LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法

xiaoxiao2020-7-23  9

专利名称:LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法
技术领域
本发明涉及测绘技术领域,尤其涉及一种LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法。
背景技术
20世纪80年代末,多传感器集成的三维激光扫描技术(LiDAR, Light DetectionAndRanging)在三维地球空间信息的实时获取方面产生了重大突破,为获取高分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段,使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取,使数据处理的自动化、智能化成为可能。LiDAR系统通过高精度的POS数据、点云数据和影像数据快速生成数字地面模型(DSM, Digital Surface Model)和数字高程模型(DEM, DigitalEvaluation Model),在此基础上自动生成数字正射影像(DOM, DigitalOrtho Image)产品,打破了传统航空摄影测量生产4D产品的流程,可广泛用于电力、城市规划、工程建设、工业生产、军事侦察、测绘、公路和铁路设计等领域的空间信息快速获取。
LiDAR系统的优势在于DEM、 DSM和DOM直接快速生产而无需任何外业控制测量以及航测空中三角测量处理,但对于测绘4D产品中一个非常重要的产品——数字线化图(DLG,Digital Line Gr即hic)尚无法直接获得,通常的方法还是需要按照传统航测构建立体观测模型的方法进行立体观测来进行DLG的测制。航测立体观测的方法具有非常悠久的历史,自1901年第一个基于立体观测原理生产出来的立体坐标量测仪出现以来,从模拟立体测图仪、解析立体测图仪到当今的数字摄影测量工作站无不是利用人类立体观测视觉原理分别采用模拟、解析和数字的方法恢复摄影测量的空间立体模型,通过立体模型真实再现被摄地区的地物和地貌,在三维立体模型上进行立体测量,对数字线化图中的地物、地貌等要素进行采集,因此,基于传统的左右两张像片构建立体模型成为摄影测量处理的一个基本出发点。但是,构建立体模型需要复杂的内定向、相对定向、绝对定向,必须具备专业的摄影测量知识,在专业的摄影测量设备仪器上配合专业的摄影测量软件完成,过程复杂且不利于非摄影测量专业人员的使用,影响到摄影测量技术的推广。因此,利用LiDAR系统生产数字线化图(DLG)产品按照传统的摄影测量构建立体模型的方法增加了数据加工的成本,无法体现LiDAR系统的优势,对于采用LiDAR这种多传感器集成、无需控制的高成本测绘系统得不偿失,影响着LiDAR系统的推广使用。 传统的航测生产DEM需要建立在立体观测采编等高线的基础之上,费时费力,而LiDAR系统最大的特点就是使用了三维激光扫描直接获取DEM、 DSM进而快速生成D0M,因此,对于LiDAR系统最直接的产品就是DEM、 DSM和D0M。既然已经获取到被摄区域的DEM、DSM和D0M产品,则可以直接利用三维可视化的原理构建三维立体环境来恢复和再现被摄区域的三维地形和地貌,进而可以直接在三维立体环境下而非摄影测量立体像对构建的空间三维模型中采编地形和地貌,一方面可以降低构建立体模型的专业设备和专业软件的投入,另一方面,无需专业的立体观测眼镜支持,非摄影测量专业的人员可以直接通过鼠标提取其感兴趣的信息,为电力设计人员、城市规划专家、地质学家、军事情报人员及其他非专业的利用航测立体模型的人员不需要专业的摄影测量知识背景,非常方便的进行摄影测量处理工作,降低摄影测量工作的门槛,縮短LiDAR系统生产DLG的周期,大大提高LiDAR系统实用性和使用价值。

发明内容
