[發(fā)明專利]基于分層輪廓的LIDAR數(shù)據(jù)城市快速重建方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310006074.1
• 申請日: 2013-01-09
• 公開（公告）號: CN103093497A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李慧盈;傅博;李文輝;張振花
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/04;G01S17/00
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1.基于分層輪廓的LIDAR數(shù)據(jù)城市快速重建方法所用設(shè)備由一個數(shù)據(jù)采集平臺、一個飛行平臺、一個控制與分析平臺、一個結(jié)果管理與顯示平臺、一個數(shù)據(jù)存儲裝置組成，數(shù)據(jù)采集平臺采用ALS50-II機載激光LIDAR系統(tǒng)、徠卡RCD105-60型高分辨率數(shù)碼相機和GPS定位模塊，控制與分析平臺和結(jié)果管理與顯示平臺采用普通PC機，數(shù)據(jù)存儲裝置采用PC機的硬盤；其特征在于，實現(xiàn)步驟如下：

A：當(dāng)飛行那個平臺進入目標(biāo)飛行軌跡，控制與分析平臺發(fā)出指令，飛行平臺開始獲取當(dāng)前飛行平臺所在位置的差分GPS數(shù)據(jù)與機載POS數(shù)據(jù)，同時，控制與分析平臺控制數(shù)據(jù)采集平臺上的激光LIDAR系統(tǒng)、高清數(shù)碼相機工作獲取地表LIDAR點云數(shù)據(jù)與高清航拍正射影像，并將上述兩種數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，具體步驟如下：

A01：開始，控制與分析平臺發(fā)出初始化指令，初始化激光LIDAR系統(tǒng)、高清數(shù)碼相機、GPS模塊，獲取測試區(qū)域坐標(biāo)；

A02：控制與分析平臺對激光LIDAR系統(tǒng)、高清數(shù)碼相機、GPS模塊發(fā)出起始獲取數(shù)據(jù)指令，開始獲取激光LIDAR數(shù)據(jù)并存儲到存儲器，開始獲取高清航拍影像并存儲到存儲器，估計GPS差分數(shù)據(jù)并存儲到存儲器，獲取機載POS數(shù)據(jù)并存儲到存儲器；

A03：控制與分析平臺對激光LIDAR系統(tǒng)、高清數(shù)碼相機、GPS模塊發(fā)出結(jié)束獲取數(shù)據(jù)指令，停止激光LIDAR系統(tǒng)、高清數(shù)碼相機、GPS模塊的工作，結(jié)束存儲操作；

B：控制與分析平臺對采集平臺存儲的數(shù)據(jù)進行分析，最后將分析結(jié)果保存到結(jié)果管理與顯示平臺，具體步驟如下：

B01：執(zhí)行從存儲設(shè)備讀取LIDAR系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)的操作，讀入點云數(shù)據(jù)Points_cloud，數(shù)據(jù)中Z表高度，讀取時轉(zhuǎn)化為Y表高度；

B02：執(zhí)行去墻壁點操作，迭代判斷非地面云團的所有點v，通過索引網(wǎng)格獲得與v距離不超過r的所有點(v本身除外)保存至nearList，求nearList中所有點最大高度hmax和最小高度hmin，將hmax和hmin相減得到的值dh作為判斷其它點是否為墻壁點的閾值，如果一個點值大于hmax或者該點與地面的高度差大于dh，則認為該點為一個墻壁點，將該點去除；

B03：執(zhí)行標(biāo)記階躍點的操作，對于所有剩余的點，計算其半徑為r的鄰域內(nèi)各點的最大高度差，如果差值大于設(shè)定閾值，則認為此點為階躍點，將其標(biāo)記為階躍點cloud.jump；

