專利名稱：一種依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及遙感監(jiān)測，三維激光點云過濾領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著三維激光掃描測量技術(shù)、三維建模的研究以及計算機硬件環(huán)境的不斷發(fā)展， 地面型三維激光掃描儀的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，如制造業(yè)、文物保護、逆向工程、電腦游戲業(yè)、 電影特技、數(shù)字城市建設(shè)、工程變形監(jiān)測等。激光掃描點云是三維激光掃描儀采集的原始數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是海量、雜亂的，所有激光束到達的地方，不管是地表、建筑物、設(shè)施、植被，都會攬入掃描點云數(shù)據(jù)當中。為了方便模型建立、數(shù)據(jù)處理分析，需對點云數(shù)據(jù)進行一些過濾處理。點云的過濾不僅可以把點云中的噪音點過濾，而且還可以把點云密度降低或增加。目前常用的過濾方法原理主要有以下兩種。(I)基于數(shù)學形態(tài)學的濾波方法。該類方法先由一整片水平分布窗口來獲取一個初始地面，將離該初始地面一定距離范圍內(nèi)的全部點普遍看成地面點，然后利用自回歸過程檢驗并進一步優(yōu)化此類地面點。自回歸算法對于有序的Lidar數(shù)據(jù)非常有效。(2)基于移動窗口的濾波方法。該方法是事先定義一個窗口(Cell),該窗口中的最低點可以作為地形點，找出最低點，把窗口移動到下一個區(qū)域再找出最低點，直到遍歷完所有的數(shù)據(jù)。綜合找出的最低點，擬合出一個曲面或TIN來作為初步的地形模型，并且利用這個DEM與所有測量點之間的殘差作為一個判斷條件，將不需要的點剔除掉，然后把窗口的尺寸和判斷的閥值調(diào)小，遍歷所有的數(shù)據(jù)來生成新的DTM從而進行數(shù)據(jù)的過濾，重復幾次后可以得到的很逼近的DEM。在平常情況下，點云中點的濾波的方法有曲率濾波、中值或平均和高斯方法。其中高斯濾波方法就是把指定的區(qū)域內(nèi)的權(quán)重看做高斯分布，它的平均效果比較小，所以在濾波的時候還能比較好的把原數(shù)據(jù)的形貌保持下來。平均濾波法就是取濾波窗口中的各個數(shù)據(jù)點的平均值。中值濾波將相鄰的3個點取平均值來取代原始點，實施濾波。中值濾波法采用的是點的取值濾波窗口內(nèi)各個數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值，所以此法在消除數(shù)據(jù)毛刺方面可以得到很好的效果。曲率濾波是根據(jù)曲率的變化來決定各個點的取舍與否，在曲率變化大的地方可以保留較多的點，相反在曲率變化小的地方，可以過濾掉相對較多的點。對散亂點云數(shù)據(jù)，可以采用隨機采樣方法；對掃描線的點云數(shù)據(jù)，可以采用的方法有等間距縮減、倍率縮減、等量縮減和弦偏差等等；網(wǎng)格化的點云可利用等分布密度法和最小包圍區(qū)域法來達到數(shù)據(jù)精簡的目的。而數(shù)據(jù)精簡僅僅將數(shù)據(jù)量進行了相應(yīng)的縮減，而對數(shù)據(jù)本身其實根本沒有做過任何修改。以上多數(shù)對點云數(shù)據(jù)的過濾方法多較為復雜，對于雜亂海量的點云數(shù)據(jù)精簡過濾效率較低。為此，本發(fā)明中考慮了另一個激光掃描點云數(shù)據(jù)特征——反射強度，使用了一種新方法對點云中的植被信息進行過濾?？紤]通過反射強度差異過濾，如何建立適當、準確的地表與植被的反射強度的判據(jù)是本發(fā)明的關(guān)鍵。本發(fā)明為有植被遮擋情況下的構(gòu)筑物建模、變形監(jiān)測提供了方法過濾植被點云，達到更合理的過濾效果。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題。針對點云數(shù)據(jù)測量精度高，可直接提供目標三維坐標，但數(shù)據(jù)量大、雜亂，包含很多植被點云信息的特點，本發(fā)明的目的主要在于提供了一種基于反射強度與地形形態(tài)的過濾方法，對用于構(gòu)筑物建模、變形監(jiān)測的激光點云數(shù)據(jù)進行過濾植被處理，達到更合理的建模、監(jiān)測效果。(二)技術(shù)方案。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。三維激光掃描儀所采集點云數(shù)據(jù)中的地表數(shù)據(jù)，過濾植被點云數(shù)據(jù)的方法，包括以下內(nèi)容。