激光测量原理及应用(2007)

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高度
2 2 2 2 2 mP mxc m yc mxs m ys
2 2 2 mH mzc mzs
3、激光扫描数据的基本处理方法
• 3.1 激光扫描数据的三维构网(2D和3D
三角网) • 3.2 激光扫描数据的滤波 • 3.3 激光扫描数据特征提取 • 3.4 多帧数据的自动拼接 • 3.5 机载和地面数据的集成处理
• 四叉树
4.2 基于点云的可视化
4.2 基于点云的可视化
5、地物信息提取
• 5.1 DEM提取 • 5.2 建筑物提取 • 5.3 植被提取 • 5.4 道路提取
5.1 DEM提取
• 已有大量的文献提出了各种滤波算法从点云中提取 •

DTM/DEM,但这些方法只能处理某种特点的数据,不能 适用于综合的地理环境,没有通用性。 在进行LIDAR 数据处理时,一个必要的前提就是给定一个 规则来区分地面点和非地面点,这就是滤波算法的假设条 件,不同的算法的假设条件不同 为了提高提取精度,除了LIDAR 的强度信息外,有些算法 还使用了其他供辅助信息,如:光谱图像和GIS、地图等 信息。
激光扫描系统采集及处理一般流程框图
数据采集
预处理
三维操作 数据处理 相关量算
2、激光扫描基本原理和特点
• 2.1 基本原理 • 2.2 激光扫描三维测量系统
机载激光扫描系统 车载激光扫描系统
• 2.3 激光扫描的误差来源与精度提高
基本原理 --什么是激光
• 受激辐射光放大(light amplification by
等)形成的数据,这些数据在数据的配准中有相当大wenku.baidu.com响
3.2 激光扫描数据的滤波—航空测量系统
主要的一些滤波方法: • 数学形态学 ������ Lindenberger [1993] – multiple openings ������ Kilian, Haala, and Englich [1996] – weighted multiple openings ������ Vosselman [2000] – slope based filtering • 最小二乘插值法 ������ Pfeifer, Köstli, and Kraus [1998] • 三角构网法 ������ Axelsson [1999]
----自动化程度低;
1 技术背景—
传统的摄影测量与遥感存在的问题
• 摄影测量复杂程度高,立体观测仪器设备非常昂贵,操作
人员需有较高技巧,生产成本高且费时;
• 对天气、能见度等自然条件要求高;
• 卫星遥感方法由于卫星轨道、飞行周期等原因,在特定地
方、特定时间,应用遥感技术机会不多;
• 多光谱技术、雷达干涉技术。
2.3 激光扫描的误差来源与精度提高
• 1.偶然误差:
2 2 2 2 m 2 mxc cos mL L sin 2 2 2 2 m 2 m 2 m yc L cos 2 L sin 2 2 2 2 2 m 2 mzc sin mL L cos 2
3.4 多帧数据的自动拼接 –固定点激光
拼接前
拼接后
3.4 多帧数据的自动拼接 –室内
拼接前
拼接后
3.5 机载和地面数据的集成处理
• 机载数据的特点
主要是获取地面DEM,以及建筑物的顶部, 对于建筑物的立面信息,则无法获取。 • 地面数据的特点 主要获取建筑物的立面信息,以及一些相 关物体的细节,可以和机载数据形成互补。
GPS Reference System platform
One pilot
GPS Data Survey Data
车载激光测量系统构成及原理
• 由多源传感器集成,一般包括: • 1. CCD CAMERA • 2. DGPS(全球定位系统) • 3. INS/IMU/POS/ • 4. Laser Scanner(激光扫描仪)
(1)
1.2 激光扫描三维测量系统
• 机载系统 • •
◆ 数据获取设备: 激光扫描仪 CCD数字相机 ◆ 定位设备:DGPS INS 地面系统 激光扫描仪姿态参数可一次性测定 车载系统 ◆ 数据获取设备: 激光扫描仪 CCD数字相机 ◆ 定位设备:DGPS IMU DMI ◆汽车运行轨迹已知且激光扫描仪到地面的高 度已知且固定不变
3.5 机载和地面数据的集成处理
地面激光
机载激光
4、激光扫描数据的三维可视化
• 4.1 基于三角网的可视化
是构成面状模型的可视化(包括体状目标),包括建 筑物模型、地面模型等,得到具有一定纹理、光照或者运 动效果的场景;
• 4.2 基于点云的可视化
是单纯的点云数据的可视化,包括点云高程着色、分 类着色、强度显示等。
机载激光测量系统构成
由多源传感器集成,一般包括: 1. CCD
2. GPS(全球定位系统)
3. INS/IMU/POS
4. Laser Scanner(激光扫
描仪)
机载系统构成实例图
• INS 平台
机载激光测量原理
机载扫描
扫描轨迹
机载激光测量原理
机载激光测量定位原理
机载激光测量过程
Survey Area/Object Accuracy Flight Lines GPS Data
stimulated emission of radiation, laser)
• 三要素:泵浦、增益介质、谐振腔
• 三性:方向性、单色性、相干性 • 固体、气体、化学、液体… …
激光测量扫描原理
工作原理
---- 由激光发射器、接收器、 时间计数器、微电脑 Time of Flight ---- 成象为“点云”,据此
1 技术背景--传统测绘手段存在问题
1. 工程测量
需要人工跑点 采样点少,不能准确描述目标特征 效率低,劳动强度大 精度差 费用高,时间长
1 技术背景—
传统的摄影测量与遥感存在的问题
摄影测量法能较快地获取大面积目标信息,但也会
有以下问题:
----两点同步困难;
----影象匹配困难;
----数据处理复杂;
1 技术背景
应用需求