B04：執(zhí)行分離地面點操作，將測量區(qū)域劃分成尺寸為L*L的方格，在每個方格范圍中取最低點作為地面種子點，以種子點周圍非階躍點作為連通條件進行區(qū)域生長，得到連通分支branch，將branch保存到branchList，接下來對地面云團建立矩形網(wǎng)并進行平滑得到數(shù)字地形模型(Digital?Terrain?Model，簡稱DTM)，非地面云團留待后續(xù)步驟處理；

B05：執(zhí)行點云分割操作，非地面云團進行區(qū)域生長，生長的條件為非地面云團中的兩個任一點v’1和v’2連通且滿足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為放大倍數(shù)，d為連通距離閾值，k和d在方法的初始化過程中設(shè)定；

B06：執(zhí)行去植被點操作，迭代判斷所有云團中的標(biāo)記階躍點，統(tǒng)計以某一階躍點cloud.jump為圓心r為半徑的圓內(nèi)階躍點的百分比rate，如果rate大于rate_threshold，則繼續(xù)擴大r，直到擴大r達到r_max為止；如果在擴大的過程中rate小于rate_threshold，則認為該圓內(nèi)的區(qū)域不是植被圓，圓內(nèi)的點不是植被點，否則，圓內(nèi)的所有階躍點被標(biāo)記為植被點；

B07：執(zhí)行點云沉降操作，計算各云團內(nèi)的點平均高度avrgH，將各云團按avrgH由大到小排序，判斷是否存在擁有較大avrgH的云團的平面映射投影與擁有較小avrgH的云團的平面映射投影發(fā)生聯(lián)通的情況，如果存在聯(lián)通的情況，則將重合區(qū)域的較高avrgH的云團的值，加入到較低云團中去，更新矩形區(qū)域；

B08：執(zhí)行提取輪廓操作，點云進行Delaunay三角剖分，得到三角網(wǎng)patch，刪除patch中含有過長邊的三角形，遞歸遍歷三角網(wǎng)探尋輪廓邊，得到輪廓邊集，對輪廓邊進行連接得到輪廓多邊形，將各輪廓多邊形中各頂點Y值置為0；

B09：計算最小包圍矩形，求當(dāng)前點云數(shù)據(jù)在XZ平面上投影的最小包圍矩形并存儲，由于點云數(shù)據(jù)的最小包圍矩形與點云數(shù)據(jù)的輪廓多邊形polygenList的最小包圍矩形相同，而polygenList點數(shù)少得多，所以對polygenList求最小包圍矩形；

B10：計算云團地面最低高度和云團平均高度，對點云數(shù)據(jù)中每個點vi求其落在地面矩形網(wǎng)格中的哪個格，獲得此格的高度hi，求所有hi的最小值minH，將minH保存到點云數(shù)據(jù)中；

B11：執(zhí)行輪廓平滑操作，首先，進行輕度平滑；然后，標(biāo)記兩級角點，非常尖銳的角點標(biāo)記為coreCornerPoint，coreCornerPoint之外的普通角點標(biāo)記為cornerPoint；第三，進行初次保護性平滑，對于coreCornerPoint，cornerPoint和非角點三類點給予不同的權(quán)重，對coreCornerPoint給予非常大的權(quán)重，使其在平滑過程中基本保持不動，對cornerPoint給予中等權(quán)重，使其在平滑過程中只有較小的移動，對于非角點給予非常小的權(quán)重，使其在平滑過程中有較大移動；然后，重新標(biāo)記兩級角點；然后，再次進行保護性平滑；最后，刪除非角點再重生非角點；

B12：執(zhí)行建立頂面操作，首先，對處理后的云數(shù)據(jù)生成矩形網(wǎng)格，每一個網(wǎng)格稱作一個cell，每一個cell的中心點v的高度值等于落入此格的所有點的高度值的平均值；然后，將四角頂點和中心點都落在cloud.polygenList外部的cell標(biāo)記為empty＝true，將四角頂點和中心點都落在cloud.polygenList內(nèi)部的cell標(biāo)記為empty＝false，將四角頂點和中心點都落在cloud.polygenList內(nèi)部也有落在cloud.polygenList外部的cell標(biāo)記為needcut；然后，調(diào)整各邊界點的高度，各cell的八個邊界點cell.vup、cell.vdn、cell.vlt、cell.vrt、cell.vlup、cell.vldn、cell.vrup、cell.vrdn的高度的計算方法為：

