机载激光雷达点云数据处理理论与应用研究606

分类号 P228 密 级

编 号

武 汉 大 学

博 士 学 位 论 文

机载激光雷达点云数据处理理论

与应用研究

研 究 生 姓 名：林明华

指导教师姓名、职称：王新洲 教授

花向红 教授

闫 利 教授

学 科 、 专 业 名 称：大地测量学与测量工程

研 究 方 向：激光雷达数据处理

二零零八年 五月

Ph.D. Dissertation

Research and Application of LIDAR

Point Cloud Processing

By

Lin Minghua

Supervised by

Prof. Wang Xinzhou

Prof. Hua Xianghong

Prof. Yan L i

May 2008

School of Geodesy and Geomatics

Wuhan University

郑 重 声 明

本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、

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产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。

学位论文作者（签名）：

年 月 日

论文创新点

点云数据的滤波、修复等编辑工作是点云数据处理的关键，结合AutoCAD

运行环境及实际工程项目，开发出LIDAR点云数据处理的软件。论文主要贡

献如下：

1. 基于ObjectDBX组件技术，设计了一种针对点云数据的句柄实体模型，提

高了海量点云数据处理的效率；

2. 提出了用支持向量机回归模型修复残缺散乱点云的技术方法，实验结果表

明，效果优于线性插值、三次方插值和最近邻插值方法；

3. 提出采用双谐样条函数对点云数据滤波的技术方法，实验结果表明该滤波

方法可靠有效、自适应强。

4. 基于AutoCAD平台，研发了机载激光雷达点云数据编辑、简化、修复和滤

波软件模块，具有很强的实用价值。

摘 要

随着LIDAR技术设备在国内的应用日渐普及，相应的点云处理软件却都是随

机商用软件，用其制作的测绘产品和我国测绘规范的要求还有一定差距。而且无

论是制图效率还是在制图的思想上，对点云的编辑处理和对常规测量数据处理有

很大的区别，表明对点云的编辑是现行一般的测绘软件很难完成的。有鉴于此，

结合商用点云处理软件以及国内测绘规范，开发适合国内测绘产品制作的点云数

据处理软件是完全必要而且也迫在眉睫。

本文以从LIDAR系统获取的数字正射影像和点云数据作为研究对象，充分利

用数字正射影像图以及高密度点云所包含的丰富信息，以AutoCAD为二次开发平

台，以objectARX作为开发工具，借助visualC++8.0开发环境，研制出点云处理

软件PCEdit。将点云与数字正射影像图的叠加，利用开发的点云处理软件对点云

进行一系列的编辑处理，并对处理的点云数据进行建模，来获得相应的测绘产品：

数字线划地图（DLG）和数字栅格地图（DRG）、数字表面模型（DSM）。本文内

容主要是围绕软件研制过程中遇到的关键问题而展开，具体包括：

利用ObjectDBX组件技术设计了一种针对点云的句柄实体模型。点云的输入

和显示是点云数据处理的首要环节，为避免常规输入方法导致对点云浏览和编辑

效率低下的问题，该句柄实体模型将每个点云文件中读取的所有点作为一个实

体，在数据库中只有一个句柄。对该文件进行浏览、漫游都比较方便。

在点云数据的编辑中，无论是滤波、修复和简化都会涉及到对特定点的检索、

插入、删除等操作，为了提高点云编辑效率，提出动态开窗的思想。通过对点云

最小外包矩形（长方体）的角点进行拖拽，定位到感兴趣的区域，再对该小区域

进行编辑，避免对所有点云数据的不必要的访问，而只须遍历矩形(或者长方体)

内的点云，极大的提高了点云数据的编辑效率。

在制作测绘产品时，不同类的地物、地貌需要不同的点云密度，提出基于

实体边界约束的点云简化方法，在封闭多边形和带状区域对点云进行修复、简

化，进一步细化了对地物、地貌点云的编辑，加速了测绘产品的制作效率。

点云数据滤波是LIDAR数据处理的一个热点，也是进行点云编辑的一项

关键工作。在实现和坡度滤波以及移动圆域的坡度滤波算法的同时，引入双谐

样条函数（BSI）和径向基函数（RBF）对点云数据进行滤波。

在进行激光扫描时，物体遮挡会造成点云残缺，而经过滤波后的点云也会使

地面数据有很多空白或者“孔洞”。解决点云残缺的办法就是进行点云的修复，

一种选择是可以用常规测量手段（如GPS RTK、全站仪等）进行实际测量，还有

一种选择就是充分利用“孔洞”周围最邻近部分的点云和孔洞在地形特征上的相

似性进行修复。对LIDAR点云孔洞的修复，除了实现基于Delaunay三角剖分的线

性插值、三次多项式插值、最近邻插值外，还引入双谐样条函数(BSI)插值方法

以及径向基神经网络函数(RBF)对点云进行修复。同时也采用支持向量机(SVM)

的回归模型对残缺的点云进行修复。并结合相应测量规范提出了针对不同地形来

评估修复方法是否合适的标准，而不是单纯的从统计学中数字的角度来对修复方

法的进行简单的评价。

点云建模是点云处理的核心。对点云进行不规则三角网(TIN)建模，文中引

入了经典的分治算法来构网，具有较高的构网速度和质量。根据TIN进行等值线

的追踪以及断面线的切割。利用点云对房屋进行了简单的拉伸建模，构建点云的

DSM。

在上述理论研究成果的基础上，开发了点云处理软件PCEdit，已作为一个模

块嵌入三维CAD系统AutoCAD中。

关键词：机载激光雷达扫描，点云滤波，点云修复，双谐样条函数插值，

径向基函数插值

Abstract

With the increasing local market demands of LIDAR technology and equipment,

the post processing software of LIDAR point cloud is always used corresponding

commercial software. The surveying and mapping products of these softwares are

incomplete in according with the corresponding criterion of China. Not only on the

respect of drawing efficiency but also on the respect of drawing ideas, the processing

of LIDAR point cloud is very different from the conventional measuring data.

Therefore, combining with commercial point cloud processing software and domestic

surveying and mapping criterions and developing a point cloud data processing

software that is suitable for domestic surveying and mapping products is a totally

necessary and urgent.

The researched processing software, PCEdit, is based on the rich information of

point cloud and Digital Orthophoto Map (DOM), used AutoCAD as development

platform and objectARX as development tool in virtue of visual C++8.0. Combining

point cloud wit …… 此处隐藏：3744字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……