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湖南科技大学本科生毕业设计（论文）1湖南科技大学毕业设计（论文）题目机载LIDAR点云数据滤波作者蒋辉跃学院建筑与城乡规划学院专业测绘工程学号0910050208指导教师李乐林二〇一三年五月五日湖南科技大学本科生毕业设计（论文）2基于多尺度分析的LIDAR点云滤波及DEM生成第一章绪论1.1引言空间三维地理信息是人类认知世界、服务自身不可或缺的核心媒介，也是国家经济社会发展的基础性、战略性资源。随着现代社会的不断发展、高新技术的进步，人类清醒地认识到空间三维地理信息对生产、生活所起到的巨大作用。为此，世界上许多国家把空间地理信息资源的开发利用放到了首要的战略位置。1998年，美国副总统阿尔·戈尔在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表了题为“TheDigitalEarth:Understandingourplanetinthe21stCentury”的演说，第一次提出了“数字地球”（DigitalEarth）相关概念。该概念与GIS、遥感、虚拟现实等高新技术息息相关，已成为当下人们时常谈论的一个话题。数字地球：一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟系统。数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。数字地球学是关于整个地球、全方位的GIS与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。作为数字地球建设的关键支撑技术之一，空间多维地理信息的获取技术发挥着重要作用。两院院士李德仁先生曾经作过一个形象的比喻：数据是GIS的血脉。同样，获取空间多维数据信息，也是数字地球的血脉。发展至今，地球空间信息获取技术（Geo-SpatialTechnology）与纳米技术和生物技术一起被称为当今最具发展前景的三大高新技术。目前，地球空间信息获取技术，正朝着多传感器、多平台、多极化、多角度、高空间分辨率、高时相分辨率、高（多）光谱等方向发展，人类获取数据的来源极为扩展，同时也为数据的识别、处理、应用带来了前所未有的严峻挑战。在此背景下，作为航空航天遥感最具代表性之一的机载激光雷达测量技术（LiDAR,LightDetectionAndRanging）应运而生。它是一种主动式对地观测系统，集全球定位、惯性导航、激光测距等高新技术于一身，解决了传统摄影测量学的许多难题，作为一种新兴的空间对地观测技术，在空间多维地理信息的实时获取方面取得了重大突破，引起了测绘、地理信息等相关行业的浓厚兴趣。由于机载激光雷达测地技术的诸多优点，其社会需求在不断扩大，也是最近几年科研及相关工作者的一个热湖南科技大学本科生毕业设计（论文）3点研究方向。机载激光雷达测量技术的发展日新月异，机载激光雷达测量系统实际上已经代表了对地观测领域一个新的发展方向。1.2研究背景、目的及意义1.2.1研究背景激光雷达测量技术源自1970年美国国家航天局（NASA,NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的研发。NASA利用激光作为遥感设备，进行了多次空间数据获取实验，其中就包括对月观测和卫星激光测距。20世纪70年代，美国在阿波罗登月计划中应用了激光雷达测量技术（Kaula,etal,1974）。随后，激光雷达测量技术获得了迅速发展，包括当时美国NASA研制的大气海洋LiDAR系统、机载地形测量设备等机载系统。归功于全球定位系统以及惯性导航系统的技术进步，使精确的即时定位和姿态确定成为可能，机载激光雷达测量技术才取得了重大进展，并且出现了精确可靠的激光雷达测量传感器。