本发明的目的是提供一种LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,以进行快速浏览、漫游和立体测准,在三维立体环境中进行三维量测和跟踪,进行数字线化图地物、地形和地貌等信息采集。 为达到上述目的,本发明采用如下的技术方案 (1)根据LiDAR系统获取的多传感器数据分别制作数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像D0M ; (2)分别对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM进行分层分块预处理; (3)对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM进行叠加,构建三维立体环境; (4)立体测标切准; (5)数字线化图DLG要素采编; (6)数字线化图DLG质量检查。 ①获取LiDAR系统流动站GPS数据,与基站GPS数据联合进行动态载波相位差分解算,得到载体动态的定位数据; ②将GPS差分定位结果与MU数据输入卡尔曼滤波器进行集成处理,得到LiDAR系统高精度的动态定位定姿数据; ③利用LiDAR系统检校参数将载体定位定姿数据推算到三维激光扫描仪中心和数字相机中心,得到激光扫描仪和数字相机的外方位元素; ④对LiDAR系统获取的点云数据按照三维激光扫描测量原理联合解算,得到每一
个点云的空间坐标,如下式
式中,X。, Y。, Z。表示激光扫描点中心的位置,p, ", k为平台法线的姿态参数,均由GPS和MU集成结果推算,13表示每一个扫描激光点与平台法线的夹角,三维激光扫描仪在输出每一个点时同时输出,R为每一个激光扫描点测距结果;
⑤对点云进行滤波处理和分类,得到数字地面模型DSM和数字高程模型DEM ;
⑥利用生成的DEM数据、高分辨率影像数据和数字相机的外方位元素按照摄影测量原理进行正射纠正,得到数字正射影像DOM。 ①将DSM、 DEM从文件中读出,将高程数据由高斯投影坐标转换为经纬度地理坐标; ②通过对DSM、 DEM高程数据的遍历,计算DSM、 DEM的地理范围; ③设置DSM、 DEM分层分块的0级网格大小、需要输出的级别数和输出路径; ④根据输入的DSM、 DEM切割参数确定的级别、高程数据的地理范围,计算每一个
切片所在的行列号及范围,并据此计算切割后的每一个切片文件名称及存储路径; ⑤根据每一个切片文件的行、列号插值计算切片文件中的高程数据,插值计算采
用反距离权重高程插值模型,如下式 雞0, y。 ) = ^"~^- 式中,x。, y。和H(x。, y。)表示待插值点坐标及插值高程,Xi, Yi和H(Xi, y》表示参与插值计算的高程点坐标和高程,一般取周围四个高程点,&表示插值点与参加插值计算的高程点间的距离; ⑥按照步骤⑤逐个计算每一个切片的高程值,以Bil文件输出。
①将D0M由高斯投影坐标系转换为经纬度地理坐标下;
②获取D0M影像的地理范围; ③设置DOM分层分块的0级网格大小、需要输出的级别数、输出路径以及输出影像的高度、宽度; ④计算每一个输出级别下输出网格大小; ⑤根据DOM影像范围和每一个级别下网格大小计算DOM分层分块输出在全球范围内的行列数范围; ⑥在行、列范围内遍历每一个切片网格,根据每一个切片网格范围从原始DOM影像从输出切片影像,并保存为PNG或JPG格式。 ①将已经采编好的待检查数字线化图按照要素规定以线状符号渲染,背景为白色; ②计算待检查DLG的地理范围,设置输出层级、输出路径等参数; ③按照DOM输出相同的方式将渲染好的数字线化图按照512X512大小分块分级
输出为图片文件; ④在三维立体环境中叠加显示切片输出的栅格化数字线化图; ⑤检查数字线化图与地形、地物的符合情况确定是否需要对数字线化图要素进行修改。
本发明具有以下优点和积极效果 D突破了摄影测量通过两张像片构建立体像对需要繁琐的数据处理流程和专业的摄影测量设备及软件的局限,解决LiDAR系统直接生产数字线化图(DLG)产品的问题;
2)縮短LiDAR系统生产DLG的周期,大大提高LiDAR系统实用性和使用价值,为LiDAR系统大规模应用于测绘、电力、城市规划、地质及公路铁路设计奠定基础。


图1是本发明的LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法的流程图。 图2是本发明LiDAR系统中DSM、 DEM、 DOM制作流程图。 图3是本发明地形和影像的金字塔分级分块图。 图4是本发明地形切片制作流程图。 图5是本发明DOM瓦片制作流程图。 图6是本发明椎体立体测标示意图。 图7是本发明基于三维立体环境的DLG检查方法流程图。
具体实施例方式
