激光雷達(dá)考試濃縮筆記

一、技術(shù)介紹1.激光雷達(dá)概念：激光探測(cè)與測(cè)量，LightDetectionAndRanging，英文縮寫(xiě)為L(zhǎng)iDAR，LiDAR的光源一般采用激光，原理與雷達(dá)原理相同，故都將LiDAR翻譯為激光雷達(dá)，也可稱(chēng)為激光掃描儀。工作原理：脈沖式和相位式，它有激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦構(gòu)成，成像為點(diǎn)云，并以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)重建目標(biāo)三維模型。（相位式問(wèn)題：相位測(cè)量?jī)H能測(cè)出不足一周的相位差，相位差的分辨率限制測(cè)距的精度，為了保證精度而又兼顧測(cè)程，采用幾個(gè)調(diào)制光波長(zhǎng)配合測(cè)距。）激光掃面技術(shù)分類(lèi)：1D激光測(cè)距、2D激光測(cè)距、3D激光測(cè)距、多傳感器的集成激光雷達(dá)和普通雷達(dá)的區(qū)別：普通雷達(dá)：射頻電磁波被送到大氣中，大氣中的目標(biāo)散射發(fā)射電磁波的一部分到普通雷達(dá)的接收器中。激光雷達(dá)也發(fā)射和接收電磁波，但其頻率相對(duì)較高，激光雷達(dá)工作在紫外光、可見(jiàn)光、近外紅三個(gè)光譜波段激光雷達(dá)存在的問(wèn)題兩點(diǎn)同步難匹配、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度低測(cè)量復(fù)雜度高、儀器昂貴、操作人員需要較高技巧、生產(chǎn)成本高、費(fèi)時(shí)對(duì)天氣、可見(jiàn)度等自然條件要求高很難獲取較全面的信息2.三維激光掃描技術(shù)概念：三維激光掃描系統(tǒng)：由三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件構(gòu)成、而三維激光掃描儀又由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、CCD相機(jī)以及軟件組成。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，用三維激光掃描儀獲取目標(biāo)物表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后由獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造出目標(biāo)物的三維模型的一種全自動(dòng)測(cè)量技術(shù)。是繼GPS后的又一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S。激光測(cè)距技術(shù)是三維激光掃描儀的主要技術(shù)之一，激光測(cè)距的原理主要有基于脈沖測(cè)距法、干涉測(cè)距法、激光三角法三種類(lèi)型。特點(diǎn)：快速性；采樣率高；實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、主動(dòng)性、；.非接觸性；全數(shù)字特征，自動(dòng)化；外置或內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)；集成了GPS接收機(jī)等高精度定位裝置；直接生成三維空間結(jié)果；全景化的掃描；激光的穿透性三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)：立體化，數(shù)據(jù)量大、密度高，帶有目標(biāo)物光學(xué)特征信息。應(yīng)用：測(cè)繪工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)測(cè)量領(lǐng)域，建筑古跡測(cè)量方面，緊急服務(wù)業(yè)，娛樂(lè)業(yè)分類(lèi)：從運(yùn)行平臺(tái)劃分：機(jī)載型激光掃描系統(tǒng)，（機(jī)載LiDAR系統(tǒng)）地面激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，分兩類(lèi)：第一類(lèi)是移動(dòng)式掃描系統(tǒng)（車(chē)載激光掃描系統(tǒng)），第二類(lèi)是固定式掃描系統(tǒng)（地面三維激光掃描系統(tǒng)）手持型激光掃描系統(tǒng)星載激光掃描儀依據(jù)掃描距離劃分：短距離激光掃描儀（最長(zhǎng)掃描距離不超過(guò)3m，適用于小型道具的測(cè)量，不僅掃描速度快且精度較高）中距離激光掃描儀（最長(zhǎng)掃描距離小于30m，多用于大型模具或室內(nèi)空間的測(cè)量）長(zhǎng)距離激光掃描儀（掃描距離大于30m，主要應(yīng)用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測(cè)量）機(jī)載或星載激光掃描系統(tǒng)（掃描距離大于1km，并且需要配備精確的導(dǎo)航系統(tǒng)，可用于大范圍地形的掃描測(cè)量）依據(jù)掃描儀成像方式劃分：全景掃描式相機(jī)掃描式混合型掃描式依據(jù)掃描儀測(cè)距原理劃分：脈沖式、相應(yīng)式、激光三角式、脈沖相位式（脈沖式：類(lèi)似于全站儀----射程遠(yuǎn)、精度低、最大激光反射頻率低、掃描速度低、太陽(yáng)光與室外光對(duì)掃描點(diǎn)質(zhì)量影響小----------------適用于飛機(jī)航空相位式：發(fā)射與接收信號(hào)之間的角度差--------剛好相反）地面激光掃描儀（TLS）特點(diǎn)：a)小型化且方便快捷。