專利名稱：基于單木位置與地表信息的地基激光雷達數(shù)據(jù)配準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于單木位置與地表信息的地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，特 別地，本發(fā)明涉及森林場景下多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準，主要應用于基于多站 地基激光雷達數(shù)據(jù)的三維森林場景重建。
背景技術(shù)：
地基激光雷達數(shù)據(jù)已逐步應用于單木結(jié)構(gòu)參數(shù)的詳細測量，包括單木的位置與尺 寸(Hopkinson et al. 2004 ；Henning and Radtke 2006)。在林分尺度上主要考慮森林冠 層分量的空間分布(Herming and Radtke 2006)。由于單木之間的遮擋，使用單站數(shù)據(jù)很 難在林分水平上使用地基激光雷達數(shù)據(jù)對森林進行準確的描述。需要使用多站數(shù)據(jù)，這就 需要對多站數(shù)據(jù)進行配準。在考古以及建筑物的三維重建過程中，由于研究對象具有明確 的角點等特征可用于特征點進行配準。森林與人工建筑物不同，沒有明確的特征點可供直 接利用。因此研究人員嘗試在森林場景中放置人工目標以作為配準所使用的控制點。另 外，目前已經(jīng)報道了一些不使用人工目標進行自動配準的方法。這些方法大多針對人工目 標，如建筑或工業(yè)組件等。通常的做法是在兩站數(shù)據(jù)的公共區(qū)域內(nèi)選取同名點或同名面，藉 此進行配準參數(shù)的計算(Goshtasby 1998)。目前最有名的算法是Besl and McKay提出的 迭代最近點算法(Iterative Closest Point, I CP) (Besl and McKay 1992)。雖然許多研 究人員針對該算法的局限性進行了改進(Gendron et al. 1998 ；Goshtasby 1998 ；Dalley and Flynn2002 ；Estepar et al. 2004 ；Kim et al. 2004 ；Chetverikov et al. 200 ，但是 該算法要求待配準的兩站數(shù)據(jù)之間具有較大的重疊度，往往要求重疊度大于50 %，而且重 疊區(qū)域內(nèi)只含有一個物體或感興趣面，且具有較高的點密度(Estepar et al. 2004 ；Kim etal. 2004 ；Chetverikov et al. 2005)。這些要求在森林條件下都無法滿足。Henning and Radtke提出了一種針對森林場景的配準方法(Henning and Radtke 2008)。它將配準過程分為兩步，首先通過地面選擇控制點進行數(shù)據(jù)的粗配準，然后從樹干 上選擇較為精確的控制點進行精配準。雖然這種方法在地表特征明顯，林分密度較低，林下 植被較少時比較適用；在地表特征不明的情況下，單木被枯枝包圍，遮擋較嚴重的時候，配 準所需的控制點較難選擇，成功的幾率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
多站地基激光雷達數(shù)據(jù)配準的關(guān)鍵在于控制點的選取，而在森林場景條件下，很 難通過選取精確的控制點，現(xiàn)有的森林場景下的數(shù)據(jù)配準算法，通常要求地表和樹干具有 較為明顯的特征點可供利用。本發(fā)明主要解決的問題是降低配準過程對控制點精度的要求和的依賴程度。本發(fā) 明通過附加地基激光雷達姿態(tài)測量裝置，減少配準所需要確定的配準參數(shù)的個數(shù)，以減少 配準所需的控制點個數(shù)，同時利用多株單木形成的三角形的相似性來自動識別同名單木， 為配準提供控制點，單木位置與重復區(qū)域內(nèi)地表的吻合作為配準參數(shù)計算的依據(jù)，從而減少對精確控制點的依賴?？梢酝ㄟ^如下方案來實現(xiàn)本發(fā)明?！N多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，在自動對準過程中使用附加地基 激光雷達姿態(tài)測量裝置，減少配準所需要確定的配準參數(shù)的個數(shù)，以減少配準所需的控制 點個數(shù)。在上述方案中，優(yōu)選地，可以使用傾角傳感器沿地基激光雷達的X與Y軸對儀器的 姿態(tài)進行測量。