發(fā)布時間：2020-04-20 09:47

【摘要】：無人機(jī)載LiDAR能主動獲取高密度三維空間信息,且數(shù)字高程模型DEM是重要的地形產(chǎn)品之一,所以其成為生成高精度DEM的數(shù)據(jù)來源之一。對LiDAR點云處理以生成DEM的關(guān)鍵技術(shù)仍需深入研究,本文采用無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采集荒漠植被區(qū)點云數(shù)據(jù),且從點云精簡、點云濾波和點云內(nèi)插三個方面展開相關(guān)研究。采用箱形圖檢測方法,對點云屬性信息進(jìn)行處理,實現(xiàn)非地面點的快速提出,提高點云濾波速度。采用K-means++方法對點云法向量進(jìn)行聚類,以實現(xiàn)點云精簡。同時,結(jié)合回波強(qiáng)度的K-means聚類濾波方法,以獲取地面點云。進(jìn)一步建立了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的點云高程預(yù)測模型,通過Delaunay三角網(wǎng)內(nèi)插生成DEM,主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下。(1)針對原始LiDAR點云中存在大量非地面點的問題,采用一種基于箱形圖去除非地面點的方法。結(jié)合點云回波次數(shù)、高度和點云回波強(qiáng)度三種屬性信息,采用箱形圖檢驗方法獲取非地面點云,并使用反復(fù)建立三角網(wǎng)方法分別對檢測前后的點云數(shù)據(jù)集進(jìn)行濾波對比分析。為減少參與點云濾波的數(shù)據(jù)量,提高濾波速度針對試驗區(qū),利用箱形圖可以實現(xiàn)非地面點云的快速剔除,以降低濾波時間為32.2s。(2)針對原始LiDAR點云離散、稀疏、無序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),利用基于KD樹存儲散亂點云。同時,針對原始LiDAR點云的海量性,采用基于點云法向量的K-means++聚類精簡方法,以實現(xiàn)點云存儲和快速處理。根據(jù)點云回波次數(shù)去除多次回波點云,且在使用零-均值標(biāo)準(zhǔn)化方法得到點云屬性標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上,采用KD樹建立點云索引,進(jìn)一步構(gòu)建點云K鄰域,利用PCA估算點云法向量,借助肘方法確定最佳聚類數(shù)目,最終通過K-means++聚類方法實現(xiàn)點云精簡。同時,將精簡結(jié)果生成Delaunay三角網(wǎng)并轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),通過相關(guān)系數(shù)驗證方法的有效性。當(dāng)精簡率為18.167%時,可得到最高相關(guān)系數(shù)0.892,說明聚類方法可以有效實現(xiàn)點云精簡。(3)針對點云濾波過程中存在的效率低問題,使用基于回波強(qiáng)度的K-means聚類濾波方法。在對點云三維坐標(biāo)進(jìn)行K-means聚類得到不同聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上,對不同聚類結(jié)果的點云回波強(qiáng)度原始值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,得到不同范圍的回波強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。針對不同聚類結(jié)果選擇不同范圍的回波強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值得到對應(yīng)地面點云,合并不用聚類結(jié)果的地面點得到最終地面點云,截取試驗區(qū)驗證方法的有效性,結(jié)果表明該方法能夠較好地保持地形輪廓并降低地面點云的數(shù)據(jù)量,為后期快速建立高精度DEM奠定基礎(chǔ)。(4)針對原始LiDAR點云因離散性和數(shù)據(jù)缺失性導(dǎo)致不能連續(xù)表達(dá)地表信息的問題,采用一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的點云高程預(yù)測模型,且基于Delaunay不規(guī)則三角網(wǎng)的插值生成DEM。在點云回波強(qiáng)度約束下,采用K-means聚類得到試驗區(qū)地面點云的基礎(chǔ)上,采用Kriging方法插值不同精簡率的地面點云數(shù)據(jù),以獲取較優(yōu)精簡率。進(jìn)一步將點云高程值作為變量用以建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,并通過線性回歸檢驗方法對模型進(jìn)行精度分析,采用Delaunay三角網(wǎng)內(nèi)插離散點云高程值以生成DEM。結(jié)果表明,點云高程預(yù)測的決定系數(shù)R為0.887,均方根誤差RMSE為0.168,表明使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對點云高程值具有較好預(yù)測效果。
【圖文】：

ScoutB1-100無人機(jī)搭載激光掃描系統(tǒng)

試驗區(qū)和回波強(qiáng)度圖
【學(xué)位授予單位】：石河子大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN958.98

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