[发明专利]基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法

摘要

本发明涉及一种基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法；本方法根据国内机载LIDAR数据自身的特点设计，在数据存在点云密度低、点云缺失、点云噪声大、无回波、非正射、航拍图像与点云不匹配的情况下，仍然可以得到高效的效果；本方法可以广泛处理我国目前机载LIDAR数据，采集部分的LIDAR数据可以通过机载三维激光LIDAR获得，采集部分的航拍正射影像可以通过机载高分辨率数码相机获得，处理平台与显示部分可以通过普通PC机完成功能；本方法在数据量大、数据不准确的情况下仍可以快速处理并获得令人接受的效果，应用前景广泛。

主权项

基于分层轮廓的LIDAR数据城市快速重建方法所用设备由一个数据采集平台、一个飞行平台、一个控制与分析平台、一个结果管理与显示平台、一个数据存储装置组成，数据采集平台采用ALS50‑II机载激光LIDAR系统、徕卡RCD105‑60型高分辨率数码相机和GPS定位模块，控制与分析平台和结果管理与显示平台采用普通PC机，数据存储装置采用PC机的硬盘；其特征在于，实现步骤如下：A：当飞行那个平台进入目标飞行轨迹，控制与分析平台发出指令，飞行平台开始获取当前飞行平台所在位置的差分GPS数据与机载POS数据，同时，控制与分析平台控制数据采集平台上的激光LIDAR系统、高清数码相机工作获取地表LIDAR点云数据与高清航拍正射影像，并将上述两种数据存储到存储器中，具体步骤如下：A01：开始，控制与分析平台发出初始化指令，初始化激光LIDAR系统、高清数码相机、GPS模块，获取测试区域坐标；A02：控制与分析平台对激光LIDAR系统、高清数码相机、GPS模块发出起始获取数据指令，开始获取激光LIDAR数据并存储到存储器，开始获取高清航拍影像并存储到存储器，估计GPS差分数据并存储到存储器，获取机载POS数据并存储到存储器；A03：控制与分析平台对激光LIDAR系统、高清数码相机、GPS模块发出结束获取数据指令，停止激光LIDAR系统、高清数码相机、GPS模块的工作，结束存储操作；B：控制与分析平台对采集平台存储的数据进行分析，最后将分析结果保存到结果管理与显示平台，具体步骤如下：B01：执行从存储设备读取LIDAR系统点云数据的操作，读入点云数据Points_cloud，数据中Z表高度，读取时转化为Y表高度；B02：执行去墙壁点操作，迭代判断非地面云团的所有点v，通过索引网格获得与v距离不超过r的所有点(v本身除外)保存至nearList，求nearList中所有点最大高度hmax和最小高度hmin，将hmax和hmin相减得到的值dh作为判断其它点是否为墙壁点的阈值，如果一个点值大于hmax或者该点与地面的高度差大于dh，则认为该点为一个墙壁点，将该点去除；B03：执行标记阶跃点的操作，对于所有剩余的点，计算其半径为r的邻域内各点的最大高度差，如果差值大于设定阈值，则认为此点为阶跃点，将其标记为阶跃点cloud.jump；B04：执行分离地面点操作，将测量区域划分成尺寸为L*L的方格，在每个方格范围中取最低点作为地面种子点，以种子点周围非阶跃点作为连通条件进行区域生长，得到连通分支branch，将branch保存到branchList，接下来对地面云团建立矩形网并进行平滑得到数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)，非地面云团留待后续步骤处理；B05：执行点云分割操作，非地面云团进行区域生长，生长的条件为非地面云团中的两个任一点v’1和v’2连通且满足v’1[X]‑v’2[X])^2+(k(v’1[Y]‑v’2[Y])^2+(v’1[Z]‑v’2[Z])^2＜＝d^2，k为放大倍数，d为连通距离阈值，k和d在方法的初始化过程中设定；B06：执行去植被点操作，迭代判断所有云团中的标记阶跃点，统计以某一阶跃点cloud.jump为圆心r为半径的圆内阶跃点的百分比rate，如果rate大于rate_threshold，则继续扩大r，直到扩大r达到r_max为止；如果在扩大的过程中rate小于rate_threshold，则认为该圆内的区域不是植被圆，圆内的点不是植被点，否则，圆内的所有阶跃点被标记为植被点；B07：执行点云沉降操作，计算各云团内的点平均高度avrgH，将各云团按avrgH由大到小排序，判断是否存在拥有较大avrgH的云团的平面映射投影与拥有较小avrgH的云团的平面映射投影发生联通的情况，如果存在联通的情况，则将重合区域的较高avrgH的云团的值，加入到较低云团中去，更新矩形区域；B08：执行提取轮廓操作，点云进行Delaunay三角剖分，得到三角网patch，删除patch中含有过长边的三角形，递归遍历三角网探寻轮廓边，得到轮廓边集，对轮廓边进行连接得到轮廓多边形，将各轮廓多边形中各顶点Y值置为0；B09：计算最小包围矩形，求当前点云数据在XZ平面上投影的最小包围矩形并存储，由于点云数据的最小包围矩形与点云数据的轮廓多边形polygenList的最小包围矩形相同，而polygenList点数少得多，所以对polygenList求最小包围矩形；B10：计算云团地面最低高度和云团平均高度，对点云数据中每个点vi求其落在地面矩形网格中的哪个格，获得此格的高度hi，求所有hi的最小值minH，将minH保存到点云数据中；B11：执行轮廓平滑操作，首先，进行轻度平滑；然后，标记两级角点，非常尖锐的角点标记为coreCornerPoint，coreCornerPoint之外的普通角点标记为cornerPoint；第三，进行初次保护性平滑，对于coreCornerPoint，cornerPoint和非角点三类点给予不同的权重，对coreCornerPoint给予非常大的权重，使其在平滑过程中基本保持不动，对cornerPoint给予中等权重，使其在平滑过程中只有较小的移动，对于非角点给予非常小的权重，使其在平滑过程中有较大移动；然后，重新标记两级角点；然后，再次进行保护性平滑；最后，删除非角点再重生非角点；B12：执行建立顶面操作，首先，对处理后的云数据生成矩形网格，每一个网格称作一个cell，每一个cell的中心点v的高度值等于落入此格的所有点的高度值的平均值；然后，将四角顶点和中心点都落在cloud.polygenList外部的cell标记为empty＝true，将四角顶点和中心点都落在cloud.polygenList内部的cell标记为empty＝false，将四角顶点和中心点 都落在cloud.polygenList内部也有落在cloud.polygenList外部的cell标记为needcut；然后，调整各边界点的高度，各cell的八个边界点cell.vup、cell.vdn、cell.vlt、cell.vrt、cell.vlup、cell.vldn、cell.vrup、cell.vrdn的高度的计算方法为：cell.vup＝(upcell.v+cell.v)/2；cell.vdn＝(dncell.v+cell.v)/2；cell.vlt＝(ltcell.vdn+cell.v)/2；cell.vrt＝(cell.v+rtcell.v)/2；cell.vlup＝(ltcell.vup+cell.vup+upcell.vlt+cell.vlt)/4；cell.vldn＝(ltcell.vdn+cell.vdn+cell.vlt+dncell.vlt)/4；cell.vrup＝(cell.vup+rtcell.vup+upcell.vrt+cell.vrt)/4；cell.vrdn＝(cell.vdn+dncell.vdn+cell.vrt+dncell.vrt)/4；然后，计算每个cell的法向量norm1、norm2、norm2、norm4、norm5，其中norm1、norm2、norm2、norm4为一个矩形被分为四个cell后对应的法向量，norm5为平均法向量；如果一个cell的norm[0]，norm[1]，norm[2]，norm[3]差别较大，说明此cell是一个角点cell，差别可用各norm[i]与avrgnorm夹角正弦的均方根来度量，即D＝sqrt((1/4)*∑|cross(norm[i]，avrgnorm)|^2)，如果D大于一定阈值，则认为是角点cell；如果一个cell的周围八个格的avrgnorm与cell.avrgnorm夹角正弦的均方根大于一定阈值，则认为是粗糙角点；对各cell的中心点v进行加权平均平滑，重新调整各格边界点高度，重新计算各格法向量(norm1、norm2、norm3、norm4及avrgnorm)；将每个needcut的cell都分解为两个三角形polygen，然后存到cell.polygenList中；B13：执行生成墙面壁操作，将cloud.polygenList用作上轮廓多边形，再用另一个域cloud.polygenList_dn作为下轮廓多边形，对上轮廓多边形polygenList，只须调整其中各顶点v的Y值，使其与(v[X]，v[Z])处的屋顶cell高度相同，对下轮廓多边形polygenList_dn，首先通过拷贝polygenList得到polygenList_dn，然后再对polygenList_dn中各点v的Y值进行调整，得到了polygenList和polygenList_dn后，将对应点连成四边形；B14：执行生成纹理映射操作，控制与分析平台发出指令，获取存储器的航拍正射影像image，对于顶面纹理，如果点云区域与航拍正射影像区域正好匹配，则点v的纹理坐标u的计算公式：u[0]＝(v[X]‑xmin)/(xmax‑xmin)；u[1]＝(v[Z]‑zmin)/(zmax‑zmin)；其中xmin，xmax，zmin，zmax为点云范围；对于侧面纹理，找出墙壁图片对侧面进行纹理 映射；C：对数据分析平台进行有效整理并快速浏览，具体步骤如下：C01：执行生成顶面多级多细节层次(Levels of Detail，以下约定为LOD)的操作，本方法共生成二级LOD，第一级LOD为建顶面直接行到的顶面网格，在第二级LOD中，格子尺寸是第一级LOD的四倍，但边缘处的碎片多边形与第一级LOD中相同，因此在边缘碎片多边形与内部网格之间由于分辨率不同会产生裂缝，需要修补；C02：构建一颗四叉树，对整个场景区域建立一棵四叉树，将所有建筑分装到四叉树的叶子节点中去。在后面渲染场景的时候，判断哪些叶子节点是可见(与视截体相交)的，只渲染这些叶子节点中的建筑，为了防止将同一个建筑渲染多遍，设置一个drawed标记，在准备绘制某个建筑前先判断drawed标记是否为true，若为true则说明已画过，跳过；若为false，则说明未画过，绘制此建筑并置其drawed标记为true；C03：构建地形四叉树，随机生成一个曲面，并显示。