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明 本发明提供的LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,具体采用以下的技术 方案,其整体流程图如图1所示,该技术方案具体包括以下步骤 步骤S1 :根据LiDAR系统获取的多传感器数据分别制作数字地面模型DSM、数字高 程模型DEM、数字正射影像DOM ; 该步骤进一步包括以下子步骤,其具体实现细节如图2所示 ①获取LiDAR系统流动站GPS数据,与基站GPS数据联合进行动态载波相位差分
解算,得到载体动态的定位数据; ②将GPS差分定位结果与MU数据输入卡尔曼滤波器进行集成处理,得到LiDAR 系统高精度的动态定位定姿数据; ③利用LiDAR系统检校参数将载体定位定姿数据推算到三维激光扫描仪中心和 数字相机中心,得到激光扫描仪和数字相机的外方位元素; 对LiDAR系统获取的点云数据按照三维激光扫描测量原理联合解算,得到每一
个点云的空间坐标,如式(1),
《-(1) 式中,X。, Y。, Z。表示激光扫描点中心的位置系",k为平台法线的姿态参数,均 由GPS和MU集成结果推算;13表示每一个扫描激光点与平台法线的夹角,三维激光扫描 仪在输出每一个点时同时输出,R为每一个激光扫描点测距结果。 ⑤对点云进行滤波处理和分类,得到数字地面模型DSM和数字高程模型DEM ;
⑥利用生成的DEM数据、高分辨率影像数据和数字相机的外方位元素按照摄影测 量原理进行正射纠正,得到数字正射影像DOM。 步骤S2 :分别对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM进行分 层分块预处理; 对于大比例尺的LiDAR测图及应用,无论是DSM、 DEM还是D0M,分辨率高,数据量大,为了实现对大数据量的三维立体场景高效显示并操作,需要对DSM、DEM和D0M进行分层 分块预处理。 DSM、DEM和DOM的分层分块预处理采用四叉树等格网分层分块金字塔模型,如图3 所示。 以一幅使用WGS84投影的地球全球地图为例,在0图层,将这幅影像分成50块切 片,每一块影像跨度为36。 X36° ,图层1在图层0影像的基础之上提高4倍的分辨率,也 就是说对于同一影像,它被分成18。 X18°的片段,因此产生200块信息的瓦片,在图层2, 分辨率提高到含有800块9。 X9。的瓦片,图层3也就是4.5。 X4.5°而且含有3200块 瓦片,以此类推。 图4示出了对DSM、DEM数据的分层分块预处理,其包括以下子步骤 ①DSM、 DEM从文件中读出,将高程数据由高斯投影坐标转换为经纬度地理坐标; ②通过对DSM、 DEM高程数据的遍历,计算DSM、 DEM的地理范围; ③设置DSM、 DEM分层分块的0级网格大小、需要输出的级别数和输出路径; ④根据输入的DSM、 DEM切割参数确定的级别、高程数据的地理范围,计算每一个
切片所在的行列号及范围,并据此计算切割后的每一个切片文件名称及存储路径; ⑤根据每一个切片文件的行、列号插值计算切片文件中的高程数据,插值计算采
用反距离权重(IDW)高程插值模型,如式(2),
|;i/《2//(w,:) H(x0,y0)=^~~^-
》《 (2)《=V(X,—X。)2+"1)2 式中,x。, y。和H(x。, y。)表示待插值点坐标及插值高程,Xi, Yi和H(Xi, y》表示参 与插值计算的高程点坐标和高程,一般取周围四个高程点,&表示插值点与参加插值计算 的高程点间的距离。 ⑥按照步骤⑤逐个计算每一个切片的高程值,以Bil文件输出。
图5示出了对DOM数据的分层分块预处理,其包括以下子步骤
①将DOM由高斯投影坐标系转换为经纬度地理坐标下;
②获取DOM影像的地理范围; ③设置DOM分层分块的0级网格大小、需要输出的级别数、输出路径以及输出影像 的高度、宽度; ④计算每一个输出级别下输出网格大小; ⑤根据DOM影像范围和每一个级别下网格大小计算DOM分层分块输出在全球范围 内的行列数范围。 设置0层网格大小的不同,会造成同一 DOM影像在全球范围内的行列数范围是不 一样的。为了计算其在全球范围内的行列数范围,先计算按照式(3)输出级别下每个网格 大小。 & = & (3)
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数范围.