優(yōu)選地，所述自動配準方法可以用于森林場景的自動配準，并且可以利用垂直濾 波方法進行樹干點云的識別。優(yōu)選地，在對準過程中，使用樹干的中心位置作為控制點，將待配準的兩站數(shù)據(jù)稱 為主數(shù)據(jù)和副數(shù)據(jù)，通過下述三個步驟在主、副數(shù)據(jù)中找到對應的樹干步驟1，使用變尺度方法將地面點與植被點分離；步驟2，分別對主、副數(shù)據(jù)進行垂直濾波，以提取樹干點云并計算樹干的中心坐 標；步驟3，利用對應的樹干在主、副數(shù)據(jù)中形成的三角形應具有相似的性質(zhì)這一規(guī)則 來識別對應的樹干。優(yōu)選地，利用地表以上冠層以下的一段空間的點云進行樹干的識別，利用這段空 間的點云的垂直分布特征與樹干點云的區(qū)別去除這段空間中樹枝與地表植噪音。在上述方案中，優(yōu)選地，所述自動配準方法可以用于森林場景的自動配準，可以將 待配準的兩站數(shù)據(jù)稱為主數(shù)據(jù)和副數(shù)據(jù)，可以利用單木構(gòu)成的三角形的相似性來識別主、 副數(shù)據(jù)中相同的樹干。優(yōu)選地，所述自動配準方法用于森林場景的自動配準，并且使用4個配準參數(shù)；利 用相同的樹干計算其中的3個配準參數(shù)，利用地表計算第4個配準參數(shù)。優(yōu)選地，對激光雷達數(shù)據(jù)進行首先采用變尺度方法將地面點與植被點分離，然后 通過垂直濾波識別單木的位置，利用單木之間的相對位置自動識別出同名的單木，將同名 單木作為控制點，求得3個配準參數(shù)；最后根據(jù)地表的最佳吻合確定兩站數(shù)據(jù)在垂直方向 上的偏移，求得第4個配準參數(shù)。一種多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，所述自動配準方法用于森林場景 的自動配準，在自動對準過程中使用附加地基激光雷達姿態(tài)測量裝置，減少配準所需要確 定的配準參數(shù)的個數(shù)，從而使用4個配準參數(shù)，以減少配準所需的控制點個數(shù)；借用變尺度 方法將地表點與植被點分離；利用垂直濾波方法進行樹干點云的識別；利用單木構(gòu)成的三 角形的相似性來識別主、副數(shù)據(jù)中相同的樹干；利用相同的樹干計算所述4個配準參數(shù)中 的3個參數(shù)，利用地表計算所述4個配準參數(shù)中的最后一個參數(shù)。使用本發(fā)明可以降低配準過程對控制點的依賴，實現(xiàn)森林環(huán)境下，多站地基激光 雷達數(shù)據(jù)的自動配準。


圖1示出本發(fā)明的0-X’ Y’ Z’座標系與O-XYZ座標系的相對位置關(guān)系。圖2示出本發(fā)明的Y ’求解的原理圖。
圖3示出本發(fā)明的主、副數(shù)據(jù)所采用的坐標系統(tǒng)之間的關(guān)系。
具體實施例方式下面將參考附圖，詳細說明用于實施本發(fā)明的典型實施方式。根據(jù)數(shù)據(jù)配準原理，配準過程共有6個參數(shù)需要確定，本發(fā)明使用傾角傳感器沿 地基激光雷達的X與Y軸對儀器的姿態(tài)進行測量，這樣需要確定的參數(shù)較少，即為4個，使 用測量的姿態(tài)參數(shù)可將XOY平面旋轉(zhuǎn)至水平面。對激光雷達數(shù)據(jù)進行首先采用變尺度方法 將地面點與植被點分離，然后通過垂直濾波識別單木的位置，利用單木之間的相對位置自 動識別出同名的單木，將同名單木作為控制點，可以求得其中的3個參數(shù)，最后根據(jù)地表的 最佳吻合確定兩站數(shù)據(jù)在垂直方向上的偏移。對本發(fā)明具體描述如下。設(shè)儀器采集數(shù)據(jù)所使用的坐標系統(tǒng)Scanner's Own Coordinates System, SOCS) 為0-χ’γ’ζ’，當XOY平面水平時對應的坐標系統(tǒng)為0-XYZ，如圖1所示。其中，OX為0Χ’在 水平面上的投影，OY與OX垂直且指向0Υ，半球空間，OZ垂直于OX和OY且指向上方。0G， OF分別為0Χ，和0Υ，在XOY面內(nèi)的投影，α為0Χ，與OG的夾角，β為0Υ，與OF的夾角， Y ‘為OG與OF的夾角。O-X' Y，V的單位坐標矢量為
權(quán)利要求