(I)通過室內(nèi)試驗標定三維激光掃描儀的RR關(guān)系。(2)建立地表點云與植被點云的反射強度差異的關(guān)系。(3)依據(jù)該關(guān)系過濾植被點云。(4)考慮地形形態(tài)，進一步過濾異常點。(5)調(diào)整點云密度以達最佳表現(xiàn)水平。上述方案中，通過室內(nèi)試驗標定三維激光掃描儀的RR關(guān)系的步驟，具體包括以標準反射片(圓形，直徑IOcm)貼放在距三維激光掃描儀距離為10m、20m、40m、60m、80m、 IOOm處各一個或幾個；以不同掃描密度CHdpd2^3, ...，dn}掃描各反射片，提取d=dn時各距離下的平均反射強度Raw= (W-Rk)/ k (k為某距離下反射片個數(shù));用Raw，R表示在三維激光掃描儀距反射片R距離下的平均反射強度Rara，RR關(guān)系通過RR=f (Ravr, E, R)確定。上述方案中，地表點云與植被點云的反射強度差異關(guān)系建立的步驟。具體包括對特定工程掃描點云數(shù)據(jù)，取樣代表性植被的反射強度值R。，代表性植被對于三維激光掃描儀距離為L。；由植被反射強度小于土壤、巖石反射強度，對于距離掃描儀長度為L處，點云反射強度應(yīng)小于反射強度值(R。/!。)*! 。上述方案中，植被點云反射強度關(guān)系與地表土壤、巖石點云反射強度判據(jù)關(guān)系主要包括考慮10%的強度提高區(qū)間，剔除反射強度值小于或等于(1+10%) (R。/!。)*! 的點云， 保留反射強度值大于(1+10%) (R。/!。)*! 。上述方案中，考慮地形形態(tài)過濾地形異常點的方法的步驟，主要包括基于目標點云平面坐標系統(tǒng)建立XY平面網(wǎng)格單元；網(wǎng)格單元的大小由用戶制定，依掃描密度而定；目標點云Χ、γ坐標落在網(wǎng)格單元(i，j)下的點歸入點集A (i, j);尋找點集A (i, j)中元素為I的點集所對應(yīng)的網(wǎng)格單元(m, η);反算網(wǎng)格單元(m, η) X、Y坐標范圍；刪除坐標范圍內(nèi)的點。上述方案中，調(diào)整點云密度以達最佳表現(xiàn)水平的步驟，主要包括建立XY平面網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元的大小由用戶制定；目標點云Χ、γ坐標落在網(wǎng)格單元(i，j)下的點歸入點集A (i，j);點云擴充方向分為i方向(Y方向)擴充與j方向擴充(X方向)，由用戶制定； 提出點擊A中元素為O的點集A (iQ，jQ)，以i方向擴充為例，依次尋找A (iQ±l、2、…、n, j0)中元素不為O的點集，即i方向前后最鄰近的不為O的點集，記為ApA2 ;計算步驟點集A” A2的元素高程平均值，記為氏、H2 ;依據(jù)氏、H2與i方向步距差η=ηι+η2，計算得步距 dec= (H1-H2)Ai,按i步距推算元素為O的點集應(yīng)有的高程Htl ;在點集A (L，Jtl)中心創(chuàng)建新點，點高程取Htl ;循環(huán)步驟d)到g)，直到?jīng)]有元素為O的點集。(三)有益效果。I、本發(fā)明提出了一種直接依據(jù)激光掃描點云反射強度過濾植被點云的方法，基于反射強度的濾波使得過濾目標更明確，不需要復雜的公式迭代計算，使得過濾效率大大提升。2、本發(fā)明提供的依據(jù)激光掃描點云反射強度過濾植被點云的方法，由于植被點云反射強度與地表巖石、土壤，或是構(gòu)筑物表面的反射強度差異較大，在強度判定標準建立合適的情況下，過濾效果明顯，過濾質(zhì)量良好。3、考慮到植被點云被過濾后，目標點云數(shù)據(jù)中存在較多的孤點，不利于建模與監(jiān)測，本發(fā)明提供的了一種聯(lián)合反射強度與地形形態(tài)的過濾方法，在大規(guī)模、大范圍過濾了植被點云后，再檢查孤點、異常點，做進一步處理，使得進一步過濾的目標點云更具操作性，改善了點云的雜亂情況。4、鑒于進行兩項過濾后目標點云可能出現(xiàn)的“大窟窿”情況，本發(fā)明提供了一種簡單的點云密度調(diào)整方法，合理地進行了點云的擴充或精簡。