式中,S。为0层网格大小,Si为i层网格大小。
然后根据影像范围和输出级别下每个网格的大小计算影像在全球范围内的行列
计算行范围、列范围计算如式(4)、 (5)。 |Umin| |-90_:Fmax|
|—90 —X mini |—90-I max! 、
S, , &
式中,L^、Lmin分别表示行的范围,Y^、Ymin表示纬度的地理范围;CMX、 Cmin分别表 示行的范围,X^、Xmin表示经度的地理范围。 ⑥在行、列范围内遍历每一个切片网格,根据每一个切片网格范围从原始DOM影 像从输出切片影像,并保存为PNG或JPG格式。 步骤S3 :对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM进行叠加,构 建三维立体环境; 按照开源Nasa World Wind的数据组织要求配置地形文件和金字塔影像文件参 数,并将DSM、 DEM和DOM分层分块切片文件按照World Wind地形和影像文件结构组织存 储,启动三维立体显示软件即可自动调用地形文件和影像文件自动构建三维立体环境。
步骤S4 :立体测标切准; 立体测标切准采用了一个数字三维锥形立体模型来模仿传统外业测量测标和数 字摄影测量工作站中的数字测标,通过在三维立体环境下对三维模型的操作(上下左右平 移、高低调整等)达到用测标切准地物的目的。具体子步骤如下 ①按照图6在3D Max中制作一个三维锥形立体模型,在三维立体显示软件中加载 该模型,即为三维立体环境添加一个基于三维模型的测标。 ②通过驱动鼠标和键盘事件调整该立体测标在三维立体环境中的位置和高程,观 察测标底部的颜色变化状态,可以判断 a)若测标底部绿色清晰可见,表明测标悬浮于地物上,没有切准地物,需要降低测 标以切准地物; b)若测标底部只可见蓝色,表明测标没入地物里面,没有切准地物,需要抬高测标 以切准地物; c)若测标底部绿色不可见但可见红色,表明测标切准地物。 红色区域的长度取决于测图精度,可以根据测图精度制作不同的测标切准区域的 大小。 ③通过观测测标状态判读测标切准地物后,采用鼠标双击或右键确认,获取此刻
测标红色区域所在的位置和高程。 步骤S5 :数字线化图DLG要素采编; 数字线化图DLG要素采编主要是在步骤3构建的三维立体环境中利用步骤4设计 的立体测标对需要采集的地理要素进行切准,得到待采集要素地理坐标后,按照DLG要素 编码在数据集中添加该地理,并用其对应的符号绘制显示要素。 在三维立体环境中用立体测标采集DLG规定的地物、地形、地物等要素,对于每一 个切准要素高程值取测标切准区域中间的高程值,并在与三维立体环境同步的二维地图控件中绘制要素。可以按照等高线高程值设定一个固定的高程跟踪测标已完成等高线的采 编。 步骤S6 :数字线化图DLG质量检查;数字线化图DLG质量检查对已经采编好的矢量格式DLG按照三维立体环境下透明 图层的要求进行栅格化渲染输出,分块方式按照步骤2中对DOM分块输出相同的方式,从而 可在三维立体环境下直接与D0M、 DEM和DSM叠加显示,进而检查DLG采编质量。
图7示出了在三维立体环境对已经采编好的数字线化图DLG检查方法,具体包括 以下子步骤 ①已经采编好的待检查数字线化图按照要素规定以线状符号渲染,背景为白色;
②计算待检查DLG的地理范围,设置输出层级、输出路径等参数;
③按照DOM输出相同的方式将渲染好的数字线化图按照512X512大小分块分级 输出为图片文件(PNG或JPG格式); ④在三维立体环境中叠加显示切片输出的栅格化数字线化图; ⑤检查数字线化图与地形、地物的符合情况确定是否需要对数字线化图要素进行修改。 本发明的基本原理是利用LiDAR获取的DSM、DEM和DOM快速构建三维立体环境来 恢复和再现摄影时被摄区域的真实三维地形和地貌,进而可以直接在三维立体环境下而非 摄影测量立体像对构建的空间三维模型中采编地形和地貌,其中通过对DSM、 DEM和DOM采 取分层分块的金字塔模型组织加速三维立体环境显示和操作的效率,并以一个三种状态标 识的锥形立体模型代替立体测标在三维立体环境下切准目标而实施数字线化图要素采编 和质量检查。
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权利要求
一种LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,其特征在于,包括以下步骤(1)根据LiDAR系统获取的多传感器数据分别制作数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM;(2)分别对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM进行分层分块预处理;(3)对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM进行叠加,构建三维立体环境;(4)立体测标切准;(5)数字线化图DLG要素采编;(6)数字线化图DLG质量检查。
