[發(fā)明專利]機(jī)載LiDAR點(diǎn)云屋頂面片分割方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710830887.0
• 申請(qǐng)日: 2017-09-15
• 公開（公告）號(hào): CN107644452A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邵振峰;張程
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T15/00
• 分類號(hào): G06T15/00;G06T17/00;G01S17/06;G01S17/89
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 嚴(yán)彥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)載激光LiDAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于3D Voronoi圖的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云屋頂面片分割方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)

機(jī)載激光雷達(dá)測量(Light Detection and Ranging，簡稱LIDAR)作為一種新興的空間對(duì)地觀測技術(shù)，在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重大突破。機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)于一體，通過主動(dòng)發(fā)射激光，接收目標(biāo)對(duì)激光光束的反射及散射回波來測量目標(biāo)的方位、距離及目標(biāo)表面特性，能夠快速獲取精確的高分辨率數(shù)字地面模型以及地面物體的三維坐標(biāo)。最近幾年，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及社會(huì)需求的不斷擴(kuò)大，機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)的發(fā)展日新月異，實(shí)際上已經(jīng)代表了對(duì)地觀測領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向。機(jī)載激光雷達(dá)測量在3D城市建模、植被監(jiān)測、通信線路設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃和災(zāi)害處理等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是一種自下向上的建筑物三維重建方法，首先從激光掃描數(shù)據(jù)中檢測建筑物點(diǎn)，然后通過面片檢測和分割獲得各個(gè)建筑物面片，最終通過模型構(gòu)建建立建筑物的三維模型。建筑物面片的檢測與分割是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維重建方法的重要步驟。目前，已有許多的屋頂面片分割算法，能夠有效的解決建筑物屋頂面片分割的問題，并應(yīng)用于三維重建的過程中。但仍然有一些較具挑戰(zhàn)性的問題亟待解決，具體包括：

1.在將點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為二維圖像處理的分割方法中，首先要從點(diǎn)云中分離出地面點(diǎn)，構(gòu)建歸一化高程模型DEM，然后將同樣是內(nèi)插得到的數(shù)字表面模型DSM與之相減，得到歸一化數(shù)字高程模型nDSM，再對(duì)圖像進(jìn)行分割。在兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插的過程中，都會(huì)造成精度損失，得到的最終分割結(jié)果不能很好的保留建筑物的真實(shí)輪廓和細(xì)節(jié)信息。

2.大量的點(diǎn)云分割算法依賴于點(diǎn)云局部特征的計(jì)算，點(diǎn)云局部特征的計(jì)算需要選擇合適的鄰域點(diǎn)。但是機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)常常分布不均勻，在建筑物的屋頂面分布密度遠(yuǎn)大于建筑物立面，在一般的點(diǎn)云鄰域系統(tǒng)中，很難選擇一個(gè)全局通用的計(jì)算方法來計(jì)算點(diǎn)云局部特征。因此需要一個(gè)合理的、適應(yīng)性好的點(diǎn)云鄰域系統(tǒng)，克服點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布不均勻、非結(jié)構(gòu)化的弱點(diǎn)。

3.目前已有的點(diǎn)云分割和重建的方法大都是針對(duì)平面的，基于曲面的建筑物屋頂面片檢測與分割算法還有待開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)基于LiDAR點(diǎn)云的建筑物屋頂面片分割過程中局部特征計(jì)算對(duì)鄰域系統(tǒng)的需求，本發(fā)明提出將3D Voronoi結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云鄰域系統(tǒng)的構(gòu)建，并提出了基于3D Voronoi鄰域系統(tǒng)的建筑物屋頂檢測和屋頂面片算法。

本發(fā)明技術(shù)方案提供一種機(jī)載LiDAR點(diǎn)云屋頂面片分割方法，基于3D Voronoi圖實(shí)現(xiàn)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云屋頂面片分割，包括以下步驟，

步驟a，基于3D Voronoi圖為機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建點(diǎn)云鄰域系統(tǒng)，包括為機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中任意一點(diǎn)構(gòu)建基于3D Voronoi鄰域的鄰接關(guān)系；

步驟b，進(jìn)行離群點(diǎn)檢測并刪除離群點(diǎn)；

步驟c，利用形態(tài)學(xué)濾波將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)分離，得到非地面點(diǎn)；

步驟d，利用建筑物與植被在點(diǎn)云數(shù)據(jù)多次回波信息上的差異，初步區(qū)分建筑點(diǎn)與植被點(diǎn)，獲得初始的建筑物點(diǎn)云；

步驟e，基于3D Voronoi鄰域，利用主成分分析方法從步驟d所得初始的建筑物點(diǎn)云中剔除植被點(diǎn)和建筑物屋脊上的斷裂線點(diǎn)，檢測出包含建筑物屋頂點(diǎn)和墻面點(diǎn)的建筑物點(diǎn)；

步驟f，利用建筑物墻面法向量垂直于鉛垂線方向的特征，將建筑物墻面點(diǎn)剔除，得到建筑物屋頂點(diǎn)；

步驟g，基于3D Voronoi鄰域連通性，通過區(qū)域增長，根據(jù)步驟f所得結(jié)果最終得到建筑物屋頂面片。

而且，步驟b中，通過局部臨近點(diǎn)擬合的噪聲檢測方法進(jìn)行離群點(diǎn)檢測并刪除離群點(diǎn)。

而且，步驟d中，設(shè)H_first代表某一激光束第一次回波所返回的高程值，H_last代表該激光束的最后一次回波所產(chǎn)生的高程值，若

H_first-H_last＜T_H，

則認(rèn)為該激光點(diǎn)屬于植被點(diǎn)，閾值T_H采用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所有非地面點(diǎn)的平均高程值。