1.一種基于單木位置與地表信息的多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，其特征 在于，在自動對準過程中使用附加地基激光雷達姿態(tài)測量裝置，減少配準所需要確定的配 準參數(shù)的個數(shù)，以減少配準所需的控制點個數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動配準方法，其特征在于，使用傾角傳感器沿地基激光雷 達的X與Y軸對儀器的姿態(tài)進行測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動配準方法，其特征在于，所述自動配準方法用于森林場 景的自動配準，利用垂直濾波方法進行樹干點云的識別。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動配準方法，其特征在于，在對準過程中，使用樹干的中心位置作為控制點，將待配準的兩站數(shù)據(jù)稱為主數(shù)據(jù)和 副數(shù)據(jù)，通過下述三個步驟在主、副數(shù)據(jù)中找到對應的樹干步驟1，使用變尺度方法將地面點與植被點分離；步驟2，分別對主、副數(shù)據(jù)進行垂直濾波，以提取樹干點云并計算樹干的中心坐標；步驟3，利用對應的樹干在主、副數(shù)據(jù)中形成的三角形應具有相似的性質(zhì)這一規(guī)則來識 別對應的樹干。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的自動配準方法，其特征在于，利用地表以上冠層以下的一段空間的點云進行樹干的識別，利用這段空間的點云的垂 直分布特征與樹干點云的區(qū)別去除這段空間中樹枝與地表植噪音。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動配準方法，其特征在于，所述自動配準方法用于森林場 景的自動配準，將待配準的兩站數(shù)據(jù)稱為主數(shù)據(jù)和副數(shù)據(jù)，利用單木構(gòu)成的三角形的相似 性來識別主、副數(shù)據(jù)中相同的樹干。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動配準方法，其特征在于，所述自動配準方法用于森林場 景的自動配準，并且使用4個配準參數(shù)；利用相同的樹干計算其中的3個配準參數(shù)，利用地 表計算第4個配準參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動配準方法，其特征在于，對激光雷達數(shù)據(jù)進行首先采用 變尺度方法將地面點與植被點分離，然后通過垂直濾波識別單木的位置，利用單木之間的 相對位置自動識別出同名的單木，將同名單木作為控制點，求得3個配準參數(shù)；最后根據(jù)地 表的最佳吻合確定兩站數(shù)據(jù)在垂直方向上的偏移，求得第4個配準參數(shù)。
9.一種多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，所述自動配準方法用于森林場景的 自動配準，其特征在于，在自動對準過程中使用附加地基激光雷達姿態(tài)測量裝置，減少配準所需要確定的配準 參數(shù)的個數(shù)，從而使用4個配準參數(shù)，以減少配準所需的控制點個數(shù)；借用變尺度方法將地表點與植被點分離；利用垂直濾波方法進行樹干點云的識別；利用單木構(gòu)成的三角形的相似性來識別主、副數(shù)據(jù)中相同的樹干；利用相同的樹干計算所述4個配準參數(shù)中的3個參數(shù)，利用地表計算所述4個配準參 數(shù)中的最后一個參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于單木位置與地表信息的多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，主要應用于基于多站地基激光雷達數(shù)據(jù)的三維森林場景重建。一種多站地基激光雷達數(shù)據(jù)間的自動配準方法，在自動對準過程中使用附加地基激光雷達姿態(tài)測量裝置，減少配準所需要確定的配準參數(shù)的個數(shù)，以減少配準所需的控制點個數(shù)。同時利用多株單木形成的三角形的相似性來自動識別同名單木，為配準提供控制點，使用本發(fā)明可以降低配準過程對控制點精度的要求和依賴，實現(xiàn)森林環(huán)境下，多站地基激光雷達數(shù)據(jù)的自動配準。
文檔編號G01S17/88GK102062860SQ20091023776
公開日2011年5月18日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者倪文儉, 孫國清, 過志鋒, 黃華兵 申請人:中國科學院遙感應用研究所