LIDAR數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging)簡(jiǎn)稱LIDAR,作為一種測(cè)繪技術(shù),激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè),林業(yè),地質(zhì),軍事,天文學(xué),機(jī)器人,交通等領(lǐng)域。基本工作原理是定向發(fā)射一束激光脈沖,接收脈沖遇到障礙物后的回波,通過計(jì)算發(fā)射方向及回波時(shí)間得到障礙物相對(duì)于雷達(dá)的三維坐標(biāo)。按照載體的不同,激光雷達(dá)通常分為星載,機(jī)載,車載和陸基激光雷達(dá)。其中機(jī)載激光雷達(dá)是一種綜合了激光測(cè)距模塊,GPS(Global Positionin

2、g System),慣性測(cè)量單元(Inertial measurement unit,簡(jiǎn)稱IMU)的主動(dòng)式遙感測(cè)量設(shè)備,相對(duì)于其它測(cè)繪技術(shù),具有成本低,作業(yè)周期短,自動(dòng)化程度高,精度高等特點(diǎn),因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
　　機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)包括回波數(shù)據(jù)處理和點(diǎn)云處理兩部分。
　　其中回波數(shù)據(jù)處理的主要目的是對(duì)回波進(jìn)行高斯波形分解,得到反射點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)位等反射信息。好的波形分解算法可以得到更精確的反射點(diǎn)坐標(biāo),對(duì)提

3、升激光雷達(dá)系統(tǒng)的定位精度起著關(guān)鍵作用。
　　點(diǎn)云處理的目的是從激光雷達(dá)波形分解得到的散亂點(diǎn)云中提取出有用信息,例如分離出地形,提取森林覆蓋率和植被高度參數(shù)等。難點(diǎn)包括大規(guī)模地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理,地物及地形的提取,分類,網(wǎng)格重建等。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)部分:
　　(1)回波數(shù)據(jù)的高斯擬合初值預(yù)估及參數(shù)優(yōu)化。傳統(tǒng)的波形分解初值估計(jì)算法存在對(duì)隨機(jī)噪聲敏感,波形個(gè)數(shù)及參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確的問題。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種新的

4、參數(shù)預(yù)估方法,對(duì)噪聲魯棒,無(wú)需進(jìn)行預(yù)濾波就可以準(zhǔn)確地估計(jì)出高斯分量的個(gè)數(shù)及每個(gè)分量的參數(shù)。在完成高斯分解初值預(yù)估后,本文分別采用了非線性最小二乘算法中的LM算法(Levenberg-Marquardt Algorithm)和L-BFGS(limited-memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,可以得到高精度的高斯分解結(jié)果。(2)研究并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模點(diǎn)云及網(wǎng)格數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)三維可視化及快速交

5、互式編輯。機(jī)載激光雷達(dá)得到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大,因此如何在現(xiàn)有硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和編輯對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)非常關(guān)鍵。為了解決這個(gè)問題,本文開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件,使用OpenGL實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云和網(wǎng)格的三維可視化,并且基于八叉樹分別實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云的快速選擇,刪除,測(cè)量,截取斷面等操作。
　　(3)為了從LIDAR點(diǎn)云中提取有用信息,本文研究和實(shí)現(xiàn)了地形與地物點(diǎn)云的提取和分離以及Delaunay構(gòu)網(wǎng)算法,使用基于區(qū)域生長(zhǎng)的算法實(shí)現(xiàn)了地形點(diǎn)云的提取。<