专利名称：一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法
一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法
技术领域：
本发明涉及遥感测绘领域，尤其是一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法。
背景技术：
建筑物作为三维地理信息系统中的重要组成部分，由于其具有相对固定的位置和相对规则的外形，通常将其作为激光雷达点云数据中的重要标定物。因此，在激光雷达点云数据的处理过程中，如何实时、准确地提取出其中所包含的建筑物位置信息和顶面类型信息是一项急需解决的重要问题。目前，针对激光雷达点云数据进行滤波、分割处理的方法基 本上都是采用“后处理”的方式，如数学形态学滤波方法、三角网格滤波方法、区域生长方法、随机采样一致性方法和K-means聚类分析方法等。这些方法较为适合于处理片状点云数据，虽然具有较高的精度，但所需的运算时间较长，很难满足在扫描过程中进行实时成像和建筑物特征提取的需求。在胡翔云、李小凯申请的发明专利(申请号201110337099. O)所述方法中，激光雷达的点云数据被按照其所包含的各条扫描线分别进行滤波处理。借助于该方法可以在激光雷达的扫描过程中对点云数据进行实时处理，但该方法无法满足实时成像和建筑物特征提取等处理要求。在郝泳涛申请的发明专利(申请号=200710045734.1)所述方法中，离散小波变换被应用于二维激光雷达点云数据处理中。但在该所述方法中小波变换仅被作为一种去噪方式，并不涉及地面及建筑物的分类和建筑物特征提取等处理。在本发明所述方法中，对在激光雷达扫描过程中完成扫描的一条扫描线，利用最小二乘拟合方法计算出其所对应的理想扫描直线，将扫描线上的激光脚点映射到理想扫描直线上。通过栅格化和线性插值的方法，根据各条理想扫描线上激光脚点的高程值计算出各条理想扫描线上栅格位置的高程值，从而，将各条扫描线上激光脚点的位置和高程值转换为一组规则的高程值序列。利用平稳离散小波变换对高程值序列进行分析，从获得的小波细节系数中提取出建筑物位置信息和顶面类型信息等。通过时空关联性分析，利用相邻扫描线上的高程值和小波细节系数等对各条扫描线的提取结果进行校验，保证数据提取的准确性。与传统点云数据处理方法相比，本发明所提的方法具有可以在激光雷达扫描过程中对点云数据进行实时处理的特点，所获得的处理结果的数据更新频率等于所采用激光雷达的线扫描频率。
发明内容本发明是一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法。利用最小二乘拟合方法计算出激光雷达点云数据中各条扫描线的理想直线表达式。利用栅格化和线性插值的方法计算出理想直线上各个栅格位置对应的高程值。利用离散平稳小波变换提取出各条扫描线高程值序列的高程变化信息，并从中提取出建筑物边缘位置信息，以及建筑物的顶面类型信息。利用灰度化的方法对各条扫描线的高程值序列和小波细节系数进行灰度值计算，得出其所对应探测区域的实时图像信息。利用时空关联性方法分析相邻扫描线上对应栅格位置的高程值、小波细节系数以及建筑物位置信息和建筑物的顶面类型信息，对所得到的点云数据提取结果进行校验，提高建筑物特征提取的准确度。本发明的技术方案是这样实现的本发明的一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法，步骤如下步骤一、对点云数据中同属于一条扫描线的激光脚点在xoy平面内进行直线化处理。理想条件下，激光雷达通过扫描机构中棱镜转动所获得的一条扫描线上的激光脚点在笛卡尔三维xyz坐标系内的xoy平面上应该较为均匀地分布在同一条直线上。但是在实际情况中，由于地面物体的高程变化，以及激光雷达载荷平台在复杂气流影响下出现的航向角、侧滚角和俯仰角偏差，各条扫描线上的激光脚点与其理想扫描线之间存在一定的距离偏差。在激光雷达扫描过程中，利用最小二乘拟合方法计算出实际获得扫描线所对应的理想扫描线方程，使在xoy平面内，扫描线上所有激光脚点到该理想直线的距离平方和最小。