圖I為依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖I所示，圖I是本發(fā)明提供的依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法，該方法包括。步驟I :通過室內(nèi)試驗標定三維激光掃描儀的RR關(guān)系。步驟2 :建立地表點云與植被點云的反射強度差異的關(guān)系。步驟3 :依據(jù)該關(guān)系過濾植被點云。步驟4 :考慮地形形態(tài),進一步過濾異常點。步驟5 :調(diào)整點云密度以達最佳表現(xiàn)水平。上述步驟I中標定三維激光掃描儀的RR關(guān)系，具體包括。I)以標準反射片(圓形，直徑IOcm)貼放在距三維激光掃描儀距離為10m、20m、 40m、60m、80m、IOOm處各一個或幾個。2)以不同掃描密度CHd1, d2，d3，…，dj掃描各反射片，提取d=dn時各距離下的平均反射強度Raw= ( + +-+ )/ k (k為某距離下反射片個數(shù))。3)用Ravr,E表示在三維激光掃描儀距反射片R距離下的平均反射強度Rara，RR關(guān)系通過 RR=f (Raw,K，R)確定。上述步驟2建立地表點云與植被點云的反射強度差異關(guān)系。具體包括地面型三維激光掃描儀在同一時間、同一范圍內(nèi)米集的地表點云與地表植被點云的反射強度存在差異。對特定工程掃描點云數(shù)據(jù)，取樣代表性植被的反射強度值R0,代表性植被對于三維激光掃描儀距離為L。。由植被反射強度小于土壤、巖石反射強度，對于距離掃描儀長度為L處， 如果此處為植被，則點云反射強度應(yīng)小于反射強度值(R。/!。)*! 。上述步驟3依據(jù)植被點云反射強度關(guān)系與地表土壤、巖石點云反射強度判據(jù)關(guān)系過濾植被點云，考慮10%的強度提高區(qū)間，剔除反射強度值小于或等于(1+10%) (R0/L0)*RR 的點云，保留反射強度值大于(1+10%) (R。/!。)*! 。上述步驟4考慮地形形態(tài)，進一步過濾異常點，鑒于通過反射強度過濾點云的方法產(chǎn)生的地形孤立點較多，過濾所述孤立點、異常點的具體包括。I)基于目標點云平面坐標系統(tǒng)建立XY平面網(wǎng)格單元。2)網(wǎng)格單元的大小由用戶制定，依掃描密度而定。3)目標點云X、Y坐標落在網(wǎng)格單元(i，j)下的點歸入點集A (i，j)。4)尋找點集A (i, j)中元素為I的點集所對應(yīng)的網(wǎng)格單元(m, η)。5)反算網(wǎng)格單元(m，η) X、Y坐標范圍。6 )刪除網(wǎng)格單元(m，η ) X、Y坐標范圍內(nèi)的點。上述步驟5調(diào)整點云密度以達最佳表現(xiàn)水平，調(diào)整過濾植被后點云密度的方法可使點云達到最佳表現(xiàn)地形的水平，具體包括。I)建立XY平面網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元的大小由用戶制定。2)目標點云X、Y坐標落在網(wǎng)格單元(i，j)下的點歸入點集A (i，j)。3)點云擴充方向分為i方向(Y方向)擴充與j方向擴充(X方向)，由用戶制定。4)提出點擊A中元素為O的點集A(i0，j0)，以i方向擴充為例，依次尋找A(iQ±l、
2、…、n, j0)中元素不為O的點集，即i方向前后最鄰近的不為O的點集,記為ApA2155)計算點集Ap A2的元素高程平均值，記為H6)依據(jù)氏、H2與i方向步距差1!=]^+ ,計算得步距dec= (H1-H2)Ai,按i步距推算元素為O的點集應(yīng)有的高程Η”7)在點集A (i0, J0)中心創(chuàng)建新點，點高程取H。。8)循環(huán)步驟4)到7)，直到?jīng)]有元素為O的點集。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了近一步詳細說明。
權(quán)利要求
1.一種依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法,其特征在于所述方法具體步驟如下(1)在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，標定地面型三維激光掃描儀的距離與反射強度關(guān)系RR (Reflection/Range)值；(2)建立地表點云與植被點云的反射強度差異關(guān)系；地面型三維激光掃描儀在同一時間、同一范圍內(nèi)米集的地表點云與地表植被點云的反射強度存在差異，據(jù)此而建立地表點云與植被點云的反射強度差異關(guān)系；(3)依據(jù)植被點云反射強度關(guān)系與地表土壤、巖石點云反射強度判據(jù)關(guān)系過濾植被點云，考慮10%的強度提高區(qū)間，剔除反射強度值小于或等于(1+10%) (R。/!。)*! 的點云，保留反射強度值大于(1+10%) (R0/L0)*RR；(4)考慮地形形態(tài)過濾地形異常點，鑒于通過反射強度過濾點云的方法產(chǎn)生的地形孤立點較多，過濾所述孤立點、異常點；(5)經(jīng)過反射強度與地形形態(tài)過濾調(diào)整過濾植被后的點云可能會稀疏不均，出現(xiàn)“大窟窿”似的部分點云缺失嚴重的現(xiàn)象；通過密度調(diào)整的方法可使點云達到最佳表現(xiàn)地形的水平。