其中包括航天飞机激光测高仪（SLA,ShuttleLaserAltimeter）（Garvin,etal,1998）和火星观测激光测高仪（MOLA,MarsObserverLaserAltimeter）（Smith,etal,1998）以及月球观测激光测高仪（LOLA,LunarObserverLaserAltimeter）。NASA利用这些设备，获取了高分辨率的地球表面、火星表面、月球表面三维地形信息，这对于研究地球、火星、月球的繁衍变化、真实形状等具有极重要的科学意义。期间其他一些国家也进行了许多相关实验。德国Stuttgart大学摄影测量学院于1988年开始研究机载激光扫描地形断面测量系统；荷兰测量部门自1988年也开始从事利用激光雷达测量技术提取地形信息的可行性研究；加拿大卡尔加里大学进行了机载激光雷达系统的集成和实验，通过把激光扫描仪与GPS、INS、数据通信等设备集成，实现了一个机载激光雷达三维数据获取平台，开展了一些实验，取得了较好的成果；日本东京大学1999年进行了地面固定激光扫描系统的集成和实验（ZhaoHJ,etal,1999）。随后，机（空）载激光雷达测量系统发展相当迅速，出现了一大批机载激光雷达测量系统。例如，加拿大Optech公司生产的Gemini、ALTM3100EA和SHOALS、美国Leica公司的ALS50-II、瑞典TopoEyeAB公司生产的TopEyeMk-II、德国IGI和奥地利RIEGL公司联合制造的LiteMapper5600、奥地利RIEGL公司的LMS-Q560、德国TopoSys公司的Falcon-II和Falcon-III、荷兰Fugro公司生产的FLI-MAP400等是当前较成熟的商业系统我国在LiDAR技术上的起步比较晚，对机载LiDAR系统的研究始于上个世纪70年代，其间经历了理论探索、实验、完成原理样机等阶段。尤其在国家863湖南科技大学本科生毕业设计（论文）4计划的支持下，中国科学院遥感应用研究所李树楷教授等研究的机载三维成像系统于1996年完成了第一台线扫描原理样机的研制，该系统有别于当时国际上流行的机载LiDAR系统，它将激光测距扫描仪与多光谱扫描成像仪共用一套扫描光学系统，不仅可以获得目标的三维离散点云，还能获取其对应的二维影像，且能保证三维物方点和二维影像一一对应，直接得到地学编码影像数据；海军海洋测绘研究所与上海光机所于2004年合作研制的机载激光测深系统原理样机等。但是由于国内还没有高精度的INS系统以及性能（激光强度、激光功率、脉冲和测距精度）可靠的激光扫描测距装置，到目前为止还没有成熟的国产商用机载激光扫描测距系统。1.2.2研究的目的及意义相比于机载激光雷达测量系统硬件的飞速发展和广泛应用，与其数据处理方面相关的算法、软件等研究仍处于滞后状态。发展至今，仍然没有一种商业软件能完全自动、智能地处理复杂多变地形的点云数据。每种算法、每种软件都有自己的优缺点，在地形变化相对单一的时候，都能展示出其优良性能。但遇到地形复杂多变的城区、山地等环境时，处理效果往往不能令人满意。同时，由于各个硬件生产商家之间的竞争关系，硬件技术参数无法统一，与其相关的数据处理软件也是多种多样。在这种情况下，导致了两大难题：一是，由于硬件技术参数的不统一，导致LiDAR数据格式与提供商的硬件相关，数据格式种类繁多；二是，每个硬件提供商，都会附带自己研发的数据处理软件，用户只能根据其相关说明，进行操作，不能按自己需要进行定制处理，且对于用户来说，数据处理软件中的算法，也是商家不愿公开的，是一个黑匣子。这些问题，都在一定程度上限制了机载激光雷达测量技术的发展和应用。为此，我们必须研究机载激光雷达的系统构成与测量原理，以及后续的数据处理技术，为我国的经济发展、社会进步做出一定的贡献。本文就是针对以上问题，对于机载激光雷达测量这一高新对地观测技术，从其发展渊源、系统构成、工作原理、数据特点、处理方法、质量评价、相关应用等方面进行了有益的研究。主要探讨机载雷达测量系统产生的点云数据的预处理与滤波处理技术，用于生成基础地理信息产品DEM时需要解决的处理难题，研究重点集中于以下几点：1.详细阐述了国内外点云数据处理方面的研究现状与发展趋势，了解发展前沿；2.系统阐述了机载激光雷达的系统构成与工作原理，分析了激光点云数据的特点；3.