其大小與全站儀接近，作業(yè)時(shí)只要有架設(shè)掃描儀的空間，即可完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作b)數(shù)據(jù)采集速度快。常規(guī)地面掃描儀的掃描點(diǎn)采集速度可達(dá)每秒數(shù)千萬(wàn)點(diǎn)以上，某些型號(hào)的掃描儀的采集速度更可高達(dá)每秒數(shù)幾十萬(wàn)點(diǎn)c)掃描精度高，可達(dá)毫米級(jí)d)主動(dòng)式、無(wú)需可見(jiàn)光照明。TLS依靠主動(dòng)發(fā)射激光束的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)e)高密度采集，濃密格網(wǎng)、點(diǎn)云特征，特別適合于對(duì)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行細(xì)節(jié)測(cè)量地面三維激光掃描技術(shù)與攝影測(cè)量的區(qū)別a)獲取的數(shù)據(jù)格式不同。三維激光是點(diǎn)云集合可進(jìn)行空間量測(cè)，攝影測(cè)量是影像照片不能空間量測(cè)。b)拼接各測(cè)站間數(shù)據(jù)的方式不同。三維激光是坐標(biāo)匹配方式，攝影測(cè)量是相對(duì)和絕對(duì)定標(biāo)。c)測(cè)量精度不同。三維激光精度高于攝影測(cè)量，精度分布均勻。d)對(duì)外環(huán)境要求不同。e)表面模型建立方式不同。f)對(duì)實(shí)體文理信息的獲取方式不同。地面三維激光掃描儀誤差主要來(lái)源誤差來(lái)源分為三類(lèi)：地面三維激光掃描儀器本身的誤差（儀器誤差）、大氣環(huán)境引起的誤差（環(huán)境誤差）和由反射目標(biāo)引起的誤差（反射面誤差）（一）儀器誤差：測(cè)距誤差：加常數(shù)、乘常數(shù)、幅相誤差測(cè)角誤差：垂直度盤(pán)指標(biāo)差、視準(zhǔn)軸誤差、偏心差對(duì)中及目標(biāo)偏心誤差：（二）外界環(huán)境引起的誤差：溫度、氣壓、濕度等氣象條件的影響：（三）反射面引起的誤差：激光入射角度的影響：激光束與被測(cè)物體不垂直時(shí)激光光斑變?yōu)闄E圓形，會(huì)對(duì)測(cè)距結(jié)果產(chǎn)生影響。反射目標(biāo)的顏色和掃描距離對(duì)掃描結(jié)果的影響：隨著掃描距離的增加，深色目標(biāo)比淺色目標(biāo)先出現(xiàn)無(wú)數(shù)據(jù)返回現(xiàn)象，在一定掃描距離范圍之內(nèi)，反射目標(biāo)的顏色和掃描目標(biāo)與掃描儀之間的掃描距離對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)影響較小，但超過(guò)一定距離后，開(kāi)始得到不完整的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，出現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)“空洞”。反射面邊緣效應(yīng)的影響：當(dāng)?shù)孛嫒S激光掃描儀發(fā)射的掃描光束投射到被測(cè)目標(biāo)的邊緣時(shí)，于激光光斑有一定的大小，此激光束中的一部分經(jīng)物體反射回去被掃描儀接收，一部分激光束則損失掉或被后面的物體反射回去7)（車(chē)載激光掃描系統(tǒng)）移動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成及原理：由多源傳感器集成，一般包括：CCDCAMERA、DGPS（全球定位系統(tǒng)）、INS/IMU/POS)(定位定姿傳感器系統(tǒng))、LaserScanner（激光掃描儀）車(chē)載激光掃描系統(tǒng)：掃描獲取數(shù)據(jù)：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：掃描系統(tǒng)坐標(biāo)-》平臺(tái)坐標(biāo)-》物方空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換掃描儀相對(duì)平臺(tái)的姿態(tài)用室內(nèi)標(biāo)定、DGPS定位、多源傳感器集成（CCD照相機(jī)、DGPS、INS/IMU/pos）、laserscanner問(wèn)題與挑戰(zhàn)：全景圖像與激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)高精度道路數(shù)據(jù)建筑物立面提取交通標(biāo)志、標(biāo)線、信號(hào)等交通數(shù)據(jù)分類(lèi)困難點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征感知與重建車(chē)載激光三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：所面臨問(wèn)題：存在大面積的陰影遮擋，同時(shí)受成像條件、圖像質(zhì)量影響車(chē)載激光點(diǎn)云中道路提取（1）基于離散點(diǎn)云：（平滑因子、高層、激光強(qiáng)度信息）層次分類(lèi)法：（地面和非地面）不規(guī)則三角網(wǎng)TIN：（曲率和高度差）面向?qū)ο蟛呗蕴崛〉缆罚?）