面沒(méi)有激光點(diǎn)，有雜物或水生植物的水面點(diǎn)云強(qiáng)度均值小但強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn) 偏離值大。
[0019] (4)植被生長(zhǎng)一般喬灌草共生或單種植被成片，在選擇激光點(diǎn)強(qiáng)度闊值時(shí)考慮地 物的連續(xù)性。
[0020] 第四步，利用現(xiàn)有工具評(píng)估規(guī)則的有效性，并進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行激光點(diǎn)分類。利用 已經(jīng)有的多光譜遙感影像，對(duì)比分析分類規(guī)則里是否含有粗差；利用Terrasolid軟件對(duì)樣 地點(diǎn)云進(jìn)行人工分類，細(xì)化分類規(guī)則。
[0021] 第五步，激光點(diǎn)垂直分層，利用反距離法（IDW)對(duì)分層數(shù)據(jù)分別內(nèi)插，得到植被S 維覆蓋圖。
[0022] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的方法有如下優(yōu)點(diǎn)：發(fā)明并使用了適 合于激光點(diǎn)云強(qiáng)度去噪的濾波器；能夠根據(jù)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取城市地區(qū)=維植被覆蓋。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被=維覆蓋的方法的流程圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明激光點(diǎn)強(qiáng)度分布圖，（a)圖為濾波前的，化）圖為濾波后的。
[0025] 圖3為本發(fā)明S維分隔面圖，（a)圖為點(diǎn)云正視圖，化）圖為分隔面正視圖，（C)圖 為截面圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明城市植被S維覆蓋透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解該些實(shí)施例僅用于說(shuō)明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各 種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[002引根據(jù)圖1所示的方法流程，W"南京市和平公園=維綠化覆蓋提取"為應(yīng)用實(shí)例， 對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步闡明：
[0029] 第一步，數(shù)據(jù)預(yù)處理。建立基于機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)點(diǎn)云數(shù)據(jù)強(qiáng)度信息的中值 濾波器，利用此中值濾波器對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波，去除強(qiáng)度噪聲。用激光點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程值減去地 面高程值EM)值，高度歸一化，去除地表起伏的影響。包括如下子步驟：
[0030] (1)根據(jù)原始點(diǎn)云的密度情況，劃分規(guī)則格網(wǎng)（格網(wǎng)步長(zhǎng)D設(shè)為3米），使點(diǎn)云落 在格網(wǎng)中，從而建立空間索引框架。
[0031] (2)求出格網(wǎng)中最大強(qiáng)度值的點(diǎn)，保存其坐標(biāo)和強(qiáng)度值，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集。
[0032] (3)按點(diǎn)云的強(qiáng)度值從大到小排序數(shù)據(jù)集中的所有點(diǎn)，并判斷強(qiáng)度值最大的點(diǎn)是 否小于給定的截止闊值（I);若大于等于I值，則執(zhí)行下一步；若小于I值，則計(jì)算結(jié)束。I 值的確定，與地物特征有關(guān)。本例取值為20。
[003引 （4) W數(shù)據(jù)集中第一個(gè)點(diǎn)為中心一定的半徑化設(shè)為2米）在空間索引框架下， 捜索激光點(diǎn)，對(duì)捜索到的激光點(diǎn)按其強(qiáng)度值從大到小排序，用該個(gè)序列點(diǎn)的強(qiáng)度中值替換 捜索中屯、點(diǎn)的強(qiáng)度值。
[0034] (5)更新數(shù)據(jù)集中的強(qiáng)度值和捜索框架中點(diǎn)的強(qiáng)度值，重復(fù)第（3)步，直到計(jì)算結(jié) 束。
[0035] (6)輸出強(qiáng)度中值濾波結(jié)果。
[0036] 第二步，地物激光點(diǎn)強(qiáng)度值校準(zhǔn)后分析。同種地物在不同測(cè)量距離上LiDAR點(diǎn)云 的強(qiáng)度值并不相同，主要與距離有關(guān)，利用一下公式校準(zhǔn)強(qiáng)度。
[0037] Irs=吃 …
[003引 為歸一到標(biāo)準(zhǔn)Rs距離上的強(qiáng)度值，I為實(shí)際測(cè)量的強(qiáng)度值，R為傳感器與探測(cè)目 標(biāo)的距離。根據(jù)影像在一個(gè)飛行架次的城市區(qū)域中選擇典型地物，分析其反射LiDAR強(qiáng)度 的特征，從中找出利用LiDAR強(qiáng)度提取地物的一般規(guī)律。本例找出12種地物，具體見下表 (表 1):