快速准确地获取信息及正确 处理信息是遥感与GIS发展的瓶 颈问题。 数字技术 地->空 点对点
策略
空-〉地
无合作目标
激光测量技术
国内外激光扫描技术研究现状
各类型激光传感器的发展
• 1D激光测距;
• 2D激光扫描; • 3D激光扫描;
• 多传感器的集成。
国外激光扫描技术研究现状
3.1 激光扫描数据的三维构网—2D
3.1 激光扫描数据的三维构网—2D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.2 激光扫描数据的滤波—车载测量系统
要滤除的数据主要分为三类:
• 滤除无效数据,主要是超出量程的数据。 • 去除粗大误差。 • 去除一些ghost数据,主要是移动目标(行人、车辆、飞鸟
第7章教学安排
1. 技术背景及发展现状 2. 激光扫描基本原理和特点 3. 激光扫描数据的基本处理方法
4. 激光扫描数据的三维可视化
5. 地物信息提取
6. 激光扫描数据与影像数据的集成处理
7. 其它应用 8.车载系统系统专题介绍
1 技术背景--应用需求
• 快速获取大面积目标空间信息;
• 及时测定形体表面立体信息; • 目标的非接触式测量; • 直接,高效地获取物体的三维坐标;
3.3激光扫描数据特征提取—折线类型
edge type
Jump edge Crease edge Curvature edge
type discontinuity in
range Surface normal curvature
continuity in
range Range and surface normal
4.2 基于点云的可视化—常用的技术
• Progressive 渲染技术
• Out-of-Core 技术 • 快速数据裁切技术
是大数据处理中使用的一种渐进式渲染技术 将计算的结果存储在外存上,进行三维渲染和处理时,将数据由 外存调入内存进行渲染处理 数据裁切是大数据可视化中能够减少GPU 绘制数据量的一个重 要方法 四叉树(Quadtree)是在d 维空间中,在每一个维分成两份,从 而形成每一个父节点拥有2d 个子节点的树结构。
4.1 基于三角网的可视化
• 在过去的几十年中,计算机图形学领域对面状模
型的可视化进行了长期而深入的研究,取得了不 少的进展和突破
• 国际上两大著名的图形学年会SIGGRAPH 和
EUROGRAPH 每年都展现出大量的可视化产品和 技术
4.1 基于三角网的可视化
249,412 vertices, 497,342 faces
• 激光扫描生成的DTM的精度主要取决于三个主要
• • • •
因素: 1、the distance-measurement 2、the dynamic orientation (INS) 3、the dynamic position of the sensor (dGPS) 原始激光数据的滤波质量也对激光DTM的质量有 很大影响。可以使用不同的数学模型和算法。
激光扫描系统采集及处理的关键技术
关键技术 硬件及控制技术 空间信息获取技术 色彩信息获取技术 模型重建与可视化
主要包括传感器、扫描装置、 控制模块和其它附件。
数据的获取、预处理、后处理; 计算模型、误差模型、算法
姿态测量与定位
扫描技术是集现代电子、光学、计算机图象 处理、计算机视觉、计算机图形学、软件等技术 为一体的高新技术,相关技术的发展必会引起测 量技术,特别是数据采集技术的巨大发展。
3.4 多帧数据的自动拼接
• 多帧数据的拼接主要发生在车载激光测量系统和地
面激光测量系统中
• 需要拼接的原因是由于单个视角不能获取被测物体
的全貌或者是对一个物体的多次测量
• 多帧数据的拼接主要是基于点云拼接的ICP
(Iterative Closest Points)算法
3.4 多帧数据的自动拼接 –固定点激光
李必军
E-mail: lee@whu.edu.cn
参考书目
一、武汉大学出版社,李清泉等 《三维空间数据的实时获取、建模与可视化》 二、张小红博士论文 《机载激光扫描测高数据滤波及地物提取 》 三、黄先锋博士论文 《利用机载LIDAR 数据重建3D建筑物模型的关键技 术研究》 四、George Vosselman讲义 五、电子期刊网
各类型激光传感器实例图
2D扫描
3D扫描 1D扫描
国外激光扫描技术研究现状
--研究机构
• LS+CCD+DGPS( 以日本东京大学、加拿大
卡尔加里大学为代表) • LIDAR+数字影象+INS+GPS (美国NASA、 瑞典SAAB等机构已研制出商用系统) • LRF+矢量地形图 • 机载激光扫描数据的处理(荷兰代尔夫特 大学 )
3.3 激光扫描数据特征提取-微分逼近法
Dike profile with break points
First derivative
Second derivative with thresholds
3.3 激光扫描数据特征提取-平面相交法
• 在线段的两侧选择合适的点 • 对点进行面的拟合 • 对面的交线进行拟合
• 2.系统误差:
• 3.联合影响: 平面
m m cos m L sin L xs m m m L cos L sin ys m mzs sin mL L cos
数据重建目标立体模型
激光扫描仪是一种相对定位传感器
激光扫描几何原理
数据处理模型
X X S a1 a2 Y Y b b S 1 2 Z c1 c2 Z S a3 b2 c3 0 s Sin s Cos
• 其原理及测量过程类似于机载激光扫描系统
车载系统构成外部实例图
整体外形
传感器特写
车载系统构成工作实例图
地面测量系统构成—原理图
地面测量系统构成
CCD 相机
激光扫描传感器
电脑处理系统
地面测量系统构成—测量结果
激光扫描图像
TIN模型
基于TIN的纹理模型
实验场景图
2.3 激光扫描的误差来源与精度提高
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