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，計算每個cell的法向量norm1、norm2、norm2、norm4、norm5，其中norm1、norm2、norm2、norm4為一個矩形被分為四個cell后對應(yīng)的法向量，norm5為平均法向量；如果一個cell的norm[0]，norm[1]，norm[2]，norm[3]差別較大，說明此cell是一個角點cell，差別可用各norm[i]與avrgnorm夾角正弦的均方根來度量，即D＝sqrt((1/4)*∑|cross(norm[i]，avrgnorm)|^2)，如果D大于一定閾值，則認為是角點cell；如果一個cell的周圍八個格的avrgnorm與cell.avrgnorm夾角正弦的均方根大于一定閾值，則認為是粗糙角點；對各cell的中心點v進行加權(quán)平均平滑，重新調(diào)整各格邊界點高度，重新計算各格法向量(norm1、norm2、norm3、norm4及avrgnorm)；將每個needcut的cell都分解為兩個三角形polygen，然后存到cell.polygenList中；

B13：執(zhí)行生成墻面壁操作，將cloud.polygenList用作上輪廓多邊形，再用另一個域cloud.polygenList_dn作為下輪廓多邊形，對上輪廓多邊形polygenList，只須調(diào)整其中各頂點v的Y值，使其與(v[X]，v[Z])處的屋頂cell高度相同，對下輪廓多邊形polygenList_dn，首先通過拷貝polygenList得到polygenList_dn，然后再對polygenList_dn中各點v的Y值進行調(diào)整，得到了polygenList和polygenList_dn后，將對應(yīng)點連成四邊形；

B14：執(zhí)行生成紋理映射操作，控制與分析平臺發(fā)出指令，獲取存儲器的航拍正射影像image，對于頂面紋理，如果點云區(qū)域與航拍正射影像區(qū)域正好匹配，則點v的紋理坐標(biāo)u的計算公式：

u[0]＝(v[X]-xmin)/(xmax-xmin)；

u[1]＝(v[Z]-zmin)/(zmax-zmin)；

其中xmin，xmax，zmin，zmax為點云范圍；對于側(cè)面紋理，找出墻壁圖片對側(cè)面進行紋理映射；

C：對數(shù)據(jù)分析平臺進行有效整理并快速瀏覽，具體步驟如下：

C01：執(zhí)行生成頂面多級多細節(jié)層次(Levels?of?Detail，以下約定為LOD)的操作，本方法共生成二級LOD，第一級LOD為建頂面直接行到的頂面網(wǎng)格，在第二級LOD中，格子尺寸是第一級LOD的四倍，但邊緣處的碎片多邊形與第一級LOD中相同，因此在邊緣碎片多邊形與內(nèi)部網(wǎng)格之間由于分辨率不同會產(chǎn)生裂縫，需要修補；

C02：構(gòu)建一顆四叉樹，對整個場景區(qū)域建立一棵四叉樹，將所有建筑分裝到四叉樹的葉子節(jié)點中去。在后面渲染場景的時候，判斷哪些葉子節(jié)點是可見(與視截體相交)的，只渲染這些葉子節(jié)點中的建筑，為了防止將同一個建筑渲染多遍，設(shè)置一個drawed標(biāo)記，在準(zhǔn)備繪制某個建筑前先判斷drawed標(biāo)記是否為true，若為true則說明已畫過，跳過；若為false，則說明未畫過，繪制此建筑并置其drawed標(biāo)記為true；

C03：構(gòu)建地形四叉樹，隨機生成一個曲面，并顯示。