[0039] 表1地物反射LiDAR強(qiáng)度特點(diǎn)
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被三維覆蓋的方法，具特征在于，包括如下步 驟： 第一步，數(shù)據(jù)預(yù)處理。建立基于機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)點(diǎn)云數(shù)據(jù)強(qiáng)度信息的中值濾波 器，利用此中值濾波器對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波，去除強(qiáng)度噪聲。用激光點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程值減去地面高 程（DEM)值，高度歸一化，去除地表起伏的影響。 第二步，地物激光點(diǎn)強(qiáng)度值校準(zhǔn)后分析。同種地物在不同測(cè)量距離上LiDAR點(diǎn)云的強(qiáng) 度值并不相同，主要與距離有關(guān)，利用公式校準(zhǔn)強(qiáng)度。根據(jù)影像在一個(gè)飛行架次的城市區(qū)域 中選擇典型地物，分析其反射LiDAR強(qiáng)度的特征，從中找出利用LiDAR強(qiáng)度提取地物的一般 規(guī)律。 第三步，建立依據(jù)強(qiáng)度值和空間信息的分類規(guī)則，用來(lái)分類植被與非植被。 第四步，利用現(xiàn)有工具評(píng)估規(guī)則的有效性，并進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行激光點(diǎn)分類。利用已經(jīng) 有的多光譜遙感影像，對(duì)比分析分類規(guī)則里是否含有粗差；利用Terrasolid軟件對(duì)樣地點(diǎn) 云進(jìn)行人工分類，細(xì)化分類規(guī)則。 第五步，激光點(diǎn)垂直分層，利用反距離法（IDW)對(duì)分層數(shù)據(jù)分別內(nèi)插，得到植被三維覆 蓋圖。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被三維覆蓋的方法，其特征 在于，第一步包括如下子步驟： (1) 根據(jù)原始點(diǎn)云的密度情況，劃分規(guī)則格網(wǎng)（格網(wǎng)步長(zhǎng)D)，使點(diǎn)云落在格網(wǎng)中，從而 建立空間索引框架。 (2) 求出格網(wǎng)中最大強(qiáng)度值的點(diǎn)，保存其坐標(biāo)和強(qiáng)度值，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集。 (3) 按點(diǎn)云的強(qiáng)度值從大到小排序數(shù)據(jù)集中的所有點(diǎn)，并判斷強(qiáng)度值最大的點(diǎn)是否小 于給定的截止閾值（I):若大于等于I值，則執(zhí)行下一步；若小于I值，則計(jì)算結(jié)束。 (4) 以數(shù)據(jù)集中第一個(gè)點(diǎn)為中心，一定的半徑（R)在空間索引框架下，搜索激光點(diǎn)，對(duì) 搜索到的激光點(diǎn)按其強(qiáng)度值從大到小排序，用這個(gè)序列點(diǎn)的強(qiáng)度中值替換搜索中心點(diǎn)的強(qiáng) 度值。 (5) 更新數(shù)據(jù)集中的強(qiáng)度值和搜索框架中點(diǎn)的強(qiáng)度值，重復(fù)第（3)步，直到計(jì)算結(jié)束。 (6) 輸出強(qiáng)度中值濾波結(jié)果。
3. 如權(quán)利要求1所述的利用機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云提取城市植被三維覆蓋的方法，其特征 在于，第三步包括如下子步驟： (1) 高大植被與房屋等高大建筑的歸一化后高度值較大，但建筑的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值小 而植被強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值大，除了特殊材料，植被的強(qiáng)度均值大于建筑的。 (2) 草地植被與道路等人工地物歸一化后高度值較小，但草地等植被的強(qiáng)度均值大，且 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值亦大；通常道路的強(qiáng)度均與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值都小，個(gè)別鋪裝路面強(qiáng)度均值 大，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離值卻小。 (3) 純凈水面沒(méi)有激光點(diǎn)，有雜物或水生植物的水面點(diǎn)云強(qiáng)度均值小但強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏離 值大。 (4) 植被生長(zhǎng)一般喬灌草共生或單種植被成片，在選擇激光點(diǎn)強(qiáng)度閾值時(shí)考慮地物的 連續(xù)性。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK104502919SQ201510019559
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月13日
【發(fā)明者】韓文泉, 趙書河, 謝順平, 雷步云, 馮學(xué)智, 王安 申請(qǐng)人:南京大學(xué)