利用机载激光雷达点云提取城市植被三维覆盖的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用机载激光雷达点云提取城市植被三维覆盖的方法，包括如下步骤：数据预处理，机载激光雷达(LiDAR)点云数据中值滤波和数据高度归一化。根据航空摄影状况进行地物激光点强度值校准后分析的结果，建立依据强度值和空间信息的分类规则，用来区分植被与非植被激光点。利用现有工具评估规则的有效性，并优化后进行激光点分类。激光点垂直分层，利用反距离法(IDW)对分层数据分别内插，得到植被三维覆盖图。
【专利说明】利用机载激光雷达点云提取城市植被H维覆盖的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种利用机载激光雷达点云提取城市植被S维覆盖的方法，本发明所 属【技术领域】为资源环境遥感或数字图像处理【技术领域】，尤其适用于生态城市=维植被覆盖 地理信息数据提取。
【背景技术】
[0002] 在城市植被覆盖信息提取中，应用高分辨率影像相对成熟，但只能获得植被平面 的覆盖分布，存在山体植被投影面积变小等问题。随着近年来机载激光雷达（LiDAR)技术 的蓬勃发展，使国内外学者基于LiDAR点云W及与影像结合的方式进行城市S维植被覆盖 研究成为可能。获取城市=维植被覆盖图，有利于精细化评估生态城市设及植被或绿化的 指标体系，对城市环境改善和城市居民生活具有重大意义。
[0003] 机载激光雷达（LiDAR)是整合全球卫星定位系统（GP巧和惯性测量装置（IMU)技 术的机载激光扫描，可W获得地面物体的S维坐标和其他有关信息。机载LiDAR传感器发 射的激光脉冲能部分穿透树冠遮挡，受可见光线影响很小，直接获取高精度=维地表地形 空间数据。LiDAR技术获得的数据经过后处理，可W生成高精度的数字高程模型值EM)、等 高线图（CM)和数字地表模型值SM)等测绘产品，具有传统摄影测量和地面常规测量技术无 法取代的优越性。
[0004] 通过激光点云数据处理，结合DEM和DSM成果，可W得到与遥感多光谱数据一样的 二维城市绿化覆盖信息。而且，由于激光雷达的原生的S维特征，自然可W获得S维城市绿 化覆盖图。
【发明内容】
[0005] 发明目的；本发明提出一种利用机载激光雷达点云提取城市植被=维覆盖的方 法，有效提取城市植被=维覆盖信息，获得=维覆盖图，解决城市植被覆盖调查中使用二维 影像使地表面积变小问题，有利于研究如何提高城市居民生态生活环境质量。
[0006] 技术方案：利用机载激光雷达点云提取城市植被=维覆盖的方法，包括如下步 骤：
[0007] 第一步，数据预处理。建立基于机载激光雷达（LiDAR)点云数据强度信息的中值 滤波器，利用此中值滤波器对点云数据滤波，去除强度噪声。用激光点数据的高程值减去地 面高程值EM)值，高度归一化，去除地表起伏的影响。包括如下子步骤：
[000引 （1)根据原始点云的密度情况，划分规则格网（格网步长D)，使点云落在格网中， 从而建立空间索引框架。
[0009] (2)求出格网中最大强度值的点，保存其坐标和强度值，形成一个数据集。
[0010] (3)按点云的强度值从大到小排序数据集中的所有点，并判断强度值最大的点是 否小于给定的截止阔值（I);若大于等于I值，则执行下一步；若小于I值，则计算结束。
[0011] (4) W数据集中第一个点为中心一定的半径佩在空间索引框架下，捜索激光 点，对捜索到的激光点按其强度值从大到小排序，用该个序列点的强度中值替换捜索中屯、 点的强度值。
[0012] (5)更新数据集中的强度值和捜索框架中点的强度值，重复第（3)步，直到计算结 束。
[0013] (6)输出强度中值滤波结果。
[0014] 第二步，地物激光点强度值校准后分析。同种地物在不同测量距离上LiDAR点云 的强度值并不相同，主要与距离有关，利用公式校准强度。根据影像在一个飞行架次的城市 区域中选择典型地物，分析其反射LiDAR强度的特征，从中找出利用LiDAR强度提取地物的 一般规律。
[0015] 第=步，建立依据强度值和空间信息的分类规则，用来分类植被与非植被。包括如 下子步骤：
[0016] (1)高大植被与房屋等高大建筑的归一化后高度值较大，但建筑的强度标准偏离 值小而植被强度标准偏离值大，除了特殊材料，植被的强度均值大于建筑的。
[0017] (2)草地植被与道路等人工地物归一化后高度值较小，但草地等植被的强度均值 大，且强度标准偏离值亦大；通常道路的强度均与强度标准偏离值都小，个别铺装路面强度 均值大，强度标准偏离值却小。
[001引 （3)纯净水面没有激光点，有杂物或水生植物的水面点云强度均值小但强度标准 偏离值大。
[0019] (4)植被生长一般乔灌草共生或单种植被成片，在选择激光点强度阔值时考虑地 物的连续性。
[0020] 第四步，利用现有工具评估规则的有效性，并进行优化后，进行激光点分类。利用 已经有的多光谱遥感影像，对比分析分类规则里是否含有粗差；利用Terrasolid软件对样 地点云进行人工分类，细化分类规则。
[0021] 第五步，激光点垂直分层，利用反距离法（IDW)对分层数据分别内插，得到植被S 维覆盖图。
[0022] 有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的方法有如下优点：发明并使用了适 合于激光点云强度去噪的滤波器；能够根据激光点云数据提取城市地区=维植被覆盖。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明利用机载激光雷达点云提取城市植被=维覆盖的方法的流程图。