離散點(diǎn)云問(wèn)題：點(diǎn)云目標(biāo)不精細(xì)（精確道路邊界信息）、強(qiáng)度存在大量噪聲（3）融合機(jī)載激光點(diǎn)云和輔助信息（4）匹配問(wèn)題：機(jī)載激光點(diǎn)云與遙感影像的配準(zhǔn)，不同數(shù)據(jù)源在空間分辨率、質(zhì)量精度上的匹配問(wèn)題（5）基于點(diǎn)云特征圖像、基于掃描線信息、基于聚類(lèi)分析法、基于高程閾值方法在地面起伏較大區(qū)域、主成分分析法現(xiàn)有方法存在的問(wèn)題：高程信息的缺乏沒(méi)有充分利用點(diǎn)密度、強(qiáng)度信息，機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)的利用，多源數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題現(xiàn)有方法主要集中小范圍現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：海量數(shù)據(jù)，復(fù)雜，目標(biāo)多樣性數(shù)據(jù)不完整點(diǎn)密度空間分布不均勻（由掃描儀與地物之間的距離決定）強(qiáng)度不一致道路形狀不規(guī)則機(jī)載激光雷達(dá)是近年來(lái)新發(fā)展的一種集激光掃描儀、GPS以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）于一體的新型主動(dòng)式遙感系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)掃描激光測(cè)距（SLR）技術(shù)，結(jié)合GPS和INS測(cè)得的傳感器位置和姿態(tài)信息來(lái)獲取地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)，在高精度DEM中獲取，道路、電力線測(cè)繪，森林參數(shù)測(cè)量，城市建模等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。（詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)另外一份資料）機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用：Pos系統(tǒng)（GPS和慣性測(cè)量單元IMU）、激光器、激光信號(hào)接收處理裝置、計(jì)算機(jī)、航空平臺(tái)星載激光雷達(dá)系統(tǒng)：與機(jī)載激光雷達(dá)相比，星載激光雷達(dá)系統(tǒng)具有許多不可替代的優(yōu)勢(shì)。星載LIDAR采用衛(wèi)星平臺(tái)，運(yùn)行軌道高，觀測(cè)視野廣，可以接觸及世界的每一個(gè)角落，為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無(wú)論對(duì)于國(guó)防或是科學(xué)研究都具有十分重大的意義。星載LIDAR還具有觀測(cè)整個(gè)天體的能力，美國(guó)進(jìn)行的月球和火星等探測(cè)計(jì)劃在都包含了星載LIDAR傳感器，所提供的詩(shī)句資料可以用于制作天體的綜合三維地形圖。二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)基本處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)：噪聲級(jí)別：點(diǎn)云與建模后目標(biāo)對(duì)象之間的差距密度：半徑為p的球體內(nèi)至少包含1個(gè)掃描點(diǎn)完整度：用于衡量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性精度：用于衡量單個(gè)掃描點(diǎn)的采樣精度對(duì)于地面掃描儀而言，掃描點(diǎn)誤差主要來(lái)源于測(cè)距誤差、測(cè)角誤差以及目標(biāo)對(duì)象對(duì)激光束的影響（比如邊緣效應(yīng)）等幾個(gè)方面激光掃描的誤差來(lái)源與精度分析：以DTM生產(chǎn)為例，其精度主要取決于三個(gè)主要因素：a)測(cè)距（Thedistance—measurement）b)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Thedynamicorientation(INS)）c)差分全球定位系統(tǒng)（Thedynamicpositionofthesensor(dGPS)）原始激光數(shù)據(jù)的濾波質(zhì)量也對(duì)激光DTM的質(zhì)量有很大的影響，可以使用不同的數(shù)學(xué)模型和算法點(diǎn)云處理流程：a)數(shù)據(jù)預(yù)處理基本過(guò)程：根據(jù)數(shù)學(xué)模型綜合多種原始數(shù)據(jù)（定位、定姿、標(biāo)定、掃描數(shù)據(jù)）進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，生成點(diǎn)云，或稱(chēng)距離影像坐標(biāo)結(jié)算——》空間配準(zhǔn)——》時(shí)間整合（不同時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)）——》姿態(tài)改正——》基于目標(biāo)特征的約束糾正和濾波（同一斷面與同一水平面）b)點(diǎn)云配準(zhǔn)及拼接算法：ICP(迭代最近點(diǎn)法)算法可用于解決點(diǎn)集、線段集合、隱式曲線（曲面）、參數(shù)曲線（曲面）三角形面片集合等相互之間的配準(zhǔn)問(wèn)題。Besl將待配準(zhǔn)的兩目標(biāo)對(duì)象分別稱(chēng)為數(shù)據(jù)體和模型體。其中，數(shù)據(jù)體必須以離散點(diǎn)集的形式存在。如果目標(biāo)對(duì)象不滿足要求，則需要首先通過(guò)擬合以及提取頂點(diǎn)等方法得到可以表示其形體特征的離散點(diǎn)集。算法對(duì)模型體的存在形式?jīng)]有要求，計(jì)算過(guò)程中模型體保持穩(wěn)定。通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移數(shù)據(jù)體的方式調(diào)整兩者之間的相對(duì)位置，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)三維形體之間的配準(zhǔn)。應(yīng)用：配準(zhǔn)、建模ICP算法原理：以點(diǎn)集對(duì)點(diǎn)集（PSTPS）配準(zhǔn)方法為基礎(chǔ)，闡述了一種曲面擬合算法，該算法是基于四元數(shù)的點(diǎn)集配準(zhǔn)方法。從測(cè)量點(diǎn)集中確定其對(duì)應(yīng)的最近點(diǎn)點(diǎn)集后，運(yùn)用Faugera和Hebert方法迭代計(jì)算，直到殘差平凡和所構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)值不變，結(jié)束迭代過(guò)程。ICP算法最初由Besl和Mckey提出，是一種基于輪廓特征的點(diǎn)配準(zhǔn)方法?；鶞?zhǔn)點(diǎn)在CT圖像坐標(biāo)系及世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)集P={Pi,i=0,1,2,…,k}及U={Ui,i=0,1,2,…,n}。其中，U與P元素間不必存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，元素?cái)?shù)目亦不必相同，設(shè)k≥n。配準(zhǔn)過(guò)程就是求取2個(gè)坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣，使得來(lái)自U與P的同源點(diǎn)間距離最小。其過(guò)程如下：(1)計(jì)算最近點(diǎn)，即對(duì)于集合U中的每一個(gè)點(diǎn)，在集合P中都找出距該點(diǎn)最近的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，設(shè)集合P中由這些對(duì)應(yīng)點(diǎn)組成的新點(diǎn)集為Q={qi,i=0,1,2,…,n}。(2)采用最小均方根法，計(jì)算點(diǎn)集U與Q之間的配準(zhǔn)，使得到配準(zhǔn)變換矩陣R，T，其中R是3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，T是3×1的平移矩陣。(3)計(jì)算坐標(biāo)變換，即對(duì)于集合U，用配準(zhǔn)變換矩陣R，T進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到新的點(diǎn)集U1，即U1=RU+T(4)計(jì)算U1與Q之間的均方根誤差，如小于預(yù)設(shè)的極限值ε，則結(jié)束，否則，以點(diǎn)集U1替換U，重復(fù)上述步驟。c)多站數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接多站數(shù)據(jù)的拼接主要發(fā)生在地面激光測(cè)量系統(tǒng)多測(cè)站數(shù)據(jù)間及車(chē)載激光測(cè)量系統(tǒng)和地面激光測(cè)量系統(tǒng)中需要拼接的原因是由于單個(gè)視角不能獲取被測(cè)物體的全貌或者是對(duì)一個(gè)物體的多次測(cè)量多站數(shù)據(jù)的拼接主要是基于點(diǎn)云拼接的(ICP)算法d)圖像拼接：在多幅圖像合成時(shí)，事先會(huì)在待合成的圖片中提取一些關(guān)鍵的特征點(diǎn)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究表明，不同視角下物體往往可以通過(guò)一個(gè)透視矩陣的變換而得到。