[發明專利]基于LiDAR點云數據的城市高精度三維地形構建方法及系統

在審

• 申請號: 202011298095.1
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112348867A
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 曹冬梅;王曉利;龔天宇
• 申請（專利權）人: 南通市測繪院有限公司
• 主分類號: G06T7/521
• 分類號: G06T7/521;G06T17/05;G06T17/20;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

本發明提供一種基于LiDAR點云數據的城市高精度三維地形構建方法及系統，包括建立城市場景下的三維點云語義分割分類體系和標注樣本庫；建立城市場景下的三維點云混合尺度體素塊；實現三維點云的特征學習，包括針對劃分的多個混合尺度，使用多個權值共享的三維卷積網絡，將三維點云的細節結構和周圍地表背景信息融合，得到三維點云的混合尺度特征向量；實現三維點云的語義要素分割，包括訓練特征學習網絡，對待建模區域的三維點云進行推理預測；實現語義幾何共生約束的地表點插值，彌補應濾除的非地表點造成的空洞；構建城市三維地形模型。本發明提升語義分割結果精度和城市三維地形的精細程度，滿足海綿城市建設和城市內澇分析等應用需求。

技術領域

本發明屬于地形測繪技術領域，具體涉及一種基于LiDAR點云數據的城市高精度三維地形構建方法及系統。

背景技術

城市是自然地形與人工地形交融在一起的，城市區域通常呈現突變地形與漸變地形交錯的狀態。現有的城市DEM數據生產技術是面向自然地形設計的，三維地形數據以1:2000至1:500的DEM為主，而且現勢性較差，更新成本高。當前城市高精度三維地形的應用存在以下不足：(1)難以滿足海綿城市規劃等需求，海綿城市建設需要精確的三維地形來劃分匯水區，并計算地表徑流方向，進而計算匯流量和產流量，而城市漸變地形在DEM數據中無法表達出來，目前全國大多數城市都缺乏可以支持海綿城市建設的高精度三維地形數據；(2)城市內澇預測與分析時，突變地形與漸變地形交錯，漬水點的淹水深度等信息缺乏高精度三維地形數據來測算。目前的DEM生產技術工藝和流程難以完成高精度城市三維地形構建任務，迫切需要研究面向城市地形特征的三維地形建模技術。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服上述現有技術的不足，提供一種基于LiDAR點云數據的城市高精度三維地形構建方案。

為實現上述目的，本發明的技術方案包括一種基于LiDAR點云數據的城市高精度三維地形構建方法，基于LiDAR所得三維點云實現城市三維地形構建，實現方式包括以下步驟：

步驟1，建立城市場景下的三維點云語義分割分類體系和標注樣本庫，所述三維點云語義分割分類體系設置多種語義類別，包括自然地表、人工地表和其他類別；

步驟2，建立城市場景下的三維點云混合尺度體素塊，包括將標注樣本庫的三維點云數據和城市場景下待建模區域的三維點云數據進行混合尺度格網化處理，依據高斯模型確定多個混合尺度，按照不同尺度的格網邊長劃分體素，并標注每個體素塊內的點密度信息；

步驟3，實現三維點云的特征學習，包括對于標注樣本庫中的三維點云，針對步驟2劃分的多個混合尺度，使用多個權值共享的三維卷積網絡，將三維點云的細節結構和周圍地表背景信息融合，得到三維點云的混合尺度特征向量；

步驟4，實現三維點云的語義要素分割，包括訓練特征學習網絡，通過訓練的結果對待建模區域的三維點云的各個點所屬類別進行推理預測；

步驟5，實現語義幾何共生約束的地表點插值，包括根據步驟4預測的點云類別信息，取自然地表和人工地表兩類點作為地表點；進行幾何語義共生約束的插值，彌補應濾除的非地表點造成的空洞；

步驟6，構建城市三維地形模型，包括根據步驟5所得結果使用Delaunay三角網的規則構建三維地表模型。

而且，步驟2的實現過程包括以下子步驟，

步驟2.1，對于所有給定的三維點云中的任意點P，以點P為中心點建立鄰域立方體；

步驟2.2，建立點云數據的物方空間坐標系；