[0024] 图2为本发明激光点强度分布图，（a)图为滤波前的，化）图为滤波后的。
[0025] 图3为本发明S维分隔面图，（a)图为点云正视图，化）图为分隔面正视图，（C)图 为截面图。
[0026] 图4为本发明城市植被S维覆盖透视图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解该些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[002引根据图1所示的方法流程，W"南京市和平公园=维绿化覆盖提取"为应用实例， 对本发明进一步阐明：
[0029] 第一步，数据预处理。建立基于机载激光雷达（LiDAR)点云数据强度信息的中值 滤波器，利用此中值滤波器对点云数据滤波，去除强度噪声。用激光点数据的高程值减去地 面高程值EM)值，高度归一化，去除地表起伏的影响。包括如下子步骤：
[0030] (1)根据原始点云的密度情况，划分规则格网（格网步长D设为3米），使点云落 在格网中，从而建立空间索引框架。
[0031] (2)求出格网中最大强度值的点，保存其坐标和强度值，形成一个数据集。
[0032] (3)按点云的强度值从大到小排序数据集中的所有点，并判断强度值最大的点是 否小于给定的截止阔值（I);若大于等于I值，则执行下一步；若小于I值，则计算结束。I 值的确定，与地物特征有关。本例取值为20。
[003引 （4) W数据集中第一个点为中心一定的半径化设为2米）在空间索引框架下， 捜索激光点，对捜索到的激光点按其强度值从大到小排序，用该个序列点的强度中值替换 捜索中屯、点的强度值。
[0034] (5)更新数据集中的强度值和捜索框架中点的强度值，重复第（3)步，直到计算结 束。
[0035] (6)输出强度中值滤波结果。
[0036] 第二步，地物激光点强度值校准后分析。同种地物在不同测量距离上LiDAR点云 的强度值并不相同，主要与距离有关，利用一下公式校准强度。
[0037] Irs=吃 …
[003引 为归一到标准Rs距离上的强度值，I为实际测量的强度值，R为传感器与探测目 标的距离。根据影像在一个飞行架次的城市区域中选择典型地物，分析其反射LiDAR强度 的特征，从中找出利用LiDAR强度提取地物的一般规律。本例找出12种地物，具体见下表 (表 1):
[0039] 表1地物反射LiDAR强度特点
[0040]
【权利要求】
1. 利用机载激光雷达点云提取城市植被三维覆盖的方法，具特征在于，包括如下步 骤： 第一步，数据预处理。建立基于机载激光雷达（LiDAR)点云数据强度信息的中值滤波 器，利用此中值滤波器对点云数据滤波，去除强度噪声。用激光点数据的高程值减去地面高 程（DEM)值，高度归一化，去除地表起伏的影响。 第二步，地物激光点强度值校准后分析。同种地物在不同测量距离上LiDAR点云的强 度值并不相同，主要与距离有关，利用公式校准强度。根据影像在一个飞行架次的城市区域 中选择典型地物，分析其反射LiDAR强度的特征，从中找出利用LiDAR强度提取地物的一般 规律。 第三步，建立依据强度值和空间信息的分类规则，用来分类植被与非植被。 第四步，利用现有工具评估规则的有效性，并进行优化后，进行激光点分类。利用已经 有的多光谱遥感影像，对比分析分类规则里是否含有粗差；利用Terrasolid软件对样地点 云进行人工分类，细化分类规则。 第五步，激光点垂直分层，利用反距离法（IDW)对分层数据分别内插，得到植被三维覆 盖图。
2. 如权利要求1所述的利用机载激光雷达点云提取城市植被三维覆盖的方法，其特征 在于，第一步包括如下子步骤： (1) 根据原始点云的密度情况，划分规则格网（格网步长D)，使点云落在格网中，从而 建立空间索引框架。 (2) 求出格网中最大强度值的点，保存其坐标和强度值，形成一个数据集。 (3) 按点云的强度值从大到小排序数据集中的所有点，并判断强度值最大的点是否小 于给定的截止阈值（I):若大于等于I值，则执行下一步；若小于I值，则计算结束。 (4) 以数据集中第一个点为中心，一定的半径（R)在空间索引框架下，搜索激光点，对 搜索到的激光点按其强度值从大到小排序，用这个序列点的强度中值替换搜索中心点的强 度值。 (5) 更新数据集中的强度值和搜索框架中点的强度值，重复第（3)步，直到计算结束。 (6) 输出强度中值滤波结果。
3. 如权利要求1所述的利用机载激光雷达点云提取城市植被三维覆盖的方法，其特征 在于，第三步包括如下子步骤： (1) 高大植被与房屋等高大建筑的归一化后高度值较大，但建筑的强度标准偏离值小 而植被强度标准偏离值大，除了特殊材料，植被的强度均值大于建筑的。 (2) 草地植被与道路等人工地物归一化后高度值较小，但草地等植被的强度均值大，且 强度标准偏离值亦大；通常道路的强度均与强度标准偏离值都小，个别铺装路面强度均值 大，强度标准偏离值却小。 (3) 纯净水面没有激光点，有杂物或水生植物的水面点云强度均值小但强度标准偏离 值大。 (4) 植被生长一般乔灌草共生或单种植被成片，在选择激光点强度阈值时考虑地物的 连续性。
【文档编号】G01S17/89GK104502919SQ201510019559
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月13日 优先权日:2015年1月13日
【发明者】韩文泉, 赵书河, 谢顺平, 雷步云, 冯学智, 王安 申请人:南京大学