RANSAC被用于擬合這模型的參數(shù)（矩陣各行列的值），由此便可識(shí)別出不同照片中的同一物體RANSAC算法介紹：RandomSampleConsensus（隨機(jī)抽樣一致性算法）先利用盡可能少的觀測(cè)值來(lái)建立目標(biāo)模型，然后逐步吸納那些與此模型相符的觀測(cè)值。如果最終被吸納的觀測(cè)值超過(guò)預(yù)定的比例，則認(rèn)為這些觀測(cè)值為有效觀測(cè)值，并根據(jù)這些觀測(cè)值采用最小二乘等數(shù)據(jù)處理理論求最終的模型參數(shù)。（它可以從一組包含“局外點(diǎn)”的觀測(cè)數(shù)據(jù)集中，通過(guò)迭代方式估計(jì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。它是一種不確定的算法——它有一定的概率得出一個(gè)合理的結(jié)果；為了提高概率必須提高迭代次數(shù)。）RANSAC的基本假設(shè)是：（1）數(shù)據(jù)由“局內(nèi)點(diǎn)”組成，例如：數(shù)據(jù)的分布可以用一些模型參數(shù)來(lái)解釋?zhuān)唬?）“局外點(diǎn)”是不能適應(yīng)該模型的數(shù)據(jù)；（3）除此之外的數(shù)據(jù)屬于噪聲。局外點(diǎn)產(chǎn)生的原因有：噪聲的極值；錯(cuò)誤的測(cè)量方法；對(duì)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤假設(shè)。RANSAC也做了以下假設(shè)：給定一組（通常很小的）局內(nèi)點(diǎn)，存在一個(gè)可以估計(jì)模型參數(shù)的過(guò)程；而該模型能夠解釋或者適用于局內(nèi)點(diǎn)。e)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波（以車(chē)載激光掃描系統(tǒng)為例）要濾波的數(shù)據(jù)主要分為三類(lèi)：濾波無(wú)效數(shù)據(jù)，主要是超出射程及異常的數(shù)據(jù)去除粗大誤差數(shù)據(jù)去除一些ghost數(shù)據(jù)，主要是移動(dòng)目標(biāo)（行人、車(chē)輛、飛鳥(niǎo)等）形成的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)由相當(dāng)大影響。濾波定義：地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)云的分離已有大量的文獻(xiàn)提出了各種濾波算法從點(diǎn)云中提取DTM/DEM，但這些方法只能處理某種特點(diǎn)的數(shù)據(jù)，不能適用于綜合的地理環(huán)境，沒(méi)有通用性在進(jìn)行LIDAR數(shù)據(jù)處理時(shí)，一個(gè)必要的前提就是給定一個(gè)規(guī)則來(lái)區(qū)分地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，這就是濾波算法的假設(shè)條件，不同的算法假設(shè)條件不同為了提高提取精度，除了LIDAR的強(qiáng)度信息外，有些算法還使用了其他供輔助信息，如光譜圖像和GIS、地圖等信息f)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)及特征提取—DOPP算法：根據(jù)像點(diǎn)空間特征的分析，在此提出投影密度的概念：將3維坐標(biāo)點(diǎn)直接垂直投影到水平面上或者將z值取任意常數(shù)，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算水平面上任意位置處所含投影點(diǎn)的個(gè)數(shù)，記為DOPP（DensityofProjectedPoints）。在理想狀態(tài)下（目標(biāo)表面平滑、無(wú)遮擋，所有采樣點(diǎn)均為有效點(diǎn)），DOPP值與目標(biāo)高度H、掃描儀中心到目標(biāo)的垂直距離D、掃描儀的空間分辨率α相關(guān)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將測(cè)量區(qū)域劃分成規(guī)則的格網(wǎng)，將格網(wǎng)統(tǒng)一編號(hào)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)格網(wǎng)單元上的投影點(diǎn)數(shù)，并以此數(shù)值作為該格網(wǎng)單元的DOPP值，這樣就可將DOPP離散化表示。DOPP值具有以下特點(diǎn)：1.地面上的DOPP值比較均勻且整體上比較小2.在建筑物邊界，DOPP值遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，并形成可連續(xù)的帶3.在建筑物內(nèi)部，如果去除噪聲影響，DOPP值為04.