计算各个激光脚点在xoy平面内与该理想直线的垂线，并以各条垂线与该理想直线在xoy平面内的交点坐标作为各个激光脚点经过直线化处理后的X轴和y轴坐标。步骤二、在理想扫描线上，对直线化处理后的激光脚点进行高程值栅格化处理。经过直线化处理后，理想扫描线上的激光脚点为一直线形式分布，以各个激光脚点在该直线上的间距的平均值作为栅格的间距值。以该间距值将直线从第一个激光脚点开始分割成若干栅格。利用直线上各个激光脚点的高程值，采用线性插值的方法，计算出该理想直线上各个栅格位置处的高程值。步骤三、基于平稳小波变换的激光雷达实时成像和建筑物特征提取处理。通过步骤一和步骤二中的直线化和高程值栅格化等操作，将扫描线上的激光脚点转化为规则的离散高程数据序列，采用离散平稳小波变换对其进行处理，按照所得的小波细节系数的特征，提取其中所包含的建筑物边缘位置信息，以及建筑物的顶面类型信息。通过灰度化的方法，计算出栅格化后的规则离散高程数据序列和小波细节系数的灰度值。在激光雷达的扫描过程中，按照上述方法对其所获得的每条扫描线上的激光脚点数据进行实时处理，从而实现对对应探测区域进行实时成像。步骤四、采用时空关联性分析的方法对各条扫描线的提取结果进行校验。通过步骤三的操作，可以实时提取出各条扫描线激光脚点中所包含建筑物边缘位置信息和建筑物顶面类型信息，并可以根据各扫描线的高程信息和小波细节系数，对其所对应的探测区域进行实时成像。但每条扫描线上的高程信息仅来自于激光雷达的扫描方向，而不包含其载荷平台行进方向上的信息。因此，利用时空关联性分析的方法对扫描过程中各条相邻扫描线上对应的栅格位置的高程值、小波细节系数以及其包含的各个建筑物的位置和顶面类型信息进行分析和校验，提高建筑物特征提取的准确性。本发明的有益效果利用平面直线化和高程值栅格化等处理方法，将点云数据中各条扫描线上无序、不规则的激光脚点转化为一组组规则的高程离散序列。利用离散平稳小波对高程离散序列进行分析。相比于传统的激光雷达点云数据处理方法，本发明可以在激光雷达扫描过程中实时地进行成像和建筑物特征提取处理。借助于时空关联性分析，利用相邻扫描线上对应栅格位置的高程值和小波细节系数对所获得的各条扫描线上的建筑物位置和建筑物顶面类型等信息进行校验，保证采用本发明所述方法进行激光雷达点云数据处理的准确性。说明书附图
图1是本发明所述的一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法的示意图；图2是利用本发明所述方法对一真实激光雷达点云数据进行处理的具体实施例的示意图。
具体实施方式本发明的一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法，步骤如下步骤一、对点云数据中同属于一条扫描线的激光脚点在xoy平面内进行直线化处 理。理想条件下，激光雷达通过扫描机构中棱镜的转动获得的一条扫描线上的激光脚点在xoy平面上应该较为均匀地分布在同一条直线上。但是在实际情况中，由于地面物体的高程变化，以及扫描机构载荷平台在复杂气流影响下出现的航向角、侧滚角和俯仰角偏差，各条扫描线上的激光脚点与其理想扫描线之间存在一定的距离偏差。在复杂外界条件的影响下，第k条扫描线上的激光脚点通常分布于其理想扫描线的周围。第k条扫描线对应的理想扫描线Lk在xoy平面上的数学表达式可以被定义为y = ax+b。将激光脚点Pi(i e [O, N]，且i e Z)在xoy平面上与其所属的理想扫描线之间的距离记为dist(Lk, PJ。将第k条扫描线上的全部N+1个激光脚点与理想扫描线之间的距离平方和
N
定义为目标函数SumdistLk mm^.Lk=Ydisl{LkJ]y。利用最小二乘拟合方法计算出当目
i=0
标函数SumdiStLk取最小值时理想扫描线Lk的相关参数a和b的值。将这N+1个激光脚点的X轴和y轴坐标分别映射至该理想扫描线上，并将激光脚APiUi, Yi)在扫描线Lk上直线化的结果定义为Fi； y' J。根据Pi, P' 1和Lk之间的关系，建立方程组
dist{Lk ,P1) = ^(γ,-γ', + χ,-χ,)2
'(j. - v-)，通过对方程组进行求解，计算出P' i点的X轴和y轴坐
· — —1.(X1-Xi)