研究了点云标准数据格式LAS相关机理，实现了数据转换；在此基础上实现了基于高程统计直方图的点云数据滤波去噪；4.改进了两种机载LiDAR点云数据滤波方法，生成了满足一定精度要求的DEM；5.提出了评价点云最终成果的质量评价要素与指标，丰富了质量评价方法。由于机载激光雷达测量技术是一种新兴的高新技术，其在许多领域都有广泛的应用前景，而我国在该技术的研究湖南科技大学本科生毕业设计（论文）5与应用方面均落后于西方发达国家，研究其相关技术对于国家的经济建设、社会的发展进步都有不言而喻的积极意义。研究其测量机理，能更好地与传统摄影测量技术相结合，发挥各自优势，实现优势互补、最终相互促进。机载激光雷达数据处理后生成的DEM数据，是获取基础地理信息的核心数据源，在地形分析、城市规划、应急救灾等方面有着极其重要的作用。研究机载LiDAR技术的数据处理与质量评价，为后续的大规模应用积累技术和经验。1.3国内外研究状况及发展趋势1.3.1点云滤波处理研究现状与趋势虽然目前还没有一种滤波算法可完全有效应对复杂多变的地形数据，但是一些较为成熟的滤波算法已经获得了一定的应用。其中最出名的就是TerraScan软件，它是芬兰公司TerraSolid软件中的一个子模块，它的核心算法就是基于多分辨率分析的数据滤波算法[6]。该算法把多分辨率分析理论引入机载LiDAR数据滤波中来，实现了快速稳健的滤波效果。SCOP++软件中采用了稳健分层内插的滤波方法，采用了分层的基于数据的金字塔模型[7]。先进行数据精化，再经过线性稳健估计数据滤波生成初始DEM，在一定的条件下，经过多次迭代计算，直至所有点被分类。另一种被普遍使用的是基于数学形态学的滤波方法[8]，它使用一种被称之为结构元素的窗口模板作为处理单元，利用形态学中的膨胀与腐蚀算法相组合，形成开、闭两种算子进行综合处理。还有的是根据机载激光雷达传感器记录的回波次数滤波的。WeverandLindenberger等人（1999）利用基于首末次回波的方法滤波；许晓东、张小红等人（2007）讨论了多次回波的探测方法及其在滤波中的应用，在林区的滤波中取得了较好的结果。李奇、马洪超（2008）分析研究了利用整个返回波形进行提取目标的三维坐标信息，使用改进的EM脉冲检测算法得到回波脉冲的位置和宽度，生成高质量的点云数据。张小红（2002）在其博士论文中提出了移动曲面拟合滤波方法，突破了传统方法的局限，直接基于离散的激光脚点数据进行滤波，在滤波的同时，粗差也被过滤。王刃（2008）在其博士论文中，改进了逐行双向标识算法滤波，在数据过滤时，以剖面为处理单位，每次对沿扫描线方向的一个剖面进行滤波处理，采用坡度与高程两个阈值尺度，取得了较好的滤波结果。曾齐红（2009）在其博士论文中提出了基于高程突变的TIN滤波算法，直接基于点云数据的本质特点，根据目标点与其邻近点的高程变化幅度以及满足变化幅度邻近点的数量来过滤点云。算法采用高差和邻近点数量两个阈值参数，为后续的地物提取提供了便利。总的来说，目前大多数算法都是基于点云空间几何特征的过滤与分类方法，算法集中考虑了点云数据的高程突变、邻近高差、坡度斜率等因素，充分顾及了点云数据的空间三维散乱特征。点云数据中也包括了回波湖南科技大学本科生毕业设计（论文）6次数信息、回波强度信息，还有数码相机获取的光谱信息等，但此方法鲜有人深入研究。曾齐红（2009）在其博士论文中对后者进行了富有成果的研究。现存的各类滤波方法都有其优缺点，新一代的滤波算法将朝向联合机载激光雷达系统获取的带有强度与光谱信息的几何数据以及其他多源数据的共同融合滤波方向发展。1.3.2点云数据重构技术研究现状与趋势滤波后的点云数据重构DEM（DTM）的方法，主要分为基于规则格网和基于不规则三角网的重建方法。对于规则格网重建方法来说，按照数据组织又可分为两种，一是基于格网节点的DEM重建；另一个是基于格网面元的DEM重建。基于不规则三角网的重建方法，主要是应用Voronoi图对散乱点云进行Delaunay三角化，其主要思想是对每个采样点在各个方向探索所有邻域，寻找可能的