獨(dú)立點(diǎn)狀地物，如燈柱DOPP值局部比較大，周?chē)容^小5.塊狀地物，如樹(shù)，汽車(chē)等，DOPP值局部比較大且占有一定面積，當(dāng)格網(wǎng)面積增加到一定值時(shí)，塊狀地物與獨(dú)立點(diǎn)狀地物具有相同的特征。利用以上特征，選取合理的閾值T1,T2就可以根據(jù)公式（3）對(duì)距離圖像進(jìn)行平面分割建筑物：同一立面的點(diǎn)在同一垂直面上排列，z值均勻分布；在建筑物輪廓水平投影帶上采樣頻率大；在同一掃描斷面上，相鄰像點(diǎn)在平面上聚集，斜率近90度。地面點(diǎn)：Z值小且變化不大；在水平面上呈不規(guī)則網(wǎng)狀分布；距掃描儀越遠(yuǎn)，采樣點(diǎn)間隔越大獨(dú)立地物：高于地面點(diǎn)面低于自建筑物頂部的點(diǎn)。樹(shù)具有一定高度和范圍，水平像點(diǎn)將呈現(xiàn)局部分散特征，比周邊地形點(diǎn)高，在水平面上局部單位面積采樣頻率大；桿，數(shù)據(jù)點(diǎn)在小范圍內(nèi)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)垂直排列且Z值均勻分布的狀態(tài)；電纜，數(shù)據(jù)點(diǎn)的z值集中分布在某一高度值。閾值T1,T2根據(jù)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)處理目的，分別由公式（2）確定。分割后可獲得個(gè)專(zhuān)題的距離圖像；對(duì)專(zhuān)題圖像的數(shù)據(jù)處理、特征提取與建模、可視化表達(dá)將比原始距離圖像容易的多。特別是對(duì)建筑物進(jìn)行平面分割后，還可以在分割圖的基礎(chǔ)上（圖5中的灰色帶）直接進(jìn)行建筑物平面輪廓的特征提取，進(jìn)一步結(jié)合Z值就能重建建筑物的立面特征。g)點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征提取微分逼近法：平面相交法：在線段的兩側(cè)選擇合適的點(diǎn)；對(duì)點(diǎn)進(jìn)行面的擬合；對(duì)面的交線進(jìn)行擬合三、地物信息提取DEM提?。焊鞣N濾波算法從點(diǎn)云中獲取方法：形態(tài)學(xué)、線性預(yù)測(cè)、三角網(wǎng)、其他建筑物提取建筑物提取分為兩步：建筑物檢測(cè)、建筑物重構(gòu)（參數(shù)建筑物模型和棱鏡建筑物模型）建筑物提取MDL原則：該原則為在普通框架中選擇和評(píng)價(jià)所選模型的參數(shù)提供方法，使我們能夠通過(guò)整合數(shù)據(jù)和模型信息來(lái)重構(gòu)建筑物形狀。MDL的核心思想是對(duì)象和模型間在信息描述上的權(quán)衡取舍MDL=模型描述長(zhǎng)度+誤差描述長(zhǎng)度其物理意義是對(duì)象描述所必須的信息量于所選擇模型所具有的信息量之間的匹配程度。如果獲得最小MDL，就以為著對(duì)象描述所需的編碼長(zhǎng)度與所構(gòu)造編碼程序的編碼能力相吻合，既具有代價(jià)最小的優(yōu)點(diǎn)。A.建筑物提取—建筑物發(fā)現(xiàn)：建筑物發(fā)現(xiàn)的主要思想：在DSN中隔離建筑物信息，分割數(shù)據(jù)（用建筑物的相關(guān)閾值如一層樓的高度來(lái)二元化數(shù)據(jù)）步驟：1.計(jì)算地形表面的近似值。用給定閾值二元化生成第一次分割缺陷：由于規(guī)則化和全局的閾值，建筑物邊緣有舍入第一次分割可能包括一些比周?chē)匦胃叩皇墙ㄖ锏钠?，如?shù)解決：僅選擇那些面積比預(yù)測(cè)的建筑物最小面積大的片斷。改進(jìn)分割：采用基于每個(gè)所選片斷界線框內(nèi)的高度信息的局部閾值改進(jìn)分割后的片斷—二維信息分析片斷和相關(guān)的界線框內(nèi)的高度信息—高度信息注：用幾何準(zhǔn)則來(lái)區(qū)分建筑物和其他高于地形表面的目標(biāo)不足是一直有效的。因此還使用采用其他信息的其它標(biāo)準(zhǔn)，如紋理信息或源于航空影像的邊緣信息B.建筑物提取–建筑物重構(gòu)a)參數(shù)建筑物模型：用于能用少數(shù)幾個(gè)參數(shù)描述的簡(jiǎn)單的獨(dú)立建筑物，如帶有對(duì)稱(chēng)斜屋頂?shù)慕ㄖ颾)棱鏡建筑物模型：包含規(guī)律性的生成知識(shí)，如正交性、平行性、共線性，用于復(fù)雜的建筑物或建筑街區(qū)注：模型的選擇應(yīng)基于MDL。模型的選擇并不與描述長(zhǎng)度直接相關(guān)，而與描述長(zhǎng)度相比不使用模型時(shí)的增加相關(guān)c)多面體模型（與上面兩個(gè)模型結(jié)合使用）i.屋頂平面發(fā)現(xiàn)：主要是發(fā)現(xiàn)建筑物片斷和使用不同幾何屬性來(lái)探測(cè)深度和法線不連續(xù)性。導(dǎo)出的不連續(xù)性地圖與建筑物片斷結(jié)合。此結(jié)合產(chǎn)生了原始的屋頂片段。幾何規(guī)則，如點(diǎn)數(shù)和坡度用來(lái)選擇有效的屋頂片斷用于重構(gòu)。ii.屋頂平面重構(gòu)：重構(gòu)的第一步是每個(gè)平面的參數(shù)估計(jì)?