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机载LIDAR数据滤波与建筑物提取技术研究

王刃  
【摘要】:机载LIDAR(Light Detection and Ranging)技术是一种崭新的遥感技术,它给人们带来了新型的观测手段和测量方法,为地形测绘提供了新途径,也为突破某些传统测绘手段很难解决的测绘难题带来了新的希望。本文旨在研究机载LIDAR数据应用于DEM(DigitalElevation Model)、DSM(Digital Surface Model)的生产以及在城市三维建模中的潜力,对其中的关键处理技术——数据滤波与建筑物提取进行了深入的分析和研究,自主开发了一套基本功能完整的机载LIDAR数据处理系统——Lidar-Fire。 本文的主要工作和创新点如下: 1.回顾了机载LIDAR系统及其数据后处理技术的发展概况;介绍了国际上具有代表性的机载LIDAR数据处理软件TerraScan的主要功能,指出了我国目前在这一领域的不足和技术难点;对机载LIDAR系统的基本组成及其工作原理进行了阐述,深入分析了机载LIDAR系统的主要数据误差源及其改正模型。 2.实现了基于多分辨率分析的滤波算法、分层稳健线性估计滤波算法以及基于渐进窗口尺寸的数学形态学滤波算法等典型滤波算法,并进行了实验,在此基础上引入了逐行双向标识算法——OBL(One-dimensional and Bidirectional Labelling),并对之进行改进,提出了改进的OBL算法——POBL(Progressive One-dimensionaland Bidirectional Labelling第—)。该算法在滤波过程中引入了多种判断尺度,克服了现有滤波算法判断尺度单一,无法适应复杂地形环境的缺点,有效的提高了在复杂背景环境下数据滤波的准确率。 3.提出了临近关系尺度,利用该尺度有效地分离了建筑物表面点和植被表面点,解决了现有算法在实现建筑物表面点与植被表面点分离时过分离和欠分离的问题;引入了R半径密度概念,实现了准确而快速的建筑物脚点分割。 4.提出了基于最小外接矩形的建筑物三维重建算法,该算法较好地克服了基于不变力矩的建筑物三维重建算法对数据质量的要求和依赖,实现了自由度较高、速度较快的建筑物三维重建的目的。 5.实现了基于数据驱动的建筑物三维重建算法,在此基础上提出了基于混合模型的建筑物三维重建算法,即在建筑物三维重建过程中,同时利用模型驱动式建筑物三维重建算法和数据驱动式建筑物三维重建算法,在可对多种结构模型的建筑物进行三维重建的前提下,有效的提高了重建速度。 6.开发了一套功能基本完整的机载LIDAR数据处理系统LIDAR-Fire。利用该系统对德国Narrode地区以及英国Birmingham的多块数据进行了处理实验,并对试验结果进行了分析和统计,与国外专业处理软件进行了对比性分析。实验结果表明:该系统性能稳定、精度可靠、正确性均已达到国际相关的、先进数据处理软件的水平。


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