2.依據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法，其中標定地面型三維激光掃描儀的距離與反射強度關(guān)系RR (Reflection/Range)值的步驟如下a)以標準反射片(圓形，直徑IOcm)貼放在距三維激光掃描儀距離為10m、20m、40m、 60m、80m、100m處各一個或幾個；b)以不同掃描密度Cl=W1,d2，d3，…，dj掃描各反射片，提取d=dn時各距離下的平均反射強度Raw= ( + +...+ )/ k (k為某距離下反射片個數(shù));c)用Rara,E表示在三維激光掃描儀距反射片R距離下的平均反射強度Rot，RR關(guān)系通過 RR=f (Raw,K，R)確定。
3.依據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法，建立地表點云與植被點云的反射強度差異關(guān)系的方法特征如下地面型三維激光掃描儀在同一時間、同一范圍內(nèi)米集的地表點云與地表植被點云的反射強度存在差異；對特定工程掃描點云數(shù)據(jù)，取樣代表性植被的反射強度值R。，代表性植被對于三維激光掃描儀距離為L。；由植被反射強度小于土壤、巖石反射強度，根據(jù)權(quán)利要求I所述對于距離掃描儀長度為L處，如果此處為植被，則點云反射強度應(yīng)小于反射強度值(R。/!。)*! 。
4.依據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法，考慮地形形態(tài)過濾地形異常點的方法特征在于，具體步驟如下a)基于目標點云平面坐標系統(tǒng)建立XY平面網(wǎng)格單元；b)網(wǎng)格單元的大小由用戶制定，依掃描密度而定；c)目標點云X、Y坐標落在網(wǎng)格單元(i,j)下的點歸入點集A (i, j)；d)尋找點集A(i, j)中元素為I的點集所對應(yīng)的網(wǎng)格單元(m, η)；e)反算網(wǎng)格單元(m,η) X、Y坐標范圍；f)刪除e)步驟中坐標范圍內(nèi)的點。
5.依據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種依據(jù)反射強度與地形形態(tài)的激光掃描點云植被過濾方法，調(diào)整濾植被后點云密度的方法可使點云達到最佳表現(xiàn)地形的水平，其特征在于，該方法包括a)同權(quán)利要求4中所述方法建立XY平面網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元的大小由用戶制定；b)目標點云X、Y坐標落在網(wǎng)格單元(i,j)下的點歸入點集A (i, j)；c)點云擴充方向分為i方向(Y方向)擴充與j方向擴充(X方向)，由用戶制定；d)提出點擊A中元素為O的點集A(i0, jQ)，以i方向擴充為例，依次尋找A (iQ±l、.2、…、n, j0)中元素不為O的點集，即i方向前后最鄰近的不為O的點集,記為ApA2 ；e)計算步驟d)中點集ApA2的元素高程平均值，記為HpH2；f)依據(jù)e)步驟中H^H2與i方向步距差1!=]^+ ,計算得步距dec=(H1-H2)Ai,按i步距推算元素為O的點集應(yīng)有的高程Htl ；g)在點集A(i0, J0)中心創(chuàng)建新點，點高程取f)步驟中Htl ；h)循環(huán)步驟d)到g)，直到?jīng)]有元素為O的點集。
全文摘要
本發(fā)明是依據(jù)點云的激光束放射強度與地形形態(tài)差異建立的一種區(qū)分地表與植被的點云過濾方法，該方法包括建立三維激光點云反射強度與掃描距離關(guān)系；建立地表土壤、巖石點云與植被點云的反射強度判據(jù)；剔除植被點云方法；過濾地形異常點云等。本發(fā)明通過以下步驟實現(xiàn)(1)標定地面型三維激光掃描儀的距離與反射強度關(guān)系(RR關(guān)系)；(2)建立反射強度隨距離變化關(guān)系；(3)依據(jù)該關(guān)系過濾植被點云；(4)考慮地形形態(tài)，進一步過濾異常點；(5)調(diào)整點云密度以達最佳表現(xiàn)水平。本發(fā)明提供的方法，適用于提取三維激光掃描儀所采集點云數(shù)據(jù)中的地表數(shù)據(jù)，過濾植被點云數(shù)據(jù)的處理過程。
文檔編號G01S17/89GK102608620SQ20121006336
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請人:北京北科安地科技發(fā)展有限公司