；谶@些參數(shù)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)了關(guān)于規(guī)律性的假設(shè)，這些規(guī)律給予應(yīng)用有約束條件的全局估計(jì)的進(jìn)一步的重構(gòu)以約束條件。植被提取植被對(duì)激光脈沖有很好的反射率一些脈沖點(diǎn)可能會(huì)穿過(guò)樹(shù)葉落在了地面上，形成了二次回波道路提取直接生成正射影像自動(dòng)獲取信息處理其他應(yīng)用體積測(cè)量、室內(nèi)結(jié)構(gòu)重建、古物重建、逆向工程、小物體重建四、激光掃描數(shù)據(jù)的三維可視化A.基于三角網(wǎng)的可視化：是構(gòu)成面狀模型的可視化（包括體狀目標(biāo)），包括建筑物模型、地面模型等，得到具有一定紋理、光照或者運(yùn)動(dòng)效果的場(chǎng)景B.基于點(diǎn)云的可視化：是單純地點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可視化，包括點(diǎn)云高程著色、分類(lèi)著色、強(qiáng)度顯示等。其常用的技術(shù)有以下四種：Progressive渲染技術(shù)：是大數(shù)據(jù)處理中使用的一種漸進(jìn)式渲染的技術(shù)Out-of-core技術(shù)：將計(jì)算的結(jié)果存儲(chǔ)在外存上，進(jìn)行三維渲染和處理時(shí)，將數(shù)據(jù)由外存調(diào)入內(nèi)存進(jìn)行渲染處理快速數(shù)據(jù)裁切技術(shù)：數(shù)據(jù)裁切是大數(shù)據(jù)可視化中能夠減少GPU繪制數(shù)據(jù)量的一個(gè)重要方法四叉樹(shù)：是在D維空間中，在每一個(gè)維分成兩份，從而形成每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)擁有2d個(gè)子節(jié)點(diǎn)的樹(shù)結(jié)構(gòu)五、激光掃描數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的集成處理：A.直接生成正射影像：主要是通過(guò)激光掃描傳感器和CCDcamera之間的幾何約束關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由激光系統(tǒng)和固定成像測(cè)量系統(tǒng)組成，有些系統(tǒng)可以直接提供對(duì)應(yīng)激光測(cè)量點(diǎn)的灰度信息B.信息自動(dòng)集成處理：主要是移動(dòng)測(cè)量平臺(tái)，激光掃描傳感器和和CCDcamera之間沒(méi)有幾何約束關(guān)系?；蛘呒s束關(guān)系誤差比較大，需要通過(guò)一些特征點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)集成。利用線性相機(jī)圖像對(duì)幾何模型的映射和重采樣：a)對(duì)每一個(gè)多邊形產(chǎn)生一個(gè)紋理圖片b)通過(guò)插值的方法使基于TIN的模型表明每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)顏色信息c)對(duì)三角網(wǎng)的顏色進(jìn)行同步六、激光雷達(dá)的應(yīng)用a)森林信息測(cè)量（森林分布、結(jié)構(gòu)、樹(shù)冠、木材量等）測(cè)量林區(qū)DEM,檢測(cè)森林生長(zhǎng)森林參數(shù)測(cè)量b)海岸線的測(cè)量（機(jī)載）c)電力線的測(cè)量（機(jī)載、包括無(wú)人機(jī)）d)體積測(cè)量：如煤對(duì)測(cè)量e)古建筑重建，室內(nèi)結(jié)構(gòu)重建（地面和手持激光掃描）f)古文物重建（地面和手持激光掃描）g)逆向工程，零件模型重建（小型的手持式或者是固定的激光掃描）h)機(jī)器人中的視覺(jué)系統(tǒng)（區(qū)別于基于圖像的視覺(jué)系統(tǒng)）i)路面檢測(cè)七、車(chē)載激光掃描系統(tǒng)車(chē)載道路激光測(cè)量系統(tǒng)基本原理幾何紋理粘貼到幾何模型的原理如下：投影中心O,點(diǎn)p1和點(diǎn)p2三點(diǎn)位于一條直線上，p2為直線與DEM的交點(diǎn)，求解交點(diǎn)坐標(biāo)就可以計(jì)算每一像素點(diǎn)的幾何坐標(biāo)和四維信息，即三維坐標(biāo)和紋理特征，一旦完成計(jì)算就能將幾何紋理準(zhǔn)確影射到幾何模型上。距離圖像分割和特征提?。