标(f ,,Y' i)。对第k条扫描线上的N+1个激光脚点均采用这样的方式进行处理，完成其在xoy平面上的直线化处理过程。步骤二、对直线化处理后的激光脚点进行高程值栅格化处理。经过直线化处理后，第k条理想扫描线上的激光脚点之间的水平距离呈离散、不均匀分布。为简化计算复杂度，提高运算速度，将各个被映射激光脚点的三维坐标简化为在包含Lk并且垂直于xoy平面的剖平面上的二维坐标，并对直线化后的各个激光脚点所包含的高程信息进行栅格化。将理想扫描线起始位置处的激光脚点K ο(x； 0，1'。，Z0)的二维坐标形式定义为P' ο(Xo^ Ztl)，并将其作为栅格的起始位置4(0，Ztl),其中Z0为 '。点的高程值。通过计算其它激光脚点与栅格起始位置之间的距离，得出其各自在剖
平面上的横坐标Xi =Xi = ^Jiy1-y0f+(\-X0)2，将栅格间距grid定义为理想扫描线Lk上的N+1个激光脚点的平均点间距:
权利要求
1.一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法，其特征在于包括以下四个步骤 步骤一、对点云数据中同属于一条扫描线的激光脚点在xoy平面内进行直线化处理； 理想条件下，激光雷达通过扫描机构中棱镜的转动获得的一条扫描线上的激光脚点在笛卡尔三维xyz坐标系内的xoy平面上应该较为均匀地分布在同一条直线上，但是在实际情况中，由于地面物体高程的变化，以及激光雷达载荷平台在复杂气流影响下出现的航向角、侧滚角和俯仰角偏差，各条扫描线上的激光脚点与其理想扫描线之间存在一定的距离偏差，在激光雷达扫描过程中，利用最小二乘拟合方法计算出已完成的扫描线所对应的理想扫描线方程，使在xoy平面内，扫描线上所有激光脚点到该理想直线的距离平方和最小， 计算各个激光脚点在xoy平面内与该理想直线的垂线，并以各条垂线与该理想直线在xoy 平面内的交点坐标作为各个激光脚点经过直线化处理后的X轴和I轴坐标；步骤二、在理想扫描线上，对直线化处理后的激光脚点进行高程值栅格化处理；经过直线化处理后，理想扫描线上的激光脚点为一直线形式分布，以各个激光脚点在该直线上的间距的平均值作为栅格间距值，以该间距值将直线从第一个激光脚点开始分割成若干栅格，利用直线上各个激光脚点的高程值，采用线性插值的方法，计算出该理想直线上各个栅格位置处的高程值；步骤三、基于平稳小波变换的激光雷达实时成像和建筑物特征提取处理；通过步骤一和步骤二中的直线化和高程值栅格化等操作，将扫描线上的激光脚点转化为规则的离散高程数据序列，采用离散平稳小波变换对其进行处理，按照所得的小波细节系数的特征，提取其中所包含的建筑物边缘位置信息，以及建筑物的顶面类型信息，通过灰度化的方法，计算出栅格化后的规则离散高程数据序列和小波细节系数的灰度值，在激光雷达的扫描过程中按照上述方法对其所获得的每条扫描线上的激光脚点数据进行实时处理，从而实现对对应探测区域进行实时成像；步骤四、采用时空关联性分析的方法对各条扫描线的提取结果进行校验；通过步骤三的操作，可以实时提取出各条扫描线激光脚点中所包含建筑物边缘位置信息和建筑物顶面类型信息，并可以利用各扫描线的高程信息和小波细节系数进行实时成像处理，但每条扫描线上的高程信息仅来自于激光雷达的扫描方向，而不包含其载荷平台行进方向上的信息，因此利用时空关联性分析对扫描过程中各条相邻扫描线上对应的栅格位置的高程值、小波细节系数以及其包含的各个建筑物的位置和顶面类型信息进行分析和校验，提闻特征提取的准确性。
全文摘要
本发明公开了一种激光雷达实时成像和建筑物特征提取的方法。将激光雷达获得的扫描线上的激光脚点映射至其理想扫描线上；对理想扫描线进行栅格化处理；通过线性插值方法，得到理想扫描线上各个栅格位置处的高程信息；通过对理想扫描线中的高程信息进行灰度化处理，实现对扫描线所对应的探测区域进行成像；利用离散平稳小波变换提取出理想扫描线中的建筑物特征信息。利用上述方法将激光雷达点云数据中的激光脚点按照其各自所属的扫描线逐条进行处理，实现在激光雷达扫描过程中进行实时成像、建筑物特征提取等操作。
文档编号G01S7/41GK103018728SQ20121047903
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者徐立军, 李小路, 孔德明, 李端 申请人:北京航空航天大学