2. 根据权利要求1所述的LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,其特征在于,所述步骤(1)进一步包括以下子步骤① 获取LiDAR系统流动站GPS数据,与基站GPS数据联合进行动态载波相位差分解算,得到载体动态的定位数据;② 将GPS差分定位结果与MU数据输入卡尔曼滤波器进行集成处理,得到LiDAR系统高精度的动态定位定姿数据;③ 利用LiDAR系统检校参数将载体定位定姿数据推算到三维激光扫描仪中心和数字相机中心,得到激光扫描仪和数字相机的外方位元素; 对LiDAR系统获取的点云数据按照三维激光扫描测量原理联合解算,得到每一个点云的空间坐标,如下式<formula>formula see original document page 2</formula>式中,X。,Y。,Z。表示激光扫描点中心的位置,伊,",k为平台法线的姿态参数,均由GPS和MU集成结果推算,13表示每一个扫描激光点与平台法线的夹角,三维激光扫描仪在输出每一个点时同时输出,R为每一个激光扫描点测距结果;⑤ 对点云进行滤波处理和分类,得到数字地面模型DSM和数字高程模型DEM ;⑥ 利用生成的DEM数据、高分辨率影像数据和数字相机的外方位元素按照摄影测量原理进行正射纠正,得到数字正射影像DOM。
3. 根据权利要求1或2所述的LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,其特征在于,所述步骤(2)中对数字地面模型DSM、数字高程模型DEM进行预处理的步骤进一步包括以下子步骤① 将DSM、 DEM从文件中读出,将高程数据由高斯投影坐标转换为经纬度地理坐标;② 通过对DSM、 DEM高程数据的遍历,计算DSM、 DEM的地理范围;③ 设置DSM、DEM分层分块的0级网格大小、需要输出的级别数和输出路径;④ 根据输入的DSM、 DEM切割参数确定的级别、高程数据的地理范围,计算每一个切片所在的行列号及范围,并据此计算切割后的每一个切片文件名称及存储路径;⑤ 根据每一个切片文件的行、列号插值计算切片文件中的高程数据,插值计算采用反距离权重高程插值模型,如下式<formula>formula see original document page 3</formula>式中,x。, y。和H(x。, y。)表示待插值点坐标及插值高程,Xi, yi和H(Xi, y》表示参与插值计算的高程点坐标和高程,一般取周围四个高程点,&表示插值点与参加插值计算的高程点间的距离;⑥按照步骤⑤逐个计算每一个切片的高程值,以Bil文件输出。
4. 根据权利要求1或2所述的LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,其特征在于,所述步骤(2)中对数字正射影像DOM进行预处理的步骤进一步包括以下子步骤① 将D0M由高斯投影坐标系转换为经纬度地理坐标下;② 获取D0M影像的地理范围;③ 设置DOM分层分块的0级网格大小、需要输出的级别数、输出路径以及输出影像的高度、宽度;④ 计算每一个输出级别下输出网格大小; 根据DOM影像范围和每一个级别下网格大小计算DOM分层分块输出在全球范围内的行列数范围;⑥在行、列范围内遍历每一个切片网格,根据每一个切片网格范围从原始DOM影像从输出切片影像,并保存为PNG或JPG格式。
5. 根据权利要求1所述的LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法,其特征在于,所述步骤(6)进一步包括以下子步骤① 将已经采编好的待检查数字线化图按照要素规定以线状符号渲染,背景为白色;② 计算待检查DLG的地理范围,设置输出层级、输出路径等参数;③ 按照DOM输出相同的方式将渲染好的数字线化图按照512X512大小分块分级输出为图片文件;④ 在三维立体环境中叠加显示切片输出的栅格化数字线化图;⑤ 检查数字线化图与地形、地物的符合情况确定是否需要对数字线化图要素进行修改。
全文摘要
本发明涉及测绘技术领域,尤其涉及一种LiDAR三维立体环境下测图和质量检查方法。本发明包括根据LiDAR系统获取的多传感器数据分别制作DSM、DEM、DOM,分别对DSM、DEM、DOM进行分层分块预处理,对DSM、DEM、DOM进行叠加,构建三维立体环境,立体测标切准,数字线化图DLG要素采编,数字线化图DLG质量检查几个步骤。本发明突破了摄影测量通过两张像片构建立体像对需要繁琐的数据处理流程和专业的摄影测量设备及软件的局限,解决LiDAR系统直接生产数字线化图产品的问题,缩短LiDAR系统生产DLG的周期,大大提高LiDAR系统实用性和使用价值,为LiDAR系统大规模应用于测绘、电力、城市规划、地质及公路铁路设计奠定基础。
文档编号G01C11/04GK101777189SQ20091027347
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者余飞, 李清泉, 林春峰, 毛庆洲, 胡庆武 申请人:武汉大学

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