菏紫葘⒊鞘协h(huán)境中各類(lèi)常見(jiàn)的特征分為兩類(lèi)：人造的（如建筑物、道路、公用設(shè)施、人行道、圍欄等）和自然的（如樹(shù)、灌木叢等），給出了建筑物、道路、樹(shù)、隧道、車(chē)輛提取的方法路面提取算法：用柱狀圖分析一條掃描線一條掃描線地處理，對(duì)每一條掃描線計(jì)算距離數(shù)據(jù)的柱狀圖（頻率），矩形框?qū)?0cm最高頻率值的矩形框作為選擇路面反射的距離點(diǎn)的閾值，提取所有等于或低于閾值的點(diǎn)，認(rèn)為他們屬于路面路面重構(gòu)：每線取五點(diǎn)：最大值、最小值、大多數(shù)高度值的平均值、起點(diǎn)和終點(diǎn)缺點(diǎn)：這樣不能生成非常平滑的路面，這是一個(gè)平滑性與數(shù)據(jù)量計(jì)算時(shí)間之間的交換剩下的數(shù)據(jù)點(diǎn)，不屬于路面的將用來(lái)分析提取建筑物的表面樹(shù)、公用設(shè)施和道路附屬物分散點(diǎn)和不分散點(diǎn)提取a)建筑物提取前的預(yù)處理b)區(qū)分自然特征和人造特征：來(lái)自樹(shù)的距離值分散來(lái)自人造特征如建筑物、墻和道路的距離值相當(dāng)平滑識(shí)別反射自對(duì)傳感器掃描平面來(lái)說(shuō)或垂直成水平方向的平面的距離點(diǎn)：設(shè)置一個(gè)±10cm的閾值和每束至少10個(gè)距離點(diǎn)問(wèn)題和難點(diǎn)：a)建立的建筑物表面3維模型中有空的部分，可能是由于窗戶或分散數(shù)據(jù)造成的無(wú)激光點(diǎn)數(shù)據(jù)b)決定平面的正確大小，以準(zhǔn)確表示每個(gè)單獨(dú)的建筑物表面，識(shí)別建筑物的準(zhǔn)確高度不那么容易，激光點(diǎn)的最上排不一定代表建筑物的頂部c)識(shí)別兩棟相似建筑物的邊界，別的信息源輔助識(shí)別d)同一棟建筑物表面的平面間有縫隙，可能是由于缺少數(shù)據(jù)點(diǎn)或者分散的數(shù)據(jù)（玻璃窗）車(chē)輛的提?。很?chē)輛的識(shí)別基于假設(shè)：車(chē)輛不管聽(tīng)或開(kāi)都在路的界線范圍內(nèi)車(chē)輛提取的基礎(chǔ)信息：反射點(diǎn)集呈現(xiàn)出的幾何結(jié)構(gòu)取決于車(chē)輛到測(cè)量車(chē)的距離和測(cè)量高度如果由車(chē)輛上表面（車(chē)頂）反射，反射點(diǎn)集可能水平的，說(shuō)明被掃描車(chē)高度低于測(cè)量車(chē)且被掃描車(chē)距測(cè)輛車(chē)很近如果被掃描車(chē)距測(cè)量車(chē)更遠(yuǎn)一點(diǎn)，反射點(diǎn)將是倒“L”型或簡(jiǎn)單的垂直排列的點(diǎn)車(chē)輛的提取算法：a)距離數(shù)據(jù)用最小喝醉大高度閾值（1.3m和1.8m）進(jìn)行第一次濾波b)選擇在道路邊界多邊形內(nèi)的點(diǎn)c)通過(guò)距離的第二次偏差分析把他，們分成不同的組d)檢查每組中垂直或睡眠，或水平排列的點(diǎn)e)用直線去擬合每條掃描線上的點(diǎn)f)檢查在至少兩到三條相鄰掃描線上是否有相似的直線未來(lái)發(fā)展方向a)硬件方面：傳感器的集成體積小，測(cè)距遠(yuǎn)，精度高，價(jià)格低數(shù)據(jù)處理方面：地空一體化數(shù)據(jù)的融合b)應(yīng)用方面：與攝影測(cè)量等的結(jié)合、基礎(chǔ)測(cè)繪領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域測(cè)試結(jié)果對(duì)于不同建筑物、不同距離的掃描，高度H的精度要低于平面X方向或Y方向的精度。這與GPS姿態(tài)的解算精度是相吻合的，在GPS解算的三個(gè)姿態(tài)中，其中航向角的解算精度影像系統(tǒng)的平面精度，橫滾角的解算精度影響系統(tǒng)的高程精度，而橫滾角的解算精度相比于航向角，其精度要低的多，一般來(lái)講，橫滾角的解算誤差約為航向角的2~3倍，所以上面的精度表中出現(xiàn)了高程精度相比于平面精度要低很多的情況在多組實(shí)驗(yàn)中，掃描距離都在100米以內(nèi)，其平面精度都優(yōu)于0.1米，滿足本車(chē)載系統(tǒng)要求平面精度達(dá)到0.1米的要求；但高程精度較差，且值不穩(wěn)定地形圖的識(shí)別按照先圖外后圖內(nèi)、先地物后地貌、先主要后次要、先注記后符號(hào)的基本順序。一、大比例尺地形圖識(shí)讀圖外注記識(shí)讀圖名、圖號(hào)、接合圖表、比例尺、坐標(biāo)系統(tǒng)、測(cè)圖時(shí)間、圖示版本地物識(shí)讀根據(jù)地物符號(hào)和相關(guān)注記，了解地物的分布和地物的位置。地貌識(shí)讀根據(jù)等高線判讀出山頭、洼地、山脊、山谷、山坡等基本地貌，并且根據(jù)特定的符號(hào)判讀出雨裂、沖溝、峭壁、懸崖、崩塌、陡坎等特殊地貌。同時(shí)根據(jù)等高線的密集程度來(lái)分析地面坡度的變化情況。二、中小比例尺地形圖的識(shí)讀梯形分幅和編號(hào)1:100萬(wàn)比例尺地形圖，經(jīng)度按6度劃分，緯度按4度劃分。圖廓注記圖外注記識(shí)讀地物識(shí)讀地貌識(shí)讀三、地形圖的應(yīng)用確定點(diǎn)的平面坐標(biāo)（與格網(wǎng)點(diǎn)地圖量算法）確定點(diǎn)的高程不在等高線上根據(jù)相鄰等高線間平距與高差成正比例，按照等高線勾繪的內(nèi)插方法求得該點(diǎn)的高程。確定兩點(diǎn)間的水平距離確定直線間的坐標(biāo)方位角四、確定兩點(diǎn)間的坡度四、面積量算幾何圖形圖解法具有幾何圖形的面積可用圖解幾何圖形發(fā)來(lái)測(cè)定。即將其劃分成若干個(gè)簡(jiǎn)單的幾何圖形，從