[發明專利]一種基于建筑物角點自修正的航空與地面LiDAR數據高精度自動配準方法

有效

• 申請號: 201210510785.8
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN103065295A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 程亮;李滿春;童禮華;陳焱明;鐘禮山;劉永學;張雯;王亞飛;馬磊;潘航
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G01S7/48
• 代理公司: 南京同澤專利事務所(特殊普通合伙) 32245
• 代理人: 石敏

技術領域

本發明涉及一種航空和地面LiDAR數據配準方法，特別是涉及一種基于建筑物角點自修正的航空與地面LiDAR數據高精度自動配準方法。

背景技術

激光雷達技術，作為一種大范圍的面狀三維坐標測量工具，能夠提供地物表面詳盡而準確的不規則LiDAR點，數據質量優于其他一些測量技術，如數字攝影測量、雷達干涉測量等。目前，使用最多的激光雷達是航空激光雷達和地面激光雷達。航空激光雷達俯視地獲取大范圍的數據，數據中包含大量地物的頂部信息，然而側面信息獲取困難，數據分辨率也有限；地面激光雷達平視或仰視地獲取區域數據，地物側面信息詳盡，數據分辨率較高，然而掃描范圍有限，地物頂部信息難以獲得。航空與地面激光雷達各有優缺點，為了能夠獲取地物各個尺度、各個方向的詳盡數據，兩種平臺數據的融合已經成為一種必然趨勢。事實上，這些年來越來越多的學者集成兩種數據進行應用研究，相關研究涉及地形制圖、地質勘探、森林研究、水文研究、以及虛擬現實等等。

為了集成航空和地面LiDAR數據進行研究，首先需要對兩種數據進行配準。事實上，航空和地面LiDAR數據存在著較大差異，從兩種數據中提取的公共角點數量有限，精度差異也較大：1)不同視角。航空LiDAR俯視獲取數據，頂部信息較多，側面信息較少，而地面LiDAR平視、仰視獲取數據，側面信息詳盡，頂部信息較少，兩者公共角點較少。2)不同范圍。航空LiDAR能夠獲取大范圍的數據，提高大量的配準角點，而地面LiDAR掃描范圍有限，提供的配準角點較少，位置集中。3)不同分辨率。航空LiDAR距離掃描目標幾百米至上千米不等，數據分辨率在米級或分米級，提取的角點精度較低，而地面LiDAR距離掃描目標幾十米，數據分辨率最高可達毫米級，提取的角點精度較高。如何充分利用少量的精度差異較大的公共角點，實現航空和地面LiDAR更為準確的配準還有待于研究。

發明內容

本發明要解決技術問題是：克服現有技術缺點，提出基于建筑物角點自修正的航空與地面LiDAR數據高精度自動配準方法，該方法對誤差較大的航空角點進行自動移動修正，從而提高航空角點的精度，以便實現航空和地面LiDAR數據的高精度配準。

為了解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是：一種基于建筑物角點自修正的航空與地面LiDAR數據高精度自動配準方法，包括以下步驟：

第一步、從航空LiDAR數據中提取建筑物角點，稱為航空角點；從地面LiDAR數據中提取建筑物角點，稱為地面角點；

第二步、分別從航空角點和地面角點中選取出任意兩個點計算用于坐標變換的轉換矩陣，對所有可能的轉換矩陣根據最大匹配對數和最小匹配誤差確定最優轉換矩陣，并使用最優轉換矩陣對地面角點進行初始變換，對應的成功匹配的航空角點和地面角點即為初始匹配角點對；

第三步、計算每對航空和地面角點之間的距離，將具有最大距離值的航空角點移動至對應的地面角點位置，完成一次誤差較大航空角點的修正；

第四步、循環執行第二步和第三步，在循環過程中，計算航空角點與地面角點的總誤差值，如果本次循環的總誤差值大于前面一次循環總誤差值的20％，則停止循環，完成所有誤差較大航空角點移動修正；

第五步、采用倒數第二次循環中獲得的最優轉換矩陣對航空LiDAR數據和地面LiDAR數據進行配準。

本發明可修正航空角點中誤差較大的點，較大地提高了航空LiDAR數據和地面LiDAR數據的配準精度，利用本發明可實現航空與地面LiDAR數據的高精度自動配準。

本發明第一步中，從航空LiDAR數據中提取航空角點的方法如下：使用反向迭代數學形態學方法從航空LiDAR數據中提取建筑物區域；對不規則建筑物區域使用規則化方法得到規則的建筑物輪廓線段，兩兩相交的輪廓線段形成航空角點，并將所述航空角點周圍1m范圍內的LiDAR點的高程最高值作為該航空角點的高程。

本發明第一步中從地面LiDAR數據中提取地面角點的方法如下：使用分層次的格網密度方法從地面LiDAR數據中提取建筑物輪廓；在此基礎上使用輪廓延伸密度方法對提取的建筑物輪廓進行恢復，形成完整的建筑物輪廓；然后將完整的建筑物輪廓投影到三維坐標系的XY平面內尋找二維相交點，如果任兩條構成相交點的輪廓的高程差小于1m，則判定兩條輪廓在實際的三維空間中相交，兩條輪廓的相交點為一個地面角點，并將所述兩條輪廓的高程均值作為該地面角點的高程。

其中，使用分層次的格網密度方法從地面LiDAR數據中提取建